Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

BÀI TẬP LỚN
MÔN ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
Nhóm 3 : Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ
Karnaugh

Giáo viên hướng dẫn :
Nhóm 5

Nhóm 5

Trần Văn Khôi

1


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khơi

Trong giai đoạn hiện nay, Việt Nam đang tiến hành công cuộc công
nghiệp hóa đất nước, do đó vấn đề TỰ ĐỘNG HÓA trong sản xuất đang được
đặt lên hàng đầu. Tự động hóa trong sản xuất công nghiệp sẽ góp phần tăng
năng suất lao động của người công nhân, giảm bớt sức lực bỏ ra trong các công
việc nặng nhọc, hạ giá thành nhưng lại nâng cao chất lượng sản phẩm. Mặt
khác đáp ứng đòi hỏi ngày càng cao của ngành công nghiệp như: chính xác, an
toàn, tiện lợi, dễ kiểm tra, kiểm soát…
Muốn có được điều đó, cần phải có sự kết hợp chặt chẽ giữa hai lónh vực

mà trước đây chúng hoàn toàn độc lập với nhau: đó là điện – điện tử và cơ khí.
Do đó, một thuật ngữ mới ra đời trong những năm gần đây là CƠ – ĐIỆN TỬ
(Mechatronic).
Tuy nhiên , để có thể làm việc tốt trong một môi trường sản xuất với các
thiết bò tự động, người lao động phải được đào tạo cơ bản. Ngày nay, một số
trường Đại học, trung học nghề đã đưa bộ môn Cơ – Điện tử vào giảng dạy cho
học sinh nhằm tạo cho họ có được những kiến thức cơ bản về tự động hóa phục
vụ cho công việc sau này .
Chính vì những lý do vừa nêu đã thúc đẩy em thực hiện đề tài :
Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ Karnaugh
Do đây là lần đầu tiên nhóm em nghiên cứu về lónh vực khá mới mẻ này,
đồng thời với khả năng và quỹ thời gian hạn chế nên chắc chắn sẽ không tránh
khỏi những thiếu sót, chúng em rất mong được sự góp ý của thầy cô và bạn bè
để đồ án được tốt hơn

Nhóm 5

2


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Phần 1: Phân tích công nghệ và xây dựng phương
án điều khiển
1,Phân tích công nghệ:
Có 3 xy lanh và một van chân không được sử dụng để điều khiển quy trình in.
Xylanh A dẫn động di chuyển thiết bị phun mực
Xylanh B vận hành cơ cấu xén giây

Xylanh C thực hiện chức năng kéo giấy ra khỏi cuộn tại vị trí khuôn in.
Van chân không làm việc theo nguyên lý ventury sẽ taọ ra chân không cho
các chén hút để có khả năng giữ chặt giấy trong quá trình xylanh C kéo.
Sơ đồ công nghệ của máy in lưới đã được vẽ trong đề bài.
Giới thiệu về các thiết bị khí nén và 1 số thiết bị sử dụng trong hệ thống
máy in lưới:
-Van chân không

Hình 1 cấu tạo van chân không
Trong đó P là nguồn khí cung cấp
R là cửa xả (khí thải)
Van chân không để hút và giữ giấy .Chân không được tạo ra theo nguyên lý
ventury : khí nén với áp suất p trong khoảng 1,5bar -10bar sẽ qua ống ventury và
sẽ theo cửa R thoát ra ngoài, tại cuối của ống ventury chân không được tạo thành.
Theo sơ đồ công nghệ của máy in lưới thì khi xylanh C duỗi ra thì vào van chân
không mới tác động và khi xylanh C lùi về van chân không ngừng cấp khí để nhả
giấy.
- Cấu tạo xylanh thủy lực :

Nhóm 5

3


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Hình 2.1 Cấu tạo xylanh thủy lực

Hình 2.2 Mặt cắt không gian của xylanh khí nén

Hình 2.2 xylanh khí nén thực tế

Nhóm 5

4


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

- Cảm biến quang điện có sẵn bộ khuếch đại của hãng omron
có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau với khoảng cách phát hiện lớn
Hình dáng kích thước cho tất cả các vị trí lắp đặt
Không bị ảnh hưởng bởi điều kiện môi trường lắp đặt, vì thế tăng độ tin cậy
Đáp ứng được nhiều tiêu chuẩn quốc tế

Hình 3 Cảm biến quang điện có sẵn bộ khuếch đại loại E3Z-D61
* E3Z-D61(hoặc các cảm biến quang điện có sẵn khuếch đại phản xạ khuếch tán)
sử dụng phát hiện còn giấy để in.
Khoảng cách phát hiện giấy trắng là 100mm
Nguồn sáng LED hồng ngoại có bước sóng 860nm
Nguyên lý phát hiện : cảm biến phát ra nguồn sáng (qua LED hồng ngoại) khi giấy
nằm trong khoảng cách cảm biến phát hiện được thì ánh sáng từ nguồn phát của
cảm biến sẽ chiếu lên giấy trắng, ánh sáng phản xạ lại được cảm biến thu lại.Vậy
để phát hiện còn giấy để in thì giấy in phải nằm trên bàn in và nằm trong khoảng
cách phát hiện của cảm biến quang điện. Khi đó cảm biến sẽ báo bằng đèn trên
cảm biến

*E3Z-R61(hoặc các loại cảm biến quang điện có sẵn bộ khuếch đại phản xạ
gương) dùng để phát hiện cửa che chắn đã đóng hay chưa giấy chưa đầy
Gương được đặt trên cửa che chắn và khay chứa giấy
Khoảng cách phát hiện lên tới 3m tối thiểu là 100mm khi sử dụng gương E39-R1 ;
1,5m tối thiểu là 50mm với gương nhỏ E39-RS1.
Nguồn sáng LED đỏ bước sóng 680nm.
Nguyên lý hoạt động : cảm biến phát ra ánh sáng(qua LED đỏ) khi cửa chắn đóng
ánh sáng này được phản xạ qua gương( chú ý gương phải đặt trong khoảng cách
phát hiện của cảm biến) cảm biến sẽ nhận được tín hiệu là cửa chắn đã đóng. Để
phát hiện khay chứa giấy chưa đầy thì gương được gắn phía trên cùng của tập giấy
chiều dày của tập giấy tương ứng với vị trí của gương), khi khay chứa giấy đầy tức

Nhóm 5

5


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

là khoảng cách từ gương tới giấy là dưới mức tối thiểu 100mm khi sử dụng gương
E39-R1(50mm với gương nhỏ E39-RS1)
- Máy nén khí cung cấp khí nén cho toàn bộ hệ thống mạch điều khiển khí
nén

Hình 4 máy nén khí volcano
(hình vẽ chỉ có tính chất minh họa do chưa có đủ thông số cần tính)
- Thiết bị phân phối khí nén

Nhóm 5

6


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Hình 5 thiết bị phân phối khí nén SSI-USA
- Một số loại van điều khiển khí nén
Sử dụng các van đảo chiều 4 cửa 2trạng thái điều khiển trực tiếp bằng khí nén

Nhóm 5

7


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Hình 6.1 van đảo chiều 4 cửa 2trạng thái điều khiển trực tiếp bằng khí nén
Trong đó:
1.Piston
2.Lò xo
3.Vỏ van
4.Cuộn solenoid
5.Lõi
Với A ,B là các cửa làm việc

P là cửa nguồn
T là cửa xả
Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng nút ấn có lò xo hồi vị ( nút bắt đầu khởi
động hệ thống khí nén)

Nhóm 5

8


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Hình 6.2 van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng nút ấn có lò xo hồi vị
Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng tay gạt

Hình 6.3 Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng tay gạt
Van tác động trễ (Van điều khiển thời gian ngắt chậm tương tự như rơle
thời gian đóng chậm)
Ở trạng thái bình thường van nối với cửa xả R, cửa P bị chặn.Khi có tín hiệu
điều khiển X thì van dịch chuyển nối thông cửa làm việc A với cửa nguồn P cửa R
Nhóm 5

9


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

bị chặn, Khi ngắt tín hiệu điều khiển X do van 1 chiều chặn dòng khí nén nên chỉ
có thể qua van tiết lưu ra ngoài ,phải mất 1 khoảng thời gian để dòng khí nén từ
trong bình trích ra ngoài ( với bài toán đã cho tính toán để van tác động trễ nối với
xy lanh A trễ đúng khoảng thời gian từ 3-5sau đó)

Hình 6.4 van điều khiển thời gian ngắt chậm

Nhóm 5

10


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

-Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng khí nén

Hình 6.5Van đảo chiều 3/2 điều khiển bằng khí nén
Khi có tín hiệu X tác động cửa P nối với cửa làm việc A, còn cửa xả R bị
chốt lại trạng thái này được giữu cho đến khi có tín hiệu Y tác động thì cửa P bị
chặn còn cửa làm việc A được nối với cửa xả R.
2,Trình tự hoạt động:
Yêu cầu của bài toán thiết kế : Ban đầu các xylanh đều ở vị trí mà các piston
đã lùi về cực vị ,van chân không không có khí tác động.Khi khay chứa giấy chưa
đầy,cảm biến phát hiện còn giấy,cửa che chắn đã đóng,nhấn nút start hệ thống bắt
đầu làm việc,xylanh C duỗi ra,van chân không được cấp khí tạo ra lực hút chân
không để giữ giấy,tiếp đó xy lanh A duỗi ra dịch chuyển thiết bị phun mực ra đúng
vị trí,mực được phun lên giấy,sau một khoảng thời gian 3-5s,xylanh A lùi về đưa

thiết bị phun mực về vị trí cũ. Xy lanh C lùi về,van chân không ngừng cấp khí để
nhả giấy ra,tiếp theo đó là xylanh B duỗi ra dịch chuyển cơ cấu xén giấy để cắt
phần giấy đã in theo khuôn khổ định sẵn,sau khi xylanh B lùi về quy trình mới lặp
lại với trình tự như cũ.
Việc vận hành có thể theo chế độ tự động một chu kỳ hay nhiều chu kỳ,và
quy trình làm việc phải đảm bảo luôn luôn đầy đủ 3 điều kiện : có che chắn , khay
chứa giấy chưa đầy và còn giấy để in.
*Xây dựng phương án điều khiển: Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo
biểu đồ karnaugh từ yêu công nghệ đã cho theo các bước :
Bước 1 : Để hệ thống vận hành được thì phải đảm bảo các yêu cầu sau :
1.Có che chắn (cửa che chắn đã đóng)
2.Khay chứa giấy chưa đầy
3.Còn giấy để in
Các điều kiện trên được phát hiện bằng các cảm biến với nguyên tắc đã được nêu ở
phần giới thiệu các loại thiết bị.
Bước 2 : phải đảm bảo các điều kiện tức là tất cả các cảm biến báo của cảm biến
đèn sáng có thể vận hành theo 1 trong hai chế độ sau.

Nhóm 5

11


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

-Vận hành theo chế độ tự động 1 chu kỳ như sau nút start hệ thống bắt đầu
làm việc,xylanh C duỗi ra,van chân không được cấp khí tạo ra lực hút chân không
để giữ giấy,tiếp đó xy lanh A duỗi ra dịch chuyển thiết bị phun mực ra đúng vị

trí,mực được phun lên giấy,sau một khoảng thời gian 3-5s,xylanh A lùi về đưa thiết
bị phun mực về vị trí cũ. Xy lanh C lùi về,van chân không ngừng cấp khí để nhả
giấy ra,tiếp theo đó là xylanh B duỗi ra dịch chuyển cơ cấu xén giấy để cắt phần
giấy đã in theo khuôn khổ định sẵn,sau khi xylanh B lùi về và kết thúc chu
trình.Muốn thực hiện chu kỳ tiếp thực từ bước 1.
-Vận hành chế độ nhiều chu kỳ nhấn nút start hệ thống bắt đầu làm
việc,xylanh C duỗi ra,van chân không được cấp khí tạo ra lực hút chân không để
giữ giấy,tiếp đó xy lanh A duỗi ra dịch chuyển thiết bị phun mực ra đúng vị trí,mực
được phun lên giấy,sau một khoảng thời gian 3-5s,xylanh A lùi về đưa thiết bị
phun mực về vị trí cũ. Xy lanh C lùi về,van chân không ngừng cấp khí để nhả giấy
ra,tiếp theo đó là xylanh B duỗi ra dịch chuyển cơ cấu xén giấy để cắt phần giấy đã
in theo khuôn khổ định sẵn,sau khi xylanh B lùi về quy trình mới lặp lại với trình
tự như cũ.

Phần 2: Thiết kế hệ thống điều khiển
1,Xây dựng biểu đồ quy trình như hình vẽ:
Từ quy trình công nghệ đã cho xây dựng biểu đồ quy trình với 6 bước thực
hiện như sau :

Nhóm 5

12


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Chu trình của Chế độ 1 chu kỳ

Nhóm 5

13


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Chu trình của chế độ nhiều chu kỳ
2,Xác định hệ phương trình logic
Từ biểu đồ quy trình ta có được các phương trình logic sau :
- Phương trình thực hiện chức năng điều khiển C+ :
C+ = a0 .b0 .c0 . Pb
- Phương trình thực hiện chức năng A+ :
A+ = a0 .b0 .c1
- Phương trình thực hiện chức năng A- :
A- = a1 .b0 .c1
- Phương trình thực hiện chức năng C- :

Nhóm 5

14


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

C- = a0 .b0 .c1

- Phương trình thực hiện chức năng B+ :
B+ = a0 .b0 .c0
- Phương trình thực hiện chức năng B- :
B- = a0 .b1 .c0
Trong 6 phương trình logic trên ta thấy A+ và C- có cùng điều kiện nhưng
không cùng thời điểm , như vậy không đảm bảo điều kiện thực hiện , ta dùng thêm
biến nhớ để phân biệt 2 trạng thái đó :
C+ = a0 .b0 .c0
A+ = a0 .b0 .c1
A- = a1 .b0 .c1
X+
C = a0 .b0 .c1
B+ = a0 .b0 .c0
B- = a0 .b1 .c0
X -Sau khi thêm vào hệ phương trình logic trở thành :
C+ = a0 .b0 .c0 .x0
A+ = a0 .b0 .c1 .x0
X+ = a0 .b0 .c1 .x0
A- = a1 .b0 .c1 .x1
C- = a0 .b0 .c1 .x1
B+ = a0 .b0 .c0 .x1
X- = a0 .b1 .c0 ..x1
B- = a0 .b1 .c0 .x0
Toàn bộ quy trình khi có thêm biến X được điều khiển theo trình tự sau C+ ,
A+ , X+, A- , C- , B+, X- , B-.
3,xây dựng bảng karnaugh và thực hiện tối thiểu hóa
Biểu đồ karnaugh lập cho quy trình trên :

* Tối thiểu hóa phương trình lôgiccho A+ , ABiểu đồ karnaugh lập cho quy trình xylanh A :
Nhóm 5

15


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

Phương trình logic tối giản cho A + , A- như sau :
A+ = x0.c1
A - = x1
* Tối thiểu hóa phương trình lôgiccho B+ , BBiểu đồ karnaugh lập cho quy trình xylanh B :

Phương trình logic tối giản cho B + , B- như sau :
B+ = x1.c0
B - = x0
*Tối thiểu hóa phương trình lôgic cho C+ , CBiểu đồ karnaugh lập cho quy trình xylanh C :

Nhóm 5

16

GVHD Trần Văn Khôi


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

Phương trình logic tối giản cho C+ , C- như sau :
C+ = b0.x0
C - = a0.x1

Tối thiểu hóa phương trình lôgiccho X+ , XTương tự như đối với A+,A-,B+,B-,C+,C- ta có :

Phương trình logic tối giản cho X + , X- như sau :
X+ = a1.x0
X - = b1.x1
Tổng hợp lại phương trình logic tối giản thực hiện theo các chức năng :
A+ = x0.c1
A - = x1
B+ = x1.c0
Nhóm 5

17


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

B - = x0
C+ = b0.x0
C - = a0.x1
X+ = a1.x0
X - = b1.x1
Van chân không bị tác động bởi xylanh C
Điều kiện tác động của van theo chu trình khi van tác động điều kiện giống điều
kiện duỗi xulanh A và điều kiện đóng giống điều kiện duỗi xylanh B.
V+= A+ = x0.c1
V-=B+ = x1.c0

4.Từ hệ phương trình lôgic đã cho thiết kế mạch điều khiển khí nén như hình

vẽ

Nhóm 5

18


Thiết kế mạch điều khiển khí nén theo biểu đồ karnaugh

GVHD Trần Văn Khôi

LỜI KẾT
Sau thời gian nghiên cứu và thực hiện với nhiều nỗ lực và cố gắng của nhóm
quyển đồ án này đã hoàn thành
Nhóm thực hiện đề tài cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô cùng các bạn
sinh viên, đã đóng góp rất nhiều ý kiến, công sức quý báu trong quá trình nhóm
thực hiện đề tài này.
Đặc biệt, chúng em xin cảm ơn thầy Trần Văn Khôi đã hướng dẫn, chỉ bảo
những kinh nghiệm, kiến thức thực tế để đề tài được hoàn thành trong thời gian
quy định. Tuy nhiên, do còn hạn chế về trình độ và kinh nghiệm thực tế nên đề tài
không tránh khỏi nhiều sai sót, nhóm rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến
chân tình của thầy các bạn để đề tài được hoàn chỉnh hơn.
Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

Nhóm 5

19