Đồ án Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan bằng phương pháp phân tầng

đồ án môn học : đIều khiển logic Sinh viên : Tăng Bá Mạnh Lớp : Tự động hoá 2_K44 Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển máy khoan có công nghệ như hình vẽ. Thiết kế bằng phương pháp phân tầng, với mạch lực và mạch điều khiển dùng thiết bị điện - khí nén. Nội dung: Thiết kế sơ đồ nguyên lý. Tính chọn thiết bị điều khiển. Thiết kế sơ đồ lắp ráp. Thuyết minh và bản vẽ: 1 quyển thuyết minh. 2 bản vẽ kỹ thuật khổ A0 cho sơ đồ nguyên lý và lắp ráp. cán bộ hướng dẫn: Thầy phan cung LờI Mở ĐầU Hiện nay, để đánh giá trình độ phát triển của mỗi quốc gia,không thể không đánh giá trình độ phát triển Tự động hoá ở quốc gia đó. Sự phát triển của mỗi công ty cũng phụ thuộc nhiều vào mức độ tự động hoá. Nó góp phần tăng năng suất lao động,hạn chế tối đa những thao tác mà người công nhân cần xử lý. Đặc biệt trong các ngành như: cơ khí, dệt may, giao thông….thì tự động hoá là một nhiệm vụ thiết yếu. Trong các xí nghiệp công nghiệp, máy khoan đóng vai trò khá quan trọng. Khoan được sử dụng nhiều trong các công nghệ, tuy phức tạp nhưng có tính chất chu kỳ, vì vậy cần tự động hoá quá trình điều khiển của máy. Việc thiết kế phải đảm bảo an toàn,tiện lợi,và kinh tế nhất. Trong các phương pháp thiết kế, phương pháp “phân tầng “là phương pháp đơn giản, hiệu quả và trực quan nhất. Trong quá trình làm đồ án, được sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn và các bạn, em đã hoàn thành được bản đồ án này.Tuy nhiên, do thời gian và trình độ có hạn, bản đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong nhận được sự góp ý của các thầy cô giáo và các bạn. Chương 1 Mô tả hệ thống khiều khiển máy khoan 4 lỗ Nguyên lí hoạt động: Khi có tín hiệu khởi động m, cảm biến vị trí a0, b0 ,c0 nhận được tín hiệu mũi khoan bắt đầu đi xuống, chạm cảm biến vị trí a1, cảm biến này có tín hiệu mũi khoan bắt đầu đi lên, khi đi lên mũi khoan chạm cảm biến vị trí a0, cơ cấu mũi khoan bắt đầu đi sang ngang thực hiện quá trình B+, gặp cảm biến vị trí b1, mũi khoan đi xuống, thực hiện quá trình A+, cho đến khi gặp cảm biến vị trí a1, mũi khoan đi lên, thực hiện quá trình A- , cho đến khi gặp cảm biến vị trí a0, cơ cấu mũi khoan đi vào thực hiện quá trình C+, cho đến khi gặp cảm biến vị trí c1, mũi khoan đi xuống, thực hiện quá trình A+, cho đến khi gặp cảm biến vị trí a1, mũi khoan đi lên cho đến khi gặp cảm biến vị trí a0, cơ cấu mũi khoan bắt đầu chuyển dịch sang trái, thực hiện quá trình B- cho đến khi gặp cảm biến vị trí b0, mũi khoan bắt đầu đi xuống thực hiện quá trình A+ cho đến khi gặp cảm biến vị trí a1, mũi khoan đi lên, thực hiện quá trình A- cho đến khi gặp cảm biến vị trí a0, cơ cấu mũi khoan chuyển dịch đi ra, thực hiện quá trình C- cho đến khi gặp cảm biến vị trí c0 là hoàn thành một chu trình. Đến đây các quá trình được thực hiện lặp lại như trên. Chương 2. Thiết kế sơ đồ nguyên lý 1.Giới thiệu: Khi gặp những đối tượng công nghệ mới, người đặt hàng thường chỉ nêu những yêu cầu của đối tượng cần phải thoả mãn.Trong sơ đồ nguyên lí có thể có những trạng thái đầu vào giống nhau và đầu ra khác nhau, vì vậy cần một phương án để giải quyết vấn đề trên, đó là phương pháp phân tầng. Phương pháp phân tầng sử dụng biến trung gian , để phân biệt các trạng thái có đầu vào giống nhau, và mô tả theo chu trình hoạt động của công nghệ. Gọi a0,a1 lần lượt là tín hiệu điều khiển quá trình A+,A- Gọi b0,b1 lần lượt là tín hiệu điều khiển quá trình B+,B- Gọi c0,c1 lần lượt là tín hiệu điều khiển quá trình C+,C- Với cách qui ước như trên bài toán có 6 biến điều khiển, 6 biến đầu ra (A+,A-,B+,B-,C+,C-) Ta có graph chuyển trạng thái như dưới đây: : Các trạng thái có đầu vào giống nhau: Trạng thái 1 và 3, trạng thái 4 và 6, trạng thái 7 và 9, trạng thái 10 và 12 . Ta dùng 2 biến trung gian x, y để biến những trạng thái nước đôi thành trạng thái nước đơn. Nhờ 2 biến trung gian x và y này, các trạng thái sẽ có đầu vào khác nhau, đó chính là 1 đặc điểm của phương pháp phân tầng. Ta có sự phân chia các trạng thái như sau : Ta có chu trình hoạt động được miêu tả như sau : Từ đó ta có hàm của các trạng thái như sau : Trạng thái 1 = c0 xy Trạng thái 2 = Trạng thái 3 = a0 Trạng thái 4 = b1 Trạng thái 5 = Trạng thái 6 = a0 Trạng thái 7 = c1 Trạng thái 8 = Trạng thái 9 = a0 Trạng thái 10 = b0x Trạng thái 11 = xy Trạng thái 12 = a0xy X+ = a1 X- = a1xy Y+ = a1x Y- = a1 Từ đó ta có hàm cho các biến như sau : Hàm cho biến ra A+ : f( A+) = c0xy + b1+ c1+ b0x (f( A+) = hàm 1 + hàm 4 + hàm 7 + hàm 10 ) Hàm cho biến ra A-: f( A-) =++ + xy =1 .Ta hiệu chỉnh lại f( A-) = a1 (f( A-) = hàm 2 + hàm 5 + hàm 8 + hàm 11) Hàm cho biến ra B+ : f( B+) = a0 ( f( B+) = hàm 3 ) Hàm cho biến ra B-: f( B-) = a0 ( f( B-) = hàm 9 ) Hàm cho biến ra C+: f( C+) = a0 ( f( C+) = hàm 6 ) Hàm cho biến ra C-: f( C-) = a0xy ( f( C-) = hàm 12 ) Hàm cho biến trung gian X+ : f( X+)= a1 Hàm cho biến trung gian X- : f( X-)= a1xy Hàm cho biến trung gian Y+: f( Y+) = a1x Hàm cho biến trung gian Y-: f( Y-) = a1 Từ các hàm của các biến ra và biến trung gian như trên ta có sơ đồ nguyên lí như sau : Chương3 Tính chọn thiết bị và thiết kế mạch lắp ráp A.Tính chọn thiết bị: 1.Chọn các phần tử logic: Trong sơ đồ mạch trên ,có sử dụng các phần tử logic dưới đây: +Mạch sử dụng 12 cổng AND 3 đầu vào, ta sử dụng 4 mạch tích hợp 7411. Kí hiệu chân như hình vẽ. Nguồn nuôi: Vcc= 5V ± 5% (Vcc- 14) GND = 0V (GND-7) Dải nhiệt độ: To = 0oCá70oC. +Mạch sử dụng 1 cổng OR: Ta sử dụng 1 mạch tích hợp 7432 để thực hiện 1 cổng OR. Kí hiệu chân của IC7432 như sau: Nguồn nuôi: Vcc= 5V ± 5% (Vcc- 14) GND = 0V (GND-7) Dải nhiệt độ: To = 0oCá70oC. - Chọn 3 IC SN7474(2 trigơ JK) họ TTL có nguồn nuôi 5V. - Chọn 12 Tranzistor loại C338 có nguồn nuôi 12V. - Chọn 6 Điốt loại KYZ70 Các vi mạch này được lắp trên 1 mạch, các chân được hàn theo sơ đồ nguyên lý tạo thành một khối với các chân tín hiệu vào, ra. 2.Chọn công tắc hành trình: Công tắc hành trình là loại D4A- N của hãng OMRON (Nhật Bản), trong hệ thống ta sử dụng 6 công tắc hành trình. Các thông số của công tắc được cho dưới đây: Dòng đóng mở cực đại 5A Điện áp cực đại 120VDC Tuổi thọ 3 triệu lần 3.Chọn rơle trung gian và bộ khuếch đại tín hiệu: Vì các rơle A+, A-, B+, B-, C+, C-, chỉ thực hiện việc đóng mở để cấp điện cho cuộn hút dây nam châm điện đầu van, nhờ đó đóng mở van để phân phối khí nên ta có thể chọn các rơle này cùng một loại. ở đây ta chọn loại rơle G40 của hãng OMRON (Nhật Bản), các thông số của rơle được cho dưới đây: Dòng cực đại qua tiếp điểm 5A Điện áp tiếp điểm cực đại 300VDC Điện áp cuộn hút danh định 12VDC Dòng điện danh định cuộn hút 100mA Số cực 2 Số lần đóng cắt 500.000 4.Chọn van phân phối: Ta chọn van phân phối loại CPE14-M1H-5J-QS8 (có hình vẽ dưới) của hãng Festo (Đức). Đây là loại van với 1 đầu là đầu vào khí nén, 2 đầu nối là các đầu ra của khí nén còn 2 đầu nối còn lại là các đầu xả khí. Các thông số của thiết bị được cho trong bảng dưới đây: Nguyên tắc khởi động / reset solenoid Dải áp suất làm việc 2á6bar Dải nhiệt độ xung quanh cho phép -5á50oC Điện áp làm việc 110VAC Lưu lượng khí danh định 1500l/min 5.Chọn thiết bị chấp hành: Trong cơ cấu truyền động, ta sẽ sử dụng 3 pittông hai chiều tác dụng DNU-100-500PPV-A (có hình vẽ dưới) của tập đoàn Festo (Đức). Các thông số cơ bản của thiết bị như sau: Chiều dài toàn bộ pittông 734mm Chiều dài chu trình làm việc 500mm Đường kính trục 25mm Dải áp suất làm việc 0,2á12bar Dải nhiệt độ xung quanh cho phép -20á80oC Lực hiệu dụng ở áp suất 6 bar khi chạy thuận 4496N Lực hiệu dụng ở áp suất 6 bar khi chạy nghịch 4221N Lượng khí tiêu tốn trong chu trình thuận 29,5l Lượng khí tiêu tốn trong chu trình ngược 28,15l 6. Chọn nút ấn: Chọn các nút ấn loại tự phục hồi SB220V của hãng Telemecanique B. sơ đồ lắp ráp Thiết kế lắp ráp là công việc cuối cùng khi thiết kế hệ thống điều khiển tự động truyền động điện. Khi thiết kế lắp ráp cần phải đảm bảo nâng cao các yêu cầu về chỉ tiêu chất lượng và phải chấp hành đầy đủ các tiêu chuẩn, các quy phạm kỹ thuật hiện hành của Nhà nước về lắp đặt thiết bị điện. a)Lựa chọn vị trí lắp đặt thiết bị: Các thiết bị động lực để truyền động cơ cấu sản xuất cùng với các công tắc hành trình, các nút ấn điều khiển phải được bố trí trực tiếp trên cơ cấu sản xuất. Việc bố trí các thiết bị điều khiển trên tủ điện dựa vào các nguyên tắc sau: Nguyên tắc nhiệt độ: Các thiết bị toả nhiệt lớn khi làm việc phải để ở phía trên, các thiết bị có chịu ảnh hưởng lớn về nhiệt độ cần phải đặt xa các nguồn sinh nhiệt. Nguyên tắc trọng lượng: Các thiết bị nặng phải đặt dưới thấp để tăng cường độ vững chắc của bảng điện, giảm nhẹ các điều kiện để cố định chúng. Nối dây tiện lợi: Đường nối dây ngắn nhất và ít chồng chéo nhau. Dựa vào các nguyên tắc trên, ta tiến hành bố trí thiết bị trên panel. Khi bố trí thiết bị cần phân thành từng nhóm riêng biệt để tiện việc sửa chữa, thay thế... Các phần tử trong một nhóm phải bố trí gần nhau nhất sao cho dây nối giữa chúng là ngắn nhất. Giữa các nhóm khác nhau phải bố trí sao cho thuận tiện cho việc tiến hành lắp đặt, sửa chữa, hiệu chỉnh. Bảng vẽ bố trí phải vẽ theo một tỷ lệ xích tiêu chuẩn trong đó phải ghi rõ các kích thước hình chiếu của thiết bị, các kích thước lỗ định vị trên tấm lắp, các kích thước tương quan giữa chúng cũng như kích thước ngoài của tấm lắp. Các phần tử tiếp điểm rơle, côngtắctơ... được vẽ trên sơ đồ lắp ráp thành những hình chữ nhật với tỷ lệ xích đã chọn trên đó thể hiện các cuộn dây, các tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ kèm theo số các cực nối của chúng trùng với số trên sơ đồ nguyên lý. Sơ đồ lắp ráp của mạch điều khiển hệ thống: Trên cơ sở đã lựa chọn cụ thể vị trí lắp đặt và chọn cụ thể các thiết bị điều khiển và bảo vệ, ta có thể xây dựng bản vẽ bố trí thiết bị trên tấm lắp có khai triển đến các cực nối dây như sơ đồ. KếT LUậN Sau một quá trình học tập và nghiên cứu, cùng với sự hướng dẫn tận tình của thầy PHAN CUNG và sự giúp đỡ của các bạn, em đã hoàn thành các nhiệm vụ được giao: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho máy khoan bốn mũi. Trong bản đồ án này, em đã thực hiện được các nhiệm vụ sau: Tìm hiểu công nghệ và yêu cầu đối với hệ thống máy khoan. Dùng phương pháp phân tầng để tổng hợp mạch điều khiển. Thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch động lực và mạch điều khiển hệ thống. Lựa chọn các thiết bị chấp hành, các thiết bị điều khiển và bảo vệ hệ thống Xây dựng sơ đồ lắp ráp và bảng nối dây. Trong quá trình thực hiện, chắc chắn bản thân em không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy và các bạn để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 18 tháng 6 năm 2003 Sinh viên Tăng Bá Mạnh Tài liệu tham khảo Điều khiển logic và ứng dụng PGS - TS Nguyễn Trọng Thuần Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000. Điều khiển tự động truyền động điện Trịnh Đình Đề, Võ Trí An Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1986. Các CD-ROM catalogue tra cứu thiết bị khí nén và điện của các hãng OMRON, FESTO, MITSUBISHI. Lewin, D. - Logical design of switching circuits Nhà xuất bản MacMillan, 1986.