Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................... 1
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO
TỰ ĐỘNG ........................................................................................................................... 4
1.1. Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động. ....................................... 4
1.1.1.

Khái niệm sơ đồ động. .................................................................................... 4

1.1.2.

Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động. ............................................ 4

1.2. Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động. ........................................................... 5
1.2.1.

Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động. ................................. 5

1.2.2.

Tính toán Đĩa tích dao. .................................................................................... 7

1.2.3.

Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao. .......... 15

1.2.3.1.

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén ....................................................... 16

1.2.3.2.

Tính toán hệ thống dẫn động khí nén ........................................................ 16

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN TRẢ DAO/ LẤY DAO ..... 18
2.1. Khái niệm sơ đồ thuật toán. ..................................................................................... 18
2.2. Phân tích quá trình trả dao/lấy dao. ......................................................................... 18
2.3. Sơ đồ khối thuật toán trả dao/lấy dao ...................................................................... 19
CHƯƠNG 3: BẢN VẼ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHÍ NÉN ......................................... 23
3.1. Sơ đồ tổng quan. ...................................................................................................... 23
3.2. Sơ đồ điều khiển chi tiết (lí thuyết). ....................................................................... 24
3.2.1. Chế độ điều khiển tự động. ............................................................................... 24
3.2.2. Chế độ điều khiển bằng tay. ............................................................................. 24
3.3. Sơ đồ điều khiển cơ cấu xoay đài dao. .................................................................... 25
CHƯƠNG 4: CHƯƠNG ĐIỀU KHIỂN PLC ................................................................... 26
4.1 Chương trình điều khiển theo lí thuyết ..................................................................... 26
4.2 Chương trình điều khiển theo thực nghiệm .............................................................. 26

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

1


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG
BẰNG PHẦN MỀM MATLAB ....................................................................................... 27
5.1. Xây dựng mô hình mô phỏng .................................................................................. 27
5.2 Lập trình điều khiển và xây dựng giao diện điều khiển. .......................................... 28
5.2.1. Giao diện điều khiển ......................................................................................... 28
5.2.2. Code điều khiển. ............................................................................................... 28
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 31
CHƯƠNG TRÌNH PLC VIẾT TRÊN GX DEVELOPER ............................................... 32

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

2


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại nhữg lợi ích cho
con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời sống nhân dân
và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới, Đảng và Nhà nước ta đã đề ra những
mục tiêu đưa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa. Để thự hiện
điều đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển đó là ngành Cơ khí nói chung
và ngành Cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các
thiết bị công cụ (máy móc, robot…) của mọi ngành kình tế quốc dân. Muốn thực hiện
việc phát triển ngành cơ khí cần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ
chuyên môn đáp ứng được yêu cầu của công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo
dây chuyền trong sản xuất.

Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương
trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử. Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa
lại các kiến thức của môn học như : Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lỹ
máy, Sức bền vật liệu,…Đồng thời cũng giúp chúng em nắm bắt thêm một số phần mềm
cần thiết cho việc thiết kế ,mô phỏng như Matlab, solidword,...ngoài ra còn giúp chúng
em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ án tốt nghiệp sau này.
Dù đã có cố gắng hoàn thành đồ án này với cường độ làm việc cao, cùng sự hướng
dẫn nhiệt tình và cụ thể của các thầy trong bộ môn, nhưng do hiểu biết còn hạn chế và
hơn nữa chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án không tránh khỏi được
những thiếu sót và bất cập. Vì vậy em rất mong sự góp ý và sửa chữa của các thầy cô để
em có thể rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức cho mình.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô trong
Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình của
thầy PGS.TS.Bùi Văn Hạnh đã giúp em hoàn thành đồ án này.
Hà Nôi, ngày 8 tháng 1 năm 2018

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

3


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

CHƯƠNG 1: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO
TỰ ĐỘNG
1.1. Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động.
1.1.1. Khái niệm sơ đồ động.
Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền,các cơ cấu

liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động,xác định những chuyển động cần thiết
của máy. Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay của động cơ điện,
đường kính bánh đai,số răng của bánh răng ,số đầu mối của trục vít,số răng của bánh vít.
1.1.2. Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động.
Từ định Nghĩa sơ đồ động và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thống
thay dao tự động CNC cùng với quy ước vẽ của sơ đồ động:

Chú thích:
1: van đảo chiều 5 cửa 2 vị trí.
2: Xy lanh khí nén.
3: công tắc hành trình.
4: giá đỡ động cơ quay tan dao.
5: Trục chính.
6: động cơ.
7: Trục vít me.
8: Tay kẹp.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

4


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

9: Tang chứa dao.
10: Dao.
11: Cảm biến từ.
12: Hệ thông bơm khí nén.

1.2. Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động.
1.2.1. Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động.
Với các dư liệu đầu vào
- Số dao đài dao chứa : 16
- Đường kính lớn nhất của dao : 80 (mm)
- Loại chuôi dao : BT50
- Chiều cao chuôi dao : 85 (mm)
- Khối lượng dao : 7 kg
- Đường kính lớn nhất của cụm trục chính :max = 120 mm
- Khoảng cách từ tâm trục trính đến thân máy Ltrc = 505 mm
- Kích thước thân máy 360x400mm
- Hành trình dẫn đài mang dao L = 250 mm
Lập quy trình tính toán:
Từ điểm gốc của hệ thống thay dao cùng với nguyên lý thay dao ta có thể lập
qui trình tính toán như sau:
- Xác định tâm của đường tròn chứa dao và vị trí của các đài dao trên đường
tròn.
- Kết cấu tay kẹp dụng cụ và tấm định vị
- Tính toán Tang chứa dụng cụ
- Tính toán cơ cấu quay phân độ _ cơ cấu Man
- Tính toán và lựa chọn động cơ cho cơ cấu quay phân độ
- Tính toán và lựa chọn ổ lăn
- Tính toán loxo tạo ra lực kẹp dao
- Lựa chọn trục dẫn hướng
- Tính toán và lựa chọn hệ thống xylanh khí nén dẫn động đài dao
- Kiểm tra độ bền cho hệ thống thay dao

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

5

Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Các dữ liệu đầu vào
N: Số lượng dao của ở chứa dao N = 16
Dmax: đường kính lớn nhất cảu dao Dmax = 80mm
BT50: Loại chuôi dao
M: khối lượng 1 con dao m = 7kg
Dtrc: đường kính trục chính Dtrc = 120mm
H: hành trình vào lấy dung cụ lấy dụng cụ của
trục chính Ltd = 130mm
Tính toán đĩa tích
dao

Tính toán hệ dẫn động cho
cơ cấu thay dao
Tính toán trục dẫn hướng

Xác định các thông số hình học của đĩa tích
dao
a, Bán kính từ tâm dao đến tâm đĩa tích dao
Ro
b, Khoảng cách giữa các dao gần nhau
trong đĩa tích dao
c, Kiểm tra độ an toàn khi trục vào thay
dao
d, Lựa chọ cơ cấu kẹp trên đĩa

e, Tính toán các thông số hình học của đĩa

Tính toán và lựa chọn xy lanh khí nén
a, Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí hệ
thống
b, Tính toán hệ thông khí nén

Tính toán cơ cấu Malte cho đĩa dao
a, tính toán các thông số hình học của
Malte
b, Tính toán động học của Malte
c, Tính toán động lực học của Malte
d, Tính toán và lựa chọn đông cơ
Tính toán và chọn ổ lăn
a, Lựa chọn loại ổ lăn

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

6


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử
b, Chọn sơ bộ kích thước
c, Tính và kiểm khả năng tải của ô
d, Lựa chọn ổ bi lăn

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh
Tính toán trục đỡ dao

1.2.2. Tính toán Đĩa tích dao.

1.2.2.1. Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao.
- Tính toán hệ thống với số lượng dao N = 16
- Đường kính lớn nhất của dao Dmax = 80 mm
- Chuôi dao BT50
- Đường kính của trục chính Dtrc = 120 mm
- Hành trình của trục chính trong quá trình vào thay đổi dụng cụ Ltd = 130 mm
a. Xác định bán kính từ tâm của dao đến tâm của đĩa chứa dao R0

Hình 1.1: Sơ đồ tính toán kích hình học của Tang
R0 >

C
2π

Trong đó:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

7


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

C: là chu vi của đa giác chứa dao
C = 2Rmax x N
Rmax : Bán kính lớn nhất của dao
Rmax=

Dmax
2

=

80
2

= 40 mm
=> C = 2.40.16 = 1280 mm

N: số dao của ổ chứa N = 16
Vậy R0 >

1280
2π

= 203, 7183 mm

Để giữa các dao có khoảng cách ta lấy R0 = 340 mm
Khi đó chu vi của vòng chứa dao là
C = 2πR 0 = 2.3,14.330 = 2135,2 mm
b. Xác định khoảng cách các dao gần nhau trong đĩa tích dao.
Khoảng cách giữa hai tâm của dao có thể xác đinh gần đúng
L=

C
2135,2
=
= 133,45 mm

N
16

Khoảng cách giữa các dao có đường kính lớn nhất có thế xác định gần đúng :
L′ = L − 2R max = 133,45 − 2.40 = 53,45mm
c. Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao.
Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần kiểm tra xem khi trục chính vào
thay dao số 1 có bị va chạm với các đài dao số 2 và đài dao số 16 hay không
Đường kính lớn nhất của trục chính :max= 120(mm)
Đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT40 là:∅c = 69,85 mm
Khoảng cách giữa tâm các đài dao L = 133,45 mm
Ta đi xác định khoảng cách từ tâm đài dao số 1 đến độ côn của các đài dao số 2 và đài
dao số 16 la LT.
𝐿𝑇 = 𝐿 −

∅c
69,85
= 133,45 −
= 98,525𝑚𝑚
2
2

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

8


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Để trục chính không va chạm vào các đài dao xung quanh thì phải thỏa mãi điều
kiện sau:
max
< 𝐿𝑇
2
120
< 98,525
2
Vậy thỏa mãn điều kiện
d. Lựa chọn cơ cấu tay kẹp dao trên Tang.
Để trục chính tham gia vào thay dao được chính xác thì dao cần có một vị trí
xác định trên Tang chứa dao.Vậy ta cần hạn chế 5 bậc tự do của dao trên Tang.
Để kẹp dao lên Tang ta có thể dùng hệ thống kẹp dao của hệ thống thay dao tự
động của trung tâm gia công CNC_V30.Hệ thống kẹp dao gồm :Tay kẹp trái_Tay
kẹp phải_Chốt định vị_và một loxo tạo ra lực kẹp dao.
Các thông số hình học của tay kẹp:

Hình 1. 2. Các thông số của tay kẹt
Các thông số hình học tấm định vị

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

9


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Hình 1.3. Thông số hình học của tấm định vị.
Tính toán khẻ hở giữa các tay kẹp dao:
Ta có thể xác đinh gần đúng theo công thức hình học :
C = N(2r + 2h + L)
Trong đó:
C: chu vi vòng tròn từ tâm dao đến đường tâm của đĩa dao C = 2135,2 mm
r: bán kính cổ đài dao : r =

∅c
2

∅c : đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT50 là ∅c = 69,85 mm
Suy ra r =

∅c
2

=

69,85
2

= 34.925 mm

h: chiều dài kẹp dao h = 23 mm
L: khe hở cần tính để tránh va đập giữ các tay kẹp.
N: số dạo kẹp đĩa tích có thể chứ
 𝐿 =

𝐶

𝑁

− 2𝑟 − 2ℎ =

2135,2
16

− 2.34,925 − 2.23 = 17,6 𝑚𝑚

Kiểm tra khi mở tay kẹp
Khi thay dao tay sẽ quay quanh đểm O1 một góc α = 5o vậy lượng mở lớp thêm
tay kẹp ứng với bề dầy nhất là:
Lk 83.tg  83.tg5o  7,26 < 17,6 mm
Vậy các tay kẹp không bị va chạm vào nhau trong quá trình thay dao.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

10


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

e. Tính toán các thông số hình học của Tang
• Tính bán kính vòng ngoài của Tang R1
𝑅1 = 𝑅0 − ℎ − 𝑅𝑚𝑎𝑥
Trong đó:
R0: bán kính từ tâm dao đến đường tâm Tang R0 = 340 mm
h: lượng nhô ra của tấm định vị so với Tang h = 16 mm

Rmaxd: bán kính lớn nhất của đài dao 𝑅𝑚𝑎𝑥𝑑 =

∅𝑚𝑎𝑥𝑑
2

=

100
2

= 50 𝑚𝑚

𝑅1 = 340 − 16 − 50 = 274𝑚𝑚
• Bán kính vòng trong của Tang R2:
Để có không gian cho tay kẹp di chuyển va lắp ghép lò xo để tạo ra lực kẹp ta
cần phải xác định bán kính vòng trong của Tang R2
𝑅2 < 𝑅1 − 𝐿𝑘 – L
L : khoảng cách từ chốt tay kẹp đến vòng tròn ngoài của Tang L = 16 (mm)
Lk : Chiều dài chuôi tay kẹp Lk= 58 (mm)
R2 < 274 –58 – 16 = 200 (mm)
Lấy R2= 180 (mm)
• Tính kích thước chiều cao Tang
Chiều cao của đài dao h = 181,8mm
Với chiều cao của dao ta có thể lấy chiều cao của Tang gần bằng chiều cao của
dao.Ta lấy H = 180 mm
 Vậy kết cấu hình học của đĩa Man :
Đĩa chứa dao:
Ro = 340 (mm) là khoảng cách giữa đường tâm Đĩa tích dao đến đường tâm dao
R1 =274 (mm) là bán kính vòng ngoài của Đĩa tích dao
R2 =180 (mm) bán kính vòng trong của Đĩa tích dao

Cơ cấu Man :

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

11


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

R =147 (mm)bán kính của đĩa man
L =150 (mm ) là khoảng cách từ đường tâm của Đĩa tích dao đến đường tâm của
động cơ
h = 36 (mm ) là chiều dài rãnh đĩa man
Rc = 29 (mm ) là bán kính đĩa động cơ dẫn động Đĩa tích dao
 = 11,25o là góc giữa đường tâm của động cơ đến đường tâm con gạt Đĩa tích dao
1.2.2.2. Tính toán cơ cấu Man cho đĩa tích dao chứa dao.
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :
Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2 thành
chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1. Chuyển động gián đoạn của đĩa O1 chính là
chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị trí thay
dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8,...,16,18,10..
Với hệ thống thay dao gồm có 16 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh là :
Z = 16.
Với kết cấu của đài Tang mang dao ta đi tính toán cơ cấu Man với bán kính của đĩa là
R = 147 mm.











®

const

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

12


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh







Hình 1.4. Sơ đồ tính toán cơ cấu Man
Điều kiện bắt buộc để chống va đập là:  +  = 90o
Các thống số hình học của cơ cấu Man được xác đinh:

Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L:
𝐿=

𝑅
147
=
= 149,879 𝑚𝑚
𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑐𝑜𝑠11,25𝑜

Lấy L = 150 mm
Chiều dài của rãnh đĩa Man:
ℎ = 𝐿(𝑠𝑖𝑛𝛼 + 𝑐𝑜𝑠𝛼 − 1) + 𝑟
ℎ = 150(𝑠𝑖𝑛11,25𝑜 + cos 11,25𝑜 − 1) + 9) = 35,38𝑚𝑚
Lấy h = 36 mm
Bán kính quỹ đạo cần:
𝑅𝑐 = 𝐿. 𝑠𝑖𝑛𝛼 = 150. 𝑠𝑖𝑛11,25𝑜 = 29,26 (mm)
Lấy 𝑅𝑐 = 29 (𝑚𝑚)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

13


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

1.2.2.3. Tính toán và lựa chọn ổ lăn.
Với kết cấu của hệ thống thay dao ta dùng một ô lăn dạng ổ bi đỡ một dãy và một
ổ lăn dạng ổ đũa côn. Ổ bi chỉ chịu tác dụng của lực hướng tâm,còn ổ côn chịu tác

dụng của lực hướng tâm và lực dọc trục. Ở đây lực hướng tâm không lớn lắm so với
lực dọc trục nên ta chỉ tính toán cho ổ côn còn ổ bi ta lấy theo kích thước của ổ côn.

a. Lựa chọn ổ lăn.
Với kết cấu của cơ cấu chứa dao ta thấy ổ lăn chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục
còn lực hướng tâm khá nhỏ nên ta có thể bỏ qua. Vậy ta dùng đũa côn đỡ chặn.
- Chọn sơ bộ kích thước ổ
Với các thống số: đường kính trong d=75 mm, đường kính ngoài D=115 mm khả
năng tải động C=120kN, khả năng tải tĩnh Co=108,8 kN
- Tính kiểm nghiệm khả năng tải của ổ
Ổ chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của đĩa tích dao và dụng cụ được gá đặt trên
đĩa tích dao. Với hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, đĩa tích dao
quay với vấn tốc lớn nhất là=3,03 rad/s, số vòng quay n = 119,3 vòng/phút mỗi lần
hoạt động đĩa tích dao chi tiết quay 1 đến 2 vòng, nên ta chỉ kiểm nghiệm khả năng
tải tĩnh cho ổ.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

14


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Sơ đồ phân bố lực
Trong đó:
G = PT= 1862 N: trọng lượng của Đĩa tích dao
Fổ : phản lực tại ổ.
Ta kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ theo điều kiện sau:

QT  Co
Với QT: tải trọng tải tĩnh được tính theo công thức:
QT = Xo.Fr + Yo.Fa
Xo, Yo: Hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục
Xo=0,5, Yo=0,22cotα= 0,22cot18,04=0,877
Fr: Lực hướng tâm ≈ 0
Fa: Lực dọc trục Fa=G=PT=1862 N
𝑄𝑇 = 0,5.0 + 0,877.1862 = 1633,26 𝑁< 108,8.103 N
b. Lực chọn ổ bi lăn.
Với các thông số của ổ bi côn d=75mm và D=115mm.
Ta lựa chọn ổ bi đỡ 1 dãy loại 115 (theo GOST 8338 -75)
Với các thông số của ổ bi lăn:
d=75mm, D=115mm, B=20 mm, r=2 mm, C=30,40 kN, Co=24,6 kN.
1.2.3. Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao.
Trong quá trình thay dao tự động ta cần thực hiện chuyển động tính tiến của Tang về
phía trục chính. Với tải trọng của Tang và dụng cụ không lớn, chỉ thự hiện quá trình
chuyển động thẳng nên để tạo chuyển động của Tang về phía trục chính ta dùng hệ thống
xy lanh khí nén.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

15


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử
1.2.3.1.

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén
Nguyên lý hoạt động:
Khi cuộn hút van 5/2 được câp điện, dưới tác dụng của lực từ do cuộn dây
sinh ra, con trượt cua van điều khiến 5/2 bị kéo sang phải. Khí nén được đưa vào
buồng bên trái cua xi lanh ( buồng A) sinh lực đẩy pittong sang phải (đài dao được
đưa đến điếm thay dao). Ngược lại, khi cuộn hút van 5/2 mất điện, dưới tác dụng
cua lực kéo lò xo làm con trượt của van điều khiến 5/2 bị kéo sang trái, khí nén
được đưa vào buồng bên phải của xi lanh ( buồng B) hệ thống đài dao được đưa
trở lại vị trí ban đầu.
Trong hệ thống dẫn động khí nén, van lọc có tác dụng tách các phần tử chất
bấn và hơi nước ra khỏi khí nén. Van điều áp có tác dụng giữ cho áp suất lên
xylanh được điều chỉnh không đối ờ áp suất p. Van tra dầu có tác dụng giảm lực
ma sát, sự ăn mòn và sự gi của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí
nén.
1.2.3.2. Tính toán hệ thống dẫn động khí nén
Tải trọng mà xylanh cần đẩy P=1862 N
Ta đi tính tải trọng đáp ứng
Ta phải đi tính tải trọng đáp ứng
Ta phải đi tính lực quán tính cần đặt vào đầu piston xylanh
Coi quãng đường 250mm mà piston cần di chuyển nhanh dần đều với thời gian di
chuyển là t=0,5 s vì khả năng giảm chấn của xylanh khí nén rất tốt nên quãng
đường hãm và thời gian nhỏ
Gia tốc 𝑎 =

2𝑆
𝑡2

=

2.0,25
0,52

= 2 (𝑚/𝑠 2 ) lực quán tính 𝐹𝑞𝑡 =

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

𝑀
𝑔

.𝑎 =

1862
9,8

. 2 = 380 (𝑁)

16


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Tính Fms giữa lót bạc và trục đỡ toàn hệ thống trong điều kiện có bôi trơn ma sát
tốt hệ số ma sát =0,01- 0,1. Ở đây ta lấy =0,04 do đó Fms=P.=1862.0,04=74,48
N
Vậy lực đáp ứng của xylanh khí nén:
𝐹 = 𝐹𝑞𝑡 + 𝐹𝑚𝑠 = 380 + 74,48 = 454,48 𝑁
Các dữ liệu ban đầu:

- Hành trình xylanh Lxl=250mm
- Thời gian dẫn động T=0.5 s
- Tải trọng đáp ứng F=454,48 N
Dựa vào các thông số đầo vào gồm hành trình xy lanh, đường kính piston, tra bảng trên
catalogue của hãng FESTO.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

17


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN TRẢ DAO/ LẤY DAO
2.1. Khái niệm sơ đồ thuật toán.
Phương pháp dùng Sơ đồ khối mô tả thuật toán là dùng theo sơ đồ trên mặt
các bước của thuật toán.Sơ đồ khối có ưu điểm là rất trực quan ,dễ bao quát.
Để mô tả thuật toán bằng sơ đồ khối ta cần dựa vào các nút sau đây :

Hoạt động của thuật toán theo lưu đồ được bắt đầu từ nút đầu tiên.Sau khi thực hiện các
thao tác hoặc kiểm tra điều kiện ở mỗi nút thì bộ xử lý sẽ theo một cung để đến nút
khác.Quá trình thực hiện thuật toán dừng khi gặp nút kết thúc hay nút cuối.
2.2. Phân tích quá trình trả dao/lấy dao.
Sau khi gọi lệnh Txx-M06 thì hệ thống thay dao sẽ thực hiện các bước để thay dao
đó là sẽ kiểm tra DTC(dao trục chính) có phải là DYC (dao yêu cầu) cần thay hay không.
TH1.Nếu DYC = DTC thì quá trình thay dao sẽ không xẩy ra.Tín hiệu so sánh sẽ
gửi cho hệ thống PLC.Điều khiển trục chính về vị trí Home.Kết thúc quá trình thay dao
TH2.Nếu DYC # DTC thì quá trình thay dao sẽ xẩy ra với các bước sau đây:

Lưu đồ 8 bước thay dao
Bước 1: Trục chính về mặt phằng thay dao, xoay định hướng góc then.
Bước 2: Ổ chứa dao tự hành đi vào kẹp dao trên trục chính.
Bước 3: Hệ thống khí nén được kích hoạt để thực hiện xy lanh mở chấu kẹp và đầy dao
không mút vào mặt côn của trục chính
Bước 4: Trục chính đi lên hết chiều cao của đài dao về vị trí Home
Bước 5: Ổ chứa dao quay phân độ đưa dao cần thay vào miệng trục chính

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

18


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Bước 6: Trục chính đi xuống về mặt phằng thay dao(T)
Bước 7: Giải phóng khí nén để hồi xy lanh kẹp và kẹp dao bằng lực đàn hồi của lò xo
Bước 8: Ổ chứa dao hồi về vị trí ban đầu
Chú ý: -Trong quá trình thay dao có 2 vị trí tham chiếu của trục chính
VT1.Vị trí thay dao (T) chính là vị trí mà trục chính ở đấy để thực hiện quá trình thay dao
VT2.Vị trí Home là vị trí phía trên vị trí thay dao (T) vị trí an toàn của trục chính trong
quá trình di chuyển,cũng như xoay đài dao không bị va chạm
-Cũng có 2 vị trí tham chiếu của Ổ chứa dao
VT1.Vị trí ban đầu hay vị trí phía bên trái hành trình, vị trí an toàn mà Ổ chứa dao chưa
thực hiện quá trình mang dao đến vị trí thay dao (T)
VT2.Vị trí làm việc hay vị trí phía bên phải hành trình,vị trí mà Ổ chứa dao thực hiện
việc mang dao đến vị trí thay dao (T) để chờ hoạt động thay dao
-Mã lệnh thay dao Txx – M06

- Txx : Mã lệnh gọi con dao xx
- M06 : Mã lệnh thay dao
2.3. Sơ đồ khối thuật toán trả dao/lấy dao
Từ việc phân tích hoạt động thay dao của hệ thống thay dao tự động ta đi đến việc
lập sơ đồ khối thuật toán thay dao nhằm tổng quát hóa quá trình thay dao và cũng là việc
cần thiết để lập trình cho hệ thống thay dao tự động sau này.
Sơ đồ khối thuật toán trả dao/lấy dao(thay dao)

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

19


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Start
Txx M06
Y

DTC=DYC
N
Trục chính về mặt phẳng thay dao

Xoay góc then định hướng trục chính

Ổ chứa dao tự hành đi vào kẹp dao trên trục chính

Khí nén giải ,phóng mở chốt kẹp dao trên trục

chính

Trục chính di chuyển đi lên trên về Home

Ổ chứa dao quay dao cần thay về vị trí thay dao

Trục chính di chuyển xuống kẹp dao cần thay

Khí nén giải phóng lò xo hồi mở chấu kẹp trên
trục chính kẹp dao cần thay

End

Trục chính  Home

Ổ chứa dao di chuyển về vị trí ban đầu

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

20


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Trong máy gia công CNC trên các đài dao các dao đã được nhớ vị trí và mặc định
bằng số trong bộ nhớ của bộ điều khiển
Mỗi lần thay dao (trả dao/lấy dao) thì sensor sẽ gửi tín hiệu về cho bộ nhớ để biết vị
trí mới của dao cũng như hốc dao.Nên ở chương trình con CT3,CT7 ta sẽ làm bài toán

tối ưu việc xoay đài dao sao cho thời gian xoay đài dao ngắn nhất
Bài toán tối ưu
Quy ước:
• Dao được đánh số từ 1  16 theo chiều kim đồng hồ
• Ổ dao hướng với trục chính trên mặt phẳng thay dao,tạo với vị trí T thành
một đường thẳng ở vị trí ổ dao thứ I
• Con dao (hốc dao) cần lấy ở vị trí ổ dao thứ J
• C: là kí hiệu của việc quay đài dao ngược chiều kim đồng hồ từ J  I
trong sơ đồ khối thuật toán của bài toán tối ưu
• D: là kí hiệu của việc quay đài dao cùng chiều kim đồng hồ từ J  I trong
sơ đồ khối thuật toán của bài toán tối ưu
• Chiều quay chính được chọn sẽ là ngược chiều kim đồng hồ C

Sơ đồ thuật toán bài toán tối ưu

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

21


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

Start
Ổ dao ở vị trí thay dao là ổ dao thứ I

Y

I=J

N
Y

|I – J|=8
N
Y

|I – J|<8
N
Y

I – J<0

I – J<0

N
D

Y

N
C

C

D

C

Dừng xoay đài dao

Chờ tịnh tiến đài dao

End

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

22


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

CHƯƠNG 3: BẢN VẼ SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN VÀ KHÍ NÉN
3.1. Sơ đồ tổng quan.

Sơ đồ điều khiển đĩa tích dao di chuyển tịnh tiến để thực hiện nhiệm vụ thay dao
Nguyên lý hoạt động:
Khi đóng công tắc S1 cuộn dây Y1 được cấp điện, các tiếp điểm thường mở Y1
đóng để duy trì dòng điện cho cuộn dây Y1. Lúc này dưới tác dụng của lực từ do cuộn dây

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

23


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

sinh ra, con trượt của van điều khiển 5/3 bị kéo sang trái. Khí nén được đưa vào buồng bên
phải của xi lanh sinh lực đẩy pittong sang trái (đài dao được đưa đến điểm thay dao). Ở
cuối hành trình cán pittong chạm vào công tắc hành trình S2, Y1 mất điện, mất đi lực từ lò
xo đang bị biến dạng đưa con trượt về vị trí giữa hệ thống đứng yên.
Ngược lại khi đóng công tắc S3, hệ thống đài dao được đưa trở lại vị trí ban đầu.
3.2. Sơ đồ điều khiển chi tiết (lí thuyết).
Sơ đồ này được lập khi các thiết bị phần cứng đáp ứng đầy đủ.
Với sơ đồ này, chúng ta có thể điều khiển theo 2 chế đồ: chế độ điều khiển tự động
và chế độ điều khiển băng tay.
3.2.1. Chế độ điều khiển tự động.
Với chế độ điều khiển tự động, ta chỉ cần khởi động hệ thống, và lựa chọn con dao
mình muốn thay thế, hệ thống sẽ thực hiện lần lượt công việc như sau để thay dao.
- Rơ Le của Van 5/2 đóng đẻ đẩy Pittong sang trái đến vị trí thay dao.
- Sau khi tang dao đến vị trí thay dao thì động cơ trục chính sẽ hạ trục chính xuống
vị trí thay dao, chạm phải công tắc hành trình dưới thì dừng lại và nhả dao ra.
- Động cơ trục chính đi lên khi chạm vào công tắc hành trình thì sẽ dừng lại.
- Động cơ tang dao sẽ quay theo chiều thuật (ngược) kim đồng hồ (tùy thuộc vào
con dao được gọi) để đưa dao mới vào vị trí cần thay dao.
- Khi cảm biến đếm dao đếm đủ số dao (trong thuật toán) thì động cơ tang dao sẽ
bị ngắt và được phanh lại.
-Trục chính đi lên, khi chạm công tắc hành trình trên dừng lại.
- Rơ le của Van 5/2 mở để đẩy pittong sang phải, khi chạm vào công tắc hành
trình trái thì dừng lại và tắt bơm dầu.
3.2.2. Chế độ điều khiển bằng tay.
Với chế độn điều khiển bằng tay, sau khi khởi động hệ thống ta sẽ chỉ điều khiển 1
số công việc như sau:
- Nhấn nút sang trái để đóng rơ le van 5/2 để đẩy Pittong sang trái
- Khi pittong va vào công tắc hành trình phải thì nhấn nút quay thuật (ngược) để
chọn chiều quay cho động cơ.
- Khi dao đến vị trí mong muốn thì nhấn stop dừng dao lại.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

24


Đồ án môn học: Thiết kế hệ thống Cơ điện tử

GVHD: PGS.TS. Bùi Văn Hạnh

3.3. Sơ đồ điều khiển cơ cấu xoay đài dao.
Do thực tế không co đủ linh kiện phần cứng để thực hiện chương trình của phần
điều khiển theo lí thuyết nên trong bản thuyết minh này, em sẽ trình bày sơ đồ điều khiển
ứng với những thiết bị phần cứng sẵn có của Xưởng Hàn để kiểm tra thuật toán gọi
dao/thay dao.
Trong sơ đò thực tế thì nhóm sử dụng nhưng thiết bị sau:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

PLC Mitsubishi FX
Biến tần EMERSON
Chiết áp 10k
Nguồn AC 220V

Nguồn DC 24V
Động cơ xoay chiều 3 pha
Rơ le điện từ
Bộ đài dao, thang dao
8 con dao.

Những việc mà hệ thống thực nghiệm sẽ thực hiện
1. Sau khi khởi động hệ thống, chúng ta lựa chọn công tắc của 1 con dao bất kì,
sau khi đã lựa chọn xong thì hệ thống sẽ tự động tính toán, xác định quay để
góc quay là nhỏ nhất có thế.
2. Sau khi đã quay đến vị trí yêu cầu, hệ thống sẽ ngày lập dừng lại nhờ có phay
hãm trên trục của động cơ đài dao, tốc độ hãm được điều chỉnh bới biến tần
3. Khi chọn một vị trí dao mới thì hệ thống sẽ tự lặp lại 2 bước trên.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Phạm Tuân

25