Thiết kế hệ thống cấp đất cho chậu

Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật con người ngày càng
đòi hỏi trình độ tự động hoá phải càng phát triển để đáp ứng được nhu cầu của
mình. Tự động hoá ngày càng phát triển rộng rãi trong mọi lĩnh vực kinh tế, đời
sống xã hội, nó là ngành mũi nhọn trong công nghiệp. Ngày nay, trình độ tự động
hoá của một quốc gia đánh giá cả một nền kinh tế của quốc gia đó. Chính vì lẽ đó
mà việc phát triển tự động hoá là một việc hết sức cần thiết.
Bởi vậy ngành tự động hoá cúngđược đưa vào đào tạo kỹ lưỡng ở các trường
Đại học, Cao đẳng trên cả nước.Đặc biệt ở trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng
với sự giảng dạy kỹ lưỡng của thầy Trần Xuân Tùy và thầy Trần ngọc Hải đã giúp
chung em hình dung rõ hơn về sự ra đời,phát triển.Sinh viên chúng em được đào
tạo về các dây chuyền sản xuất tự động các cơ cấu chấp hành cũng như các thiết bị
điều khiển. Việc tạo ra các sản phẩm tự động hoá không những trong công nghiệp
mà ngay cả trong đời sống con người ngày càng được phổ biến.
Để cũng cố và bổ sung thêm những kiến thức đã học và để áp dụng những
kiến thức đó vào thực tế chúng em đã được nhận và thực hiện đồ án môn học với
đề tài “Thiết kế hệ thống cấp đất cho chậu ”.
Việc hoàn thành đề tài của chúng em sẽ không tránh được những sai lầm thiếu
sót. Em rất mong được sự phê bình đánh giá của các thầy cô để em có thể rút ra
được kinh nghiệm và cũng nhằm bổ sung kiến thức cho chúng em..
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Trương Vỹ đã tận tình hướng dẫn
và giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án này.
Đà Nẵng, Ngày 19 tháng 5.năm 2016
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Văn Liệu
Hoàng công Thái

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
1


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

A.GIỚI THIỆU VÀ XÁC ĐỊNH NHIỆM VỤ VÀ KỸ THUẬT THỰC HIÊN
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
I.GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG
Ngày nay, việc tự động hoá trong sản xuất là một nhu cầu cấp thiết nhằm
nâng cao năng xuất lao động. Hệ thống sản xuất tự động ngày càng được ứng dụng
rộng rãi trong các phân xưởng, nhà máy. Sự phát triển của kỹ thuật bán dẫn điện
tử, cùng với việc ra đời của các linh kiện điện tử, chúng đã được áp dụng trong hệ
thống cơ khí và từ đó các loại máy móc tự động ra đời.
Chiếc máy tự động đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp do một thợ cơ
khí người Nga, ông Pôdunôp chế tạo vào năm 1765. Nhờ nó mà mức nước trong
nồi hơi được giữ cố định không phụ thuộc vào lượng tiêu hao hơi nước. Để đo mức
nước trong nồi, Pôdunôp dùng một cái phao. Khi mức nước thay đổi phao sẽ tác
động lên cửa van, thực hiện điều chỉnh nước trong nồi. Nguyên tắc điều chỉnh của
cơ cấu này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác
nhau, nó được gọi là nguyên tắc điều chỉnh theo sai lệch hay nguyên tắc Pôdunôp Giôn Oat. Đầu thế kỷ 19, nhiều công trình có mục đích hoàn thiện các cơ cấu điều
chỉnh tự động của máy hơi nước đã được thực hiện. Cuối thế kỷ 19 các cơ cấu điều
chỉnh cho tuabin hơi nước bắt đầu xuất hiện. Năm 1712 ông Narrtôp, một thợ cơ
khí người Nga đã chế tạo được máy tiện chép hình để tiện các chi tiết định hình.
Việc chép hình theo mẫu đã được thực hiện. Chuyển động dọc của bàn dao do
bánh răng - thanh răng thực hiện. Cho đến năm 1798 ông Henry Nandsley người
Anh mới thay thế chuyển động này thành chuyển động của vitme - đai ốc. Năm
1873 Spender đã chế tạo được máy tiện tự động có ổ cấp phôi và trục phân phối

mang các cam đĩa và cam thùng. Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới như Pittler
Ludnig Lowe (Đức), RSK (Anh) đã chế tạo được máy tiện rơvônve dùng phôi thép
thanh. Năm 1887 Đ.G Xtôlepôp đã chế tạo được phần tử cảm quang đầu tiên, một
trong những phần tử hiện đại quan trọng nhất của kỹ thuật tự động hoá. Cũng trong
giai đoạn này, các cơ sở của lý thuyết điều khiển và điều chỉnh hệ thống tự động
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
2


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

bắt đầu được nghiên cứu, phát triển. Một trong những công trình đầu tiên về lĩnh
vực này thuộc về nhà toán học nổi tiếng P.M.Chebưsep. Có thể nói, ông tổ của các
phương pháp tính toán kỹ thuật của lý thuyết điều chỉnh hệ thống tự động là I.A.
Vưsnhegratxki, giáo sư toán học nổi tiếng của trường đại học công nghệ thực
nghiệm Xanh Pêtecbua. Năm 1876 và 1877 ông đã cho đăng các công trình “ Lý
thuyết cơ sở của các cơ cấu điều chỉnh” và “ Các cơ cấu điều chỉnh tác động trực
tiếp”.
Các phương pháp đánh giá ổn định và chất lượng của các quá trình quá độ do
ông đề xuất vẫn dùng cho tới tận bây giờ.
Không thể không kể tới đóng góp to lớn trong sự nghiệp phát triển lý thuyết
điều khiển hệ thống tự động của các nhà bác học A.Xtôđô người Sec, A.Gurvis
người Mỹ, A.K.Makxvell và Đ.Paux người Anh, A.M.Lapunôp người Nga và
nhiều nhà bác học khác.
Các thành tựu đạt được trong lĩnh vực tự động hoá đã cho phép trong những
thập kỷ đầu của thế kỷ 20 chế tạo các loại máy tự động nhiều trục chính, máy tổ
hợp và các đường dây tự động liên kết cứng và mềm dùng trong sản xuất loạt lớn
và hàng khối. Cũng trong thời gian này, sự phát triển mạnh mẽ của điều khiển học,

một môn khoa học về các quy luật chung của các quá trình điều khiển và truyền tin
trong các hệ thống có tổ chức đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển và ứng dụng của
tự động hoá các quá trình sản xuất vào công nghiệp.
Trong những năm gần đây, các nước có nền công nghiệp phát triển tiến hành
rộng rãi tự động hoá trong sản xuất loạt nhỏ. Điều này phản ánh xu thế chung của
nền kinh tế thế giới chuyển từ sản xuất loạt lớn và hàng khối sang sản xuất loạt nhỏ
và hàng khối thay đổi. Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông tin và các
ngành khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế giới trong những
năm cuối của thế kỷ 20 đã có sự thay đổi sâu sắc. Sự xuất hiện hàng loạt các công
nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt (Agile engineering), hệ thống điều hành sản
xuất qua màn hình (Visual Manufacturing), kỹ thuật tạo mẫu nhanh (Rapid
Prototyping) và công nghệ Nanô đã cho phép thực hiện tự động hoá toàn phần
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
3


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

không chỉ trong sản xuất hàng khối mà cả trong sản xuất loạt nhỏ và đơn chiếc.
Chính sự thay đổi nhanh của sản xuất đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với
công nghệ chế tạo máy, làm xuất hiện hàng loạt các thiết bị và hệ thống tự động
hoá hoàn toàn mới như các loại máy điều khiển số, các trung tâm gia công,các hệ
thống điều khiển bằng lôgic PLC, các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS…
1.2. NHU CẦU VÀ XU THẾ PHÁT TRIỂN
Tự động hoá là một quá trình cho phép giảm giá thành sản phẩm, giảm sức
lao động của con người, nâng cao năng xuất lao động. Trong mọi thời đại, một sản
phẩm làm ra vấn đề giá thành sản phẩm là một trong những vấn đề rất được quan
tâm bởi lẽ nếu cùng một loại sản phẩm của hai nhà sản xuất đưa ra nếu giá thành

sản phẩm nào rẻ hơn nhưng với chất lượng như nhau thì dĩ nhiên người ta sẽ lựa
chọn sản phẩm rẻ hơn. Chính vì lẽ đó mà con người luôn tìm tòi mọi phương pháp
để giảm giá thành sản phẩm và đó là cơ sở cho nghành tự động hoá ra đời. Một
trong những động lực cho sự phát triển của tự động hoá đó là giảm sức lao động
của con người, nâng cao chất lượng sản phẩm và năng xuất lao động. Người ta từ
lâu đã nhận ra rằng lao động của con người không thể sánh bằng máy móc kể cả về
năng suất và chất lượng đặc biệt là các loại máy móc tự động.Vì vậy việc ra đời
của ngành tự động hoá không những giảm bớt lao động của con người mà còn
nâng cao được năng suất và chất lượng sản phẩm.
Quá trình tự động hoá đã làm cho việc quản lí trở nên rất đơn giản, bởi vì nó
không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số
lượng công nhân đến mức tối đa. Ngoài ra tự động hoá còn cải thiện được điều
kiện làm việc của công nhân, tránh cho công nhân những công việc nhàm chán, lặp
đi lặp lại, có thể thay cho con người lao động ở những nơi có điều kiện làm việc
nguy hiểm, độc hại…
Tự động hoá có thể áp dụng cho nhiều loại hình sản xuất hàng loạt và đơn
chiếc với một trình độ chuyên môn hoá cao cũng chính vì thế mà năng suất cũng
như chất lượng sản phẩm rất cao. Ngày nay để đánh giá mức độ của một nền sản
xuất, người ta đánh giá vào mức độ tự động hoá của nền sản xuất đó.
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
4


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Với tầm quan trọng như thế, ngành tự động hoá rất được các quốc gia trên thế
giới quan tâm bởi đó không những là bộ mặt của nền sản xuất mà trong thời buổi
kinh tế thị trường việc cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường là rất khó khăn, nó

đòi hỏi không những về chất lượng sản phẩm mà còn cả về giá thành.
Trong thời gian gần đây, tự động hoá được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh
vực của đời sống từ kinh tế đến chính trị - xã hội, như: Trong công nghiệp, y tế,
ngân hàng, thư viện…
1.3. NHU CẦU TỰ ĐỘNG HOÁ TRONG NÔNG NGHIỆP
Nước ta là một nước nông nghiệp nên vấn đề nâng cao năng suất cũng như
chất lương các sản phẩm nông nghiêp là ưu tiên hàng đầu.Việc đưa các tiến bộ
khoa hoc kỹ thuật vào quá trình sản xuất nông nghiệp đòi hỏi phải thực hiên nhanh
chóng và kịp thời.Vì thế các kỹ sư đã ứng sử dụng các hệ thống điều khiển tự động
đưa và quá trình sản xuất nông nghiệp tối ưu nhất và đạt được nhiều thành tựu to
lớn góp phần giảm sức lao động của con người vừa tao ra khối lượng sản phẩm
nhiều vừa phong phú đa dang.Từ đó chúng em quyết định tìm tòi và nghiên cứu
“Thiết kế hệ thống cấp đất cho chậu”. Nhằm giúp cho những người trồng hoa cũng
như trồng cây giảm bớt thời gian cho việc sản xuất nhằm nâng cao năng suất cho
quá trình đồng thời giảm chi phí sản xuất giúp tăng khả năng cạnh tranh của sản
phẩm.
1.4. Nhiệm vụ và kỹ thuật thực hiện
a.nhiệm vụ
-chế tạo được máy cấp đất cho chậu,đảm bảo máy hoạt động tốt ,ứng dụng
được trong thực tiễn của cuộc sống.Hệ thống điều khiển phải đồng bộ và thống
nhất và sao cho người sử dụng dễ thao tác thực hiện
-Hệ thống phải an toàn với người sử dụng,thân thiện với môi trường
-kết cấu hợp lý,dễ chế tạo và chi phí đầu tư thấp
-nâng cao năng suất trong quá trình sản suất hoa,cây cảnh
b.kỹ thuật thực hiên
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
5


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

-Dựa vào sự giảng dạy của các thầy về hệ thống điều khiển tự động và tính
toán thiết kế hệ thống cơ khí
-Dựa vào thực tiễn của quá trình sản suất hoa và cây cảnh từ đó giúp giảm
thời gian làm việc của nông dân

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
6


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

B.THIẾ KẾ HỆ THỐNG MÁY VÀ CƠ CẤU
I. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1. Phương án 1 :
Ta sử dụng hệ thống truyền động bằng thủy lực:
+ môt xi lanh thủy lực để cấp đất vào chậu
+ một xi lanh thủy lực dùng để đẩy chậu đi
+ một xi lanh để thu hồi chậu
* Ưu và nhược điểm của phương án 1:
- Ưu điểm:
+ truyền được công suất và tải trọng lớn
+ dầu có tính đàn hồi nên truyền động êm, không ồn ào
+ điều chỉnh được vô cấp của cơ cấu chấp hành
- Nhược điểm:
+ do dùng hệ thống thủy lực nên cần cung cấp dầu và bơm dầu cho hệ thống nên

chi phí tốn kém, không phù hợp với việc làm mô hình của sinh viên
+ xi lanh và các phần tử điều khiển có giá thành cao nên không hiệu quả về tính
kinh tế
+ tổn thất trên trong đường ống dẫn và các phần tử thủy lực nên làm giảm hiệu
suất làm việc
+ do dầu có tính đàn hồi nên khó ổn định vận tốc khi tải thay đổi
2.1.2. Phương án 2
Ta sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén:
+ môt xi lanh thủy lực để cấp đất vào chậu
+ một xi lanh thủy lực dùng để đẩy chậu đi
+ một xi lanh để thu hồi chậu
* Ưu và nhược điểm của phương án 2:
- Ưu điểm: độ nhớt của động học của khí nén nhỏ
Hệ thống cung cấp khí nén đơn giản rẻ tiền, dễ chế tạo không cần bơm dầu
nên chi phí giá thành thấp hơn so với thủy lực
Các phần tử trong hệ thống khí nén có cấu tạo đơn giản và giá thành rẻ
Lực để truyền tải trọng đến cơ câu chấp hành thấp nên phù hợp với việc làm
mô hình của sinh viên
Hệ thống khí nén thấp không gây ôi nhiễm môi trường
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
7


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

- Nhược điểm: Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp
Dòng khí thoát ra ở đường dẫn gây nên tiếng ồn lớn
2.1.3. Phương án 3

Ta sử dụng hệ thống truyền động bằng động cơ
+ một động cơ để cung cấp chuyển động quay cho chậu đất quay tròn
+ một động cơ để dùng để cấp lại đất rơi vải ra cho xích tải cào cấp đất lại cho
chậu
+ một động cơ để dùng để thu hồi chậu đã được bỏ đất vào
-Ưu điểm: truyền động chính xác
Hiệu suất truyền động tốt
-Nhược điểm: truyền động bằng động cơ thì phải dùng các bộ truyền (bộ truyền
đai, bộ truyền xích.. nên làm hệ thống phức tạp, không hiệu quả về kinh tế
Không đồng bộ trong quá trình điều khiển hệ thống
Dựa vào các phân tích ở trên nhóm đồ án chọn phương án 2 để thiết kế hệ thống ,
các thiết bị dùn gtrong hệ thống sẽ được phân tích ở các chương sau.
2.2.TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC
2.2.1. Các chuyển động chính
− Chuyển động tịnh tiến của xilanh 1 để cho đất rơi xuống và chặn lại khi

đã đủ lượng đất xi lanh qua các thông số sau:
Hành trình của piston L=10mm
Vận tốc của xi lanh khi chuyển động tính tiến để tạo chuyển động quay cho
cơ cấu là
Trong đó: v- vận tốc dài của cần xi lanh
Q- lưu lượng của xi lanh, chọn Q=10.5
A-Tiết diện của xi lanh
Vậy vận tốc của chuyển động quay do xi lanh tạo ra là:

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
8


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Chuyển động tịnh tiến của xilanh 2 dung để đẩy chậu đất đi sau khi đã đủ
lượng đất cần thiết
Hành trình của piston L=15mm
Chuyển động tịnh tiến của xilanh 3dùn để thu hồi chậu đã đủ lượng đất
Hành trình của piston L=15mm
2.2.2. Các yêu cầu khi thiết kế
Nhìn chung, khi xây dựng phương án bố trí cho các hệ thống tự động cần phải
đảm bảo các điều kiện như sau:
− Hệ thống đơn giản, dễ điều khiển và đáng tin cậy.
− Bố trí các cơ cấu phải nhỏ gọn đảm bảo tính kỹ thuật và thẫm mỹ
− Ngoài ra phải đảm bảo được tính an toàn và tính kinh tế.

2.3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC VÀ MỘT SỐ BỘ PHẬN CHÍNH
2.3. 1.TÍNH CHỌN XI LANH TẠO CHUYỂN ĐỘNG QUAY CHO HỆ THỐNG
a. cơ cấu sinh lực băng khí nén
Khí nén được sử dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Khí nén là không
khí sạch được không khí được máy nén khí nén đến áp suất 6,7atm để khi đi qua
các ống dẫn đến xi lanh có áp suất làm việc 3,4atm
Dùng khí nén có những ưu điểm sau:
Nâng cao năng suất lao động, giảm nhẹ sức lao động của công nhân, điều khiển
thống nhất, từ xa để có khả năng tự động hóa.
Các nhược điểm của khí nén là: khí nén dùng với áp lực thấp(4-6)atm
Phải có thêm các trang bị phụ: van, bình lọc khí, ổn định tốc độ và áp suất tốn
nhiều không gian.
Các cơ cấu sinh lực bằng khí nén có thể phân loại như sau:
Theo dạng xi lanh dẫn lực: loại xi lanh piston – xi lanh màng
Theo sơ đồ tác dụng: Loại xi lanh một chiều và loại xi lanh hai chiều

Theo dạng gá đặt: loại cố định và loại quay
b. tính lực đẩy của xi lanh
+Loại xi lanh hai chiều, một piston

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
9


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

A B

A-

A+
R

P S

Loại này khí nén có thể vào bên trái hoặc bên phải xi lanh, loại này hành trình
piston dài chuyển động được cả hai phía.
Khi khí nén qua van phân phối đi vào buồng bên trái của xi lanh thì lực tạo ra
được tính theo biểu thức sau:
Khi khí nén qua buồng bên phải của xi lanh thì lực tạo ra là:
Trong đó:
Q- lực do khí nén tạo ra
D- đường kính piston(m)
d- đường kính cần piston(mm)

p- áp suất khí nén(kG/)
- hiệu suất, kể đến mất mát vì ma sát giữa piston và xi lanh, cán piston và vỏ
Để có thể tăng lực kẹp mà không cần tăng đường kính piston có thể sử dụng
loại xi lanh hai hay nhiều piston
Xi lanh có thể sinh ra lực kẹp
Đường kính tiêu chuẩn của piston là: D=50, 75,100…
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
10


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Cần piston: d=8…80mm
Hành trình làm việc: L 10,15mm
Độ nhám mặt trong của xi lanh cần đạt: Ra=0.63-1.25 để giảm ma sát
Kết cấu của xi lanh có thể tham khảo trong sổ tay kết cấu cơ khí
c. tính lực đẩy của xi lanh
Khí nén được đi vào buồng bên phải của xi lanh kẹp chi tiết nên lực kẹp Q được
tính theo biểu thức:
Trong đó: D- đường kính piston. D=20mm=0.02m
d- đường kính cán piston. d=8mm
p- áp suất khí nén. p=3atm=3100kG/cm2
- hiệu suất. =0.85%
Thay vào biểu thức ta có:

d. tính kết cấu băng tải chuyển chậu
 Ý nghĩa của việc c: Thời gian cho chậu di chuyển trên băng tải là một yếu tố

quan trọng ảnh hưởng đến năng suất của máy (năng suất công nghệ). Vì vậy
cải tiến và sử dụng các cơ cấu hợp lí để giảm tổn thất thời gian và cải thiện
điều kiện làm việc của người công nhân
Mở rộng khả năng công nghệ của máy
Mang lại hiệu quả kinh tế cho tất cả các dạng sản xuất
− Cơ cấu chứa đất là cơ cấu dùng để dữ trữ đất bảo đảm cho máy móc làm

việc liên tục không bị gián đoạn. Cơ cấu chứa đất được phân thành bình
chứa đất và phểu cấp đất
− Băng tải là chi tiết dùng để chuyển chậu đến vị trí cần thiết
− Cơ cấu chứa đất đặc điểm của loại này không thể định hướng đất trong

không gian, cần phễu định hướng nhất định
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
11


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

− -Phểu cấp đất đặc điểm của nó là có thể tự động định hướng phôi trong

không gian.Từ các điều kiện đã phân tích ta chọn cơ cấu chứa đất để làm bộ
phận cung cấp phôi cho hệ thống
− Các thông số của cơ cấu cấp đất : Dường kính ống chứa đất ϕ120mm, chiêu

dài ống chứa đất L=270, chiêu dài phễu l=60mm,đường kính phễu ϕ70mm

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI

12


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

C. TÍNH TOÁN SỨC BỀN VÀ KẾT CẤU MÁY
I. Tính chọn công suất động cơ
Yêu cầu hệ thống bang tải:
•
•
•
•

Lực kéo băng tải F= 10N
Vận tốc băng tải v= 0,15m/s
Đường kính băng tải D= 50mm
Đặc tính làm việc chịu va đập nhẹ

Ta chọn bộ truyền xích, công suất có ích trên trục tang băng tải:
Chọn sơ bộ hiệu suất bộ truyền:
•
•




Bộ truyền xích:
Hiệu suất ổ:

Hiệu suất truyền từ động cơ: :
Công suất yêu cầu từ động cơ:
Do vậy công suất động cơ

Xác định vận tốc vòng n(vòng/phút) của động cơ:
Chọn tỷ số truyền xích u1= 2 là bộ truyền giảm tốc
Vận tốc trên tang:
Yêu cầu trục chính động cơ:
Loại động cơ
24VDC

Công suất
2w

Số vòng
116

Khối lượng
120g

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
13

Đường kính
6mm


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

II. Xác định các kích thước chính của các bộ phận chấp hành máy
Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng
lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng xi lanh hoặc
chuyển động quay của động cơ
Gồm có piston xylanh thủy lực và khí nén, thực chất đây là một loại động cơ
thủy lực (khí nén) dùng để biến đổi thế năng của dầu (khí nén) thành cơ năng, thực
hiện chuyển động thẳng hoặc chuyển động vòng không liên tục. piston xylanh
được dùng rất phổ biến trên các thiết bị có cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng đi
về. xylanh thủy lực có kết cấu đơn giản, nhưng có khả năng thực hiện một công
suất lớn, làm việc ổn định và giải quyết vấn đề chắn khít tương đối đơn giản. So
với hệ thống thủy lực, hệ thống khí nén có công suất nhỏ hơn nhưng có nhiều ưu
điểm hơn như:
- Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén
nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ.
- Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa
khí nén rất thuận lợi.
- Không khí dùng để nén, hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải
ra ngược trở lại bầu khí quyển.
- Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống
dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn.
- Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì
phần lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn đường dẫn khí nén.
- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy
hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp.
- Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận
hành logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp và các máy móc
phức hợp.

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI

14


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Để tính toán các thông số của xi lanh, trước tiên chúng ta phải biết các thông
tin “đầu vào” như sau:
1 – Lực tác động lên cán hoặc vỏ xi lanh- tính bằng kgs, tấn, N … : Xi lanh
sẽ phải được cung cấp dầu có áp suất để thắng lại được lực này.
2 - Khoảng hành trình làm việc của xi lanh ( quãng đường di chuyển=S): m
hoặc cm
3 – Thời gian để xi lanh đi hết hành trình này – t: giây(s)
4 – Ngành ứng dụng, sử dụng: để lựa chọn áp suất làm việc và loại kết cấu
xi lanh. Khi đã có câu trả lời cho các câu hỏi ở trên rồi, ta có thể tín được thông số
làm việc và lựa chọn xi lanh.
a

Lựa chọn áp suất làm việc MAX của xi lanh.

Giá trị này được xem xét lựa chọn ở hai mặt:
-

Nếu đã có sẵn hệ thống bơm khí nén thì giá trị này là giá trị max mà hệ

-

thống bơm có thể cung cấp được
Nếu chưa có hệ thống bơm khí nén có nghĩa là chúng ta phải lựa chọn hệ

thống bơm khí nén này dựa trên yêu cầu của xi lanh đang chọn thì phải lựa
chọn áp suất MAX. Về nguyên tắc, với một lực tác dụng cho trước, áp suất
càng cao thì xi lanh càng nhỏ, gọn về đường kính và ngược lại. Tuy nhiên,

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
15


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

áp suất cao đồng nghĩa với hệ thống cấp nguồn và điều khiển phải làm ở chế
độ cao áp và chi phí sẽ càng đắt. Do đó, tùy thuộc vào các ứng dụng – tính
chất công việc khác nhau, người ta sẽ quyết định mức áp suất sử dụng khác
nhau. Thông thường trong công nghiệp có hai dải áp suất chính: 100-200bar
và 250- 400 bar.
Sau khi đã biết/ chọn được áp suất Max của hệ thống, sẽ tính toán đến đường
kính làm việc của xi lanh.
b Xác định đường kính làm việc của xi lanh
Đường kính xi lanh gồm hai thông số:
-

D đường kính lòng xi lanh
d đường kính cán xi lanh

Một cách chung nhất, các đường kính này được tính dựa trên diện tích làm việc(A)
của xi lanh dưới tác dụng của áp suất khí nén để thắng lực cản lên nó

Trong đó hệ số biến đổi cơ khí và khí nén là 0,95

Các thông số hình vẽ trên
Ak: Diện tích làm việc phía đuôi xi lanh
Fz: Lực đẩy tác dụng lên cán xi lanh
Ar: Diện tích làm việc lên cán xi lanh
Fd: Lực tác dụng lên cán xi lanh
Nếu cấp vào 2 xi lanh với cùng một áp suất thì:
Ak= Fz/ [0,95.p]
Ar = Fd/ [0,95.p]
Từ đây sẽ tính được đường kính làm việc của xi lanh:
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
16


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Các yếu tố tác động đến lực cản F bao gồm các yếu tố sau:
-

Lực cản lại của riêng tải tác động lên cán xi lanh. Ví dụ như lực kéo của tải

-

xuống dưới hoặc lực ma sát của tải trọng của cán xi lanh đẩy nó
Lực cản lại của bản thân áp lực dầu có sẵn ở khoang đối diện khi dầu bị nén,
chảy qua lỗ hẹp hoặc tổn hao áp suất qua các van an toàn, van điều phối,
đường ống, lọc dầu, bộ làm mát, … Áp suất này cũng gây ra một lực cản

tính trên diện tích hiệu dụng ở trong xi lanh.

- Bản thân ma sát xi lanh ở các phần quả piston, cần xi lanh với cổ xi lanh.
c Tính vận tốc và lưu lượng cần cấp vào xi lanh
Vận tốc của cần xi lannh v(m/s) = S / t
Theo nghiên cứu trong phần lớn trường hợp, vận tốc của cán xi lanh không nên
vượt quá v=0,5 m/s vì lý do làm kín của phần giăng phớt và đảm bảo an toàn
làm việc. Lưu lượng Q cần cấp vào xi lanh để xi lanh đi hết hành trình trong
thời gian yêu cầu Q (1/phút) =A.v.6/0,95 trong đo hiệu suất lưu lượng của xi
lanh là 0,95
Lưu ý: là lưu lượng cần cấp vào phía cán xi lanh Qr sẽ nhỏ hơn lưu lượng cấp
vào phía đầu xi lanh Qk.
d

Tính toán chiều dài chịu uốn của cần xi lanh.

Kết cấu của xi lanh khí nén có khả năng chịu kéo/nén đúng tâm rất tốt nhưng
khả năng chịu uốn của cán/vỏ xi lanh rất kém, nhất là khi xi lanh đã duỗi ra.
Chính vì vậy phải tính toán chiều dài chịu uốn lớn nhất (Lm) của xi lanh để
quyết định lắp ghép của xi lanh.
Để xác định, cần dựa vào các thông số tính toán về đường kính cán d và áp suất
làm việc ở trên biểu đồ sau để xác định được lực lớn nhất trên xi lanh và giá trị
Lm
Ta chọn các xi lanh với các thông số:
•
-

Xi lanh A cấp đất từ thùng chứa vào chậu:
Hành trình 100 mm

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
17

Đồ án môn học: Điều khiển tự động
•
•
•
•
-

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Đường kính nòng: 25 mm
Chiều dài xi lanh 16 mm
Áp suất làm việc < 10kgf/cm2
Xi lanh B đưa chậu đến cơ cấu thu hồi chậu (băng tải):
Hành trình 150mm
Đường kính nòng: 25 mm
Chiều dài xi lanh 250mm
Áp suất làm việc < 10kgf/cm2
Băng tải
Chiều dài băng tải: 300mm
Chiều rộng băng tải: 10mm
Xi lanh C nhận chậu từ băng tải đưa đến nơi tập kết:
Hành trình 150mm
Đường kính nòng: 25 mm
Chiều dài xi lanh 250mm
Áp suất làm việc < 10kgf/cm2
Động cơ kéo băng tải:
Đường kính 35 mm
Chiều dài 70 mm

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
18


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

D. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
I. Chu trình làm việc
Cơ cấu
cấp chậu

•

x

Cơ cấu
cấp đất

Cơ cấu thu
hồi chậu

Phân tích trình tự làm việc: cơ cấu chấp hành gồm 3 xi lanh, một động cơ

điện 1 chiều DC 24V
 Sau khi cấp chậu bằng tay, nhấn công tắc Start cơ cấu cấp đất hoạt động, xi
lanh A lùi về, đất trên thùng rơi vào chậu, sau 1 khoảng thời gian ngắn xi
lanh A đóng lại không cho đất rơi xuống, thời gian này ta có thể điều chỉnh

thông qua van tiết lưu. Sau khi xi lanh A đóng lại, xi lanh B bắt đầu đẩy
chậu vào tang cuốn đưa chậu đã đủ đất tới nơi thu hồi chậu. Chậu từ băng tải
chuyển đến gặp công tắc hành trình, xi lanh C duỗi ra đẩy chậu đến nơi tập
kết chậu.
II. Thiết kế mạch hoạt động theo chu trình Biểu đồ trạng thái làm việc
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
19


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

S
0

1

2

3

4

5

6

7

Xi lanh A
Xi lanh B
Xi lanh C

Các phần tử trong hệ thống điều khiển:
Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất một mạch điều khiển vòng hở ( openloop 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: công tắc hành trình,

-

role áp suất.
Phần tử xử lý tín hiệu: xử lý tín hiệu nhận vào theo 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
Cơ cấu chấp hành: thay đổi theo trạng thái của cơ cấu điều khiển, là đại
lượng ra của mạch điều khiển. Ví dụ: xi lanh, động cơ,…

1)van đảo chiều

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
20


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng các đóng mở
hay thay đổi vị trí các van để thay đổi hướng của dòng khí nén.
-

Ký hiệu van đảo chiều

Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái o,
a, b, c,… hay các chữ số 0, 1, 2, …
a

o

b

a

b

Ký hiệu chuyển đổi vị trí của nòng van
Vị trí “không” là vị trí khi van chưa có tác động của tín hiệu ngoài vào. Đối
với van 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘0’ là vị trí ‘không’. Đối với van có 2 vị trí
‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí ‘không’.
-

Cửa nối van được ký hiệu như sau: ISO 5599
+ Cửa nối với nguồn (từ bộ lọc khí)
1

+ Cửa nối làm việc
2, 4, 6,…
+ Cửa xả khí
3, 5, 7, …
+ Cửa nối tín hiệu điều khiển
12, 14, …

a

ISO 1219
P
A, B, C,…
R, S, T,…
X, Y, …

b

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI

ký hiệu van xả khí

21


Cửa 1 nối với cửa 4

Đồ án môn học: Điều khiển tự động Cửa 1 nối với cửa 2
Ký hiệu các vị trí của van đảo chiều

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Cửa nối điều khiển

12(Y)

Cửa nối điều khiển

14(Z)

Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn của xả có
mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b.

Cửa xả khí nối cho ống dẫn

Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các mũi tên biểu diễn hướng chuyển

với nguồn kh
động của dòng khí nén qua van. Khi dòng chặn thì được biểu diễn bằng dấuNối
gạch

ngang.
3(R)

4
1(P)

* Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều
- Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2 trong đó:
5 chỉ số cửa, 2 chỉ số vị trí

Van đảo chiều 2/2

- Cách gọi tên và ký hiệu cả van đảo chiều:
Van đảo chiều 4/2
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI

Van đảo chiều 5/2

22


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

2) Van tiết lưu
Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi vận
tốc của cớ cấu chấp hành.
-

Van tiết lưu có tiết diện không đổi:

Khe hở của van có tiết diện không thay đổi, do đó lưu lượng dòng chảy không thay
đổi.
Ký hiệu:
-

Van có tiết diện thay đổi: lưu lượng dòng chảy qua van được thay đổi nhờ
vào một vít điều chỉnh làm thay đổi khe hở.
Ký hiệu

A

-

B

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay: Nguyên lý hoạt động tương tự
như van tiết lưu điều chỉnh bằng tay, tuy nhiên dòng khí nén chỉ có thể đi
một chiều từ A đến B, chiều ngược lại bị chặn lại.

Ký hiệu :

A

B

3)Rơ le
a. Cấu tạo

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
23


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

Rơle điện từ có các bộ phận chính là mạch từ, cuộn dây, tiếp điểm, vỏ. Mạch từ
được chế tạo từ vật liệu sắt từ gồm 2 phần. Phần tĩnh hình chữ và phần động là tấm
thép hình chữ U. Phần động nối liên tiếp cơ khí với tiếp điểm động .

b. Phân loại
- Theo cuộn hút : Cuộn hút một chiều và cuộn hút xoay chiều.
- Theo dòng điện qua tiếp điểm : Rơle một chiều và rơle xoay chiều.
- Theo số lượng cặp tiếp điểm : 2 cặp tiếp điểm, 3 cặp tiếp điểm…
- Theo cấu trúc chân : Chân tròn, chân dẹt.
- Theo đế cắm rơle : Đế tròn, đế vuông.
c. Nguyên lý hoạt động :
Khi có dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ sinh ra lực hút điện từ, hút tấm động về
phía lõi.
Lực hút điện từ có giá trị tỷ lệ thuận với bình phương dòng điện và tỷ lệ nghịch
với khoảng cách khe hở mạch từ.
Khi dòng điện trong cuộn dây nhỏ hơn dòng tác động ( I < I tđ thì lực hút điện từ
nhỏ hơn lực kéo lò xo F < F lx , tấm động đứng yên. Khi I > I tđ thì lực hút điện từ
lớn hơn lực kéo lò xo F > F lx. Tấm động được hút về phía làm cho khe hở mạch từ
nhỏ nhất, tức là hút về phía phần tĩnh. Khi khe hở mạch từ nhỏ, lực hút càng tăng,
tấm động được hút dứt khoát về phía phần tĩnh và tiếp điểm động được đóng vào
tiếp điểm tĩnh.
Khi dòng điện trong cuộn dây giảm, lực lò xo sẽ thắng lực hút điện từ, lò xo kéo
tấm động ra khỏi phần tĩnh. Khe hở mạch từ tăng, lực điện từ càng giảm, lò xo kéo
dứt khoát tấm động về, tiếp điểm động rời khỏi tiếp điểm tĩnh.

d. Các thông số cơ bản
- Điện áp định mức cuộn hút là điện áp cấp cho cuộn hút làm việc ở chế độ
lâu dài. Diện áp này có thể là 9, 12 , 24 , 110 , 220 , 440 một chiều và 24 , 110 ,
220 , 440 xoay chiều. Diện áp này ghi trên cuộn hút.
SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
24


Đồ án môn học: Điều khiển tự động

GVHD: ThS. Bùi Trương Vỹ

- Điện áp định mức : Điện áp làm việc lâu dài của mạch điện mà rơle khống
chế. Điện áp định mức có thể là 24 , 110 , 220 , 440 một chiều và 24 , 110 , 127 ,
220 , 380 , 500 xoay chiều.
- Đòng điện định mức : Dòng điện dài hạn qua tiếp điểm của rơle mà không
làm hỏng tiếp điểm.
- Tuổi thọ cơ khí được tính bằng số lần đóng ngắt, thường là vài trăm ngàn
lần đóng ngắt không điện và một trăm ngàn lần đóng ngắt dòng có định mức : Điện
áp cách điện, Điện áp thử cách điện.
- Thời gian tác động là khoảng thời gian kể từ lúc dòng điện vượt quá giá trị
tác đọng đến lúc phần động được hút hoàn toàn vào phần tĩnh. Thường vào khoảng
2 – 20ms.

Hình 4.2- Rơ le điện từ
e) Sơ đồ đấu dây
Rơle đơn thuần là một nam châm điện khi có điện thì nam châm điện hút
tấm kim loại làm cho các tiếp điểm thay dổi.

SVTH: NGUYỄN VĂN LIỆU – HOÀNG CÔNG THÁI
25