Đồ án Tìm hiểu về các bộ phận điều khiển

động của ánh sáng làm tăng độ dẫn của vật liệu. Xét một tấm bán dẫn phẳng có thể tích V pha tạp với nồng độ các donor Nd có mức năng lượng nằm dưới vùng dẫn một khoảng Wd. - Độ dẫn trong tối được biển diễn bởi biểu thức: s0= q . m . n0 - Trong đó m là độ linh động của điện tử và q là giá trị tuyệt đối của điện tích của điện tử. Khi nhiệt độ tăng độ linh động giảm nhưng mật độ n0 tăng bởi vì sự kích thích nhiệt lớn rất lớn và ảnh hưởng của nó quyết định đối với độ dẫn. - Khi chất bán dẫn bị chiếu sáng, các photon sẽ ion hoá các nguyên tử donor giải phóng ra g điện tử trong một giây trong một đơn vị thể tích. Các điện tử này sẽ bổ sung vào số các điện tử được giải phóng do kích thích nhiệt. Thông thường bức xạ chiếu tới đủ lớn để số điện tử do các photon giải phóng sẽ lớn hơn rất nhiều so với số điện tử được giải phóng do nhiệt. - Số điện tử g được tính theo biểu thức: . Trong đó A và L là kích thước hình học của tấm bán dẫn. G là số điện tử được giải phóng trong một đơn vị thời gian. Trong những điều kiện như vậy có thể rút ra phương trình động học cho mật độ của điện tử ở điều kiện cân bằng dưới tác dụng của chiếu sáng: Độ dẫn tương ứng với nồng độ điện tử ở điều kiện cân bằng s = q . m . n Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp: - Đa tinh thể: CdS; CdSe; CdTe; PbS; PbSe; PbTe. - Đơn tinh thể: Ge; Si (tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In). Cảm biến quang sử dụng trong hệ thống là loại cảm biến quang có kí hiệu (NSL19-M51, Silonex). Điện trở R có được từ độ sáng L (đơn vị Lux) được tính như sau: lgR=-0,75.lgL +5 Khi đo ta được điện trở R, từ đó ta tính ra được độ sáng L (lux) 2.3-Giới thiệu chung về bộ điều khiển PLC PLC là cụm từ viết tắt tiếng Anh: Programmable Logic Control tức là bộ điều khiển logic có khả năng lập trình được. PLC là loại thiết bị cho phép xây dựng các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện các thuật toán đó bằng mạch số. Như vậy, với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện lặp theo chu trình lặp. Mỗi vòng quét có 4 giai đoạn bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo tới các cổng ra. Các bộ PLC thường gặp: ã Các họ Siries 90tm cuả hãng Fanme Nhật Bản. ã Các họ CQM1, CPM1, CPM1A và SRM1 của hãng OMRON Nhật Bản. ã Họ Simatic S5, Simatic S7 của hãng Sienmens của cộng hoà liên bang Đức. Các bộ PLC được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, giao thông và đời sống …. ã Công nghiệp cơ khí: * Gia công bao bì; * Dây chuyền sản xuất xi măng. ã Công nghiệp thực phẩm: * Các thiết bị sản xuất nước ngọt và hoa quả; * Các thiết bị sản xuất thức ăn gia súc. ã Công nghiệp nhẹ: * Ngành nhuộm; * Dệt, Thêu. ã Trong hệ thống sản xuất linh hoạt FMS …. Một số nhà máy ở nước ta đã đưa bộ điều khiển Simatic S5 của hãng Sienmes vào điều khiển sản xuất. Như nhà máy thuỷ điện Hoà Bình đã đưa vào để điều khiển các cơ cấu điều hoà công suất của các tổ máy điện. Công ty dầu khí Việt Xô Petro dùng các bộ PLC để điều khiển các thiết bị sản xuất khí đốt và dầu nhờn. Công ty thuốc lá Thăng Long, Công ty dệt 19/5, Công ty dệt 8/3 sử dụng bộ PLC để điều khiển dây chuyền sản xuất tự động…. Vì vậy, nghiên cứu ứng dụng PLC vào điều khiển máy móc và các dây chuyền sản xuất là điều tất yếu nhưng cũng là vấn đề mới mẻ cần tìm hiểu và nghiên cứu. 2.3.1-Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của PLC. Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển, tất nhiên PLC phải có tính năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lí (CPU), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào/ra để giao tiếp được với đối tượng điều khiển và để trao đổi thông tin với môi trường xung quanh. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ bài toán điều khiển số, PLC phải có thêm các khối chức năng đặc biệt khác như: bộ đếm (Counter), bộ thời gian (Timer),… và những khối hàm chuyên dụng. Bộ nhớ chương trình Khối vi xử lí trung tâm + Hệ điều hành Timer Bộ đếm Bit cờ Cổng vào ra I/O Bộ đệm I/O Cổng ngắt và đếm tốc độ cao Quản lí ghép nối Hình 2.12- Nguyên lý chung về cấu trúc bộ PLC 2.3.2-Khả năng và ưu điểm của điều khiển bằng PLC so với các loại điều khiển khác. Trong quá trình phát triển của khoa học kỹ thuật trước đây người ta mới chỉ phân biệt 2 phạm trù kỹ thuật: điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện tử. Nhưng từ cuối thập kỷ 20 người ta đã đưa ra những chỉ tiêu chi tiết để phân biệt các loại kỹ thuật điều khiển. Bởi vì trong thực tế sản xuất cần đòi hỏi điều khiển tổng thể những hệ thống máy chứ không phải điều khiển từng máy đơn lẻ. Sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở nên nhanh nhạy, dễ dàng và tin cậy. Từ “khả lập trình” nghĩa là có thể lập trình được-đã nói lên một mối liên hệ chặt chẽ với máy tính, trong đó các ngôn ngữ lập trình như FORTRAN, COBOR, PASCAL,…đã được sử dụng. Nó bao hàm cả khả năng giải quyết các vấn đề toán học và công nghệ. Từ “điều khiển” hàm ý mục tiêu ứng dụng trong công nghiệp của PLC, nghĩa là tạo lập, gửi đi và tiếp nhận những tín hiệu nhằm mục đích kiểm soát, kích hoạt hoặc đình chỉ những chức năng cụ thể của máy đã được ứng dụng PLC trong hệ thống. Kỹ thuật điều khiển Logic khả trình phát triển trên cơ sở công nghệ máy tính từ năm 1968 á 1970 và đã từng bước tiếp cận và phát triển theo nhu cầu của công nghiệp. Quy trình lập lúc ban đầu được trang bị để sử dụng trong các xí nghiệp điện tử, ở đó trang bị kỹ thuật và tay nghề thành thạo đã được kết hợp với nhau. Đến nay các thiết bị và kỹ thuật PLC đã phát triển tới mức những người sử dụng nó không cần giỏi những kiến thức điện tử mà chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất để chọn thiết bị thích hợp là có thể lập trình được. Trình độ của khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng hay khó khăn cũng là một chỉ tiêu quan trọng để xếp hạng hệ thống điều khiển. ở đây có sự phân biệt giữa những bộ điều khiển mà người dùng có thể thay đổi được quy trình hoạt động so với các bộ điều khiển không thể thay đổi được quy trình hoạt động có nghĩa là điều khiển theo quy trình cứng. Tùy theo kết cấu của hệ thống và cấu tạo các thành phần mà mỗi phạm trù điều khiển trên đây lại chia làm nhiều loại điều khiển khác nhau. So sánh PLC và bộ điều khiển bằng dây nối cứng: * Bộ điều khiển bằng dây nối cứng: Là bộ điều khiển mà các phần tử chuyển mạch được nối với nhau bằng dây dẫn điện. Với các bộ điều khiển loại này ta bắt buộc phải biết rõ nhiệm vụ cần thực hiện trước khi nối dây giữa các phần tử chuyển mạch để tạo nên hệ thống điều khiển. Mỗi khi cần có sự thay đổi một phần tử chức năng hoặc muốn mở rộng ta bắt buộc phải thay đổi lại cấu trúc cũng như sơ đồ đấu nối dây. Đối với những hệ thống lớn thì công việc này thực sự là phức tạp và giá thành sẽ rất cao. * Bộ điều khiển lập trình được (PLC): Chương trình điều khiển được nạp vào bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình khi ta muốn thực hiện quá trình điều khiển. Nếu cần có sự thay đổi hay mở rộng chức năng ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong và không cần biết về bất cứ sự thay đổi nào mang tính chất vật lý. Ưu điểm nổi bật của các sản phẩm PLC là tính mềm dẻo và khả năng mở rộng chức năng bằng những module chuẩn để giải quyết những vấn đề phức tạp về điều khiển trong thực tế một cách nhanh chóng và kinh tế. 2.3.3-Lý do sử dụng PLC. Trước kia bộ PLC rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình rất phức tạp. Vì những lý do đó mà nó chỉ được dùng cho những thiết bị đặc biệt có sự yêu cầu kỹ thuật cao. Do giảm giá liên tục kèm theo tăng khả năng của PLC dẫn đến kết quả là sự phát triển rộng rãi của việc áp dụng kỹ thuật PLC. Bây giờ nó thích hợp cho một phạm vi rộng các loại thiết bị máy móc. Sự hấp dẫn của PLC trên thị trường được khẳng định cho những áp dụng rộng rãi nói trên bởi có độ tin cậy cao, lập trình dễ dàng, chương trình điều khiển có thể thay đổi được một cách linh hoạt, giá thành rẻ... Những ưu điểm chính của việc ứng dụng kỹ thuật PLC: ã Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế modun cho phép với bất kì mọi chức năng điều khiển. Khi bộ điều khiển và các phụ kiện đã được lắp ghép thì bộ PLC vào tư thế sẵn sàng làm việc ngay. ã Độ tin cậy cao và ngày càng tăng: các thành phần điện tử có tuổi thọ cao hơn các thiết bị cơ điện tử. Không phải bảo dưỡng định kỳ như các thiết bị Rơle. ã Sự đánh giá các nhu cầu là đơn giản: Nếu như các con số đúng của đầu vào và đầu ra cần thiết thì có thể đánh giá kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ tối đa là bao nhiêu. Do đó cũng có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp. ã Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển Rơle tương đương, trong nhiều trường hợp không gian được thu hẹp vì có nhiều bộ phận được giảm bớt. ã Khả năng tái tạo: Nếu dùng nhiều máy PLC với những quy cách kỹ thuật của bộ điều khiển giống hệt nhau thì làm chi phí lao động sẽ rất thấp so với bộ điều khiển Rơle. Điều đó là do giảm phần lớn lao động lắp ráp. Hơn nữa người ta ưa dùng PLC hơn các loại khác không chỉ vì nó có thể sử dụng thuận lợi cho các máy mà vì nó còn có thể đáp ứng nhu cầu của các thiết bị mẫu đầu tiên mà người ta có thể thay đổi, cải tiến trong quá trình vận hành. ã Sự cải biến thuận tiện: Những bộ điều khiển nếu chỉ muốn cải biến một phần nhỏ trong dãy chức năng có thể tái tạo một cách đơn giản bằng sao chép, cải biến hoặc thêm vào những phần mới. Những phần trong chương trình vẫn sẵn sàng sử dụng được thì vẫn được dùng lại mà không cần thay đổi gì. So với kỹ thuật rơle, ở đây có thể giảm phần lớn thời gian lắp ráp bởi vì có thể lập trình các chức năng điều khiển trước hoặc trong khi lắp ráp bằng điều khiển. ã Nhiều chức năng: Người ta thường hay dùng PLC cho tự động linh hoạt bởi vì nó có thể dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tương quan, thay đổi chương trình và thay đổi các thông số. Một lý do nữa là nó đã được nối sẵn với một máy tính mạnh. Như vậy bộ điều khiển PLC có tính linh hoạt cao hơn, tính mềm dẻo hơn so với các bộ điều khiển bằng dây nối cứng. Đồng thời PLC sẽ dễ dàng thuận tiện cho người sử dụng và giảm rất nhiều chi phí. * Giá trị kinh tế. Lắp đặt bộ PLC đơn giản hơn rất nhiều so với lắp đặt hệ Rơle. Sử dụng bộ điều khiển PLC rất kinh tế do sự phát triển của các bản thiết kế ngày càng rẻ hơn và tăng số lượng của PLC ứng dụng trong mọi lĩnh vực. Hơn nữa khi so sánh giá cả thì phải tính đến cả giá bán của các bộ phận phụ không thể thiếu được như panen lập trình, máy in, băng ghi ... và cả việc đào tạo nhân viên kỹ thuật. Một điều quan trọng là phải dùng đội ngũ nhân viên kĩ thuật lành nghề có kinh nghiệm, có hiểu biết tốt về phần mềm để thiết kế lập trình và thao tác bộ điều khiển PLC và phần mềm dùng cho những mục đích đặc biệt là cực kì đắt giá. Tuy nhiên nhiều cái đã trở nên khả thi nhờ phần mềm rẻ đi. Nhiều nhà chế tạo PLC cung cấp trọn gói bộ phần mềm đã được thử nghiệm. Nhưng việc thay thế và/hoặc thêm các phần mềm cho các nhu cầu riêng là không thể tránh khỏi và khi đó đòi hỏi kĩ năng phần mềm. Chẳng hạn do một công ty phần mềm sản xuất thì điều tối quan trọng là mọi yêu cầu phải được xác định chính xác và dễ dàng từ lúc bắt đầu. 2.3.4-Các module chính của PLC. Trong thực tế vì các đối tượng điều khiển có số lượng đầu vào/ra khác nhau và dạng tín hiệu cũng khác nhau cho nên để tăng tính linh hoạt và mềm dẻo trong thiết kế mà các bộ điều khiển PLC được cấu tạo trên cơ sở các module. Số luợng và chủng loại module được sử dụng có thể khác nhau nhưng bất kỳ một bộ điều khiển PLC nào cũng cần phải có một module chính là module CPU và module nguồn cung cấp PS (Power supply module). Bên canh đó ta có thể lắp thêm các module tín hiệu (Signal module), module chức năng (Function module),module truyền thông (Communication module), module giao tiếp (Interface module). a/ Module CPU. Module CPU gồm có bộ vi xử lý trung tâm, hệ điều hành, bộ nhớ dữ liệu, bộ nhớ chương trình và các cổng truyền thông. Các cổng truyền thông này có chức năng chính là phục vụ nối mạng phân tán đồng thời thông qua cổng truyền thông người lập trình có thể truyền chương trình điều khiển vào trong bộ nhớ chương trình của PLC. Bộ vi xử lý trung tâm của CPU có chức năng thu thập số liệu và các thông tin từ đối tượng điều khiển, sau đó nó tiến hành xử lý thông tin và các tín hiệu này theo những quy luật nhất định để đưa ra các tín hiệu điều khiển tương ứng. Bộ xử lý thông tin còn có chức năng điều khiển và giám sát việc truyền thông giữa các module hoặc giữa các PLC với nhau, phát hiện và kiểm tra lỗi. Bộ nhớ dữ liệu có chức năng lưu giữ các dữ liệu của chương trình bao gồm kết quả các phép tính, các hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông. Bộ nhớ chương trình của PLC được sử dụng để lưu giữ các lệnh của chương trình điều khiển. b/ Module nguồn cung cấp. Các module nguồn của PLC thường có các thông số như sau: - Điện áp vào: 120/230 VAC, 50/60Hz - Điện áp ra: DC24V - Cường độ dòng điện thường có 3 loại khác nhau: 2A, 5A, 10A. Thực chất module nguồn là một bộ chỉnh lưu. Đầu vào của bộ chỉnh lưu là nguồn điện xoay chiều, đầu ra của bộ chỉnh lưu là nguồn điện 1 chiều. Nguồn điện 1 chiều này được sử dụng để cung cấp nguồn cho module CPU và các module mở rộng khác. c/ Module tín hiệu. Module tín hiệu là một loại module mở rộng có chức năng cung cấp các tín hiệu vào ra. Các tín hiệu này có thể là số hoặc tương tự. Các tín hiệu vào ra số chỉ có hai giá trị logic 0 và 1. Hai giá trị này được sử dụng thay thế cho hai trạng thái logic của rơle. Giá trị logic 0 đặc trưng cho trạng thái mở của rơle, giá trị logic 1 đặc trưng cho trạng thái đóng của rơle. Các tín hiệu vào ra tương tự thường là một trong hai dạng tín hiệu điện áp hoặc dòng điện. Vì bộ điều khiển PLC chỉ làm việc với các tín hiệu số cho nên thực chất các module tín hiệu vào tương tự chính là các bộ biến đổi AD (Analog to Digital) và các module tín hiệu ra tương tự chính là các bộ biến đổi DA (Digital to Analog). d/ Module chức năng. Module chức năng là loại module điều khiển chuyên dụng như Module điều khiển động cơ bước, Module điều khiển động cơ Secvo… Hiện nay để phục vụ cho mục đích điều khiển các máy công cụ CNC nhiều hãng sản xuất PLC đã đưa ra các module điều khiển CNC chuyên dụng như Hãng Siemens đưa ra module điều khiển SINUMERIK 802S là một bộ điều khiển NC cho 3 trục ăn dao và một trục quay được điều khiển tốc độ theo vòng kín. e/ Module truyền thông. Module truyền thông làm nhiệm vụ truyền thông trong mạng giữa các PLC với nhau hoặc giữa PLC với máy tính. 2.3.5-Các kiểu dữ liệu được sử dụng trong PLC. Một chương trình điều khiển viết cho PLC có thể sử dụng các kiểu dữ liệu sau: - BOOL: là kiểu dữ liệu chỉ có hai giá trị là 0 hoặc 1 (đúng hoặc sai). Kiểu dữ liệu này được sử dụng cho biến hai trị. - BYTE: là kiểu dữ liệu gồm 8 bit thường được sử dụng để biểu diễn một số nguyên dương có giá trị trong khoảng từ 0 đến 255 hoặc mã ASCII của một ký tự. - WORD: là kiểu dữ liệu gồm 2 byte được sử dụng để biểu diễn một số nguyên dương trong khoảng từ 0 đến 65535. - DWORD: là kiểu dữ liệu gồm 4 byte được sử dụng để biểu diễn một số nguyên dương trong khoảng từ 0 đến 4294836255. - INT: là kiểu dữ liệu gồm 2 byte được sử dụng để biểu diễn một số nguyên có dấu trong khoảng từ -32768 đến 32767. - DINT: là kiểu dữ liệu gồm 4 byte được sử dụng để biểu diễn một số nguyên có dấu trong khoảng từ -2147483648 đến 2147483647. - REAL: là kiểu dữ liệu gồm 4 byte được sử dụng để biểu diễn một số thực dấu phẩy động. - CHAR: là kiểu dữ liệu có độ dài 1 byte được sử dụng để biểu diễn các ký tự. 2.3.7-Nguyên tắc hoạt động của PLC. PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp (scan) được bắt đầu bằng giai đoạn đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm vào ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc chương trình. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển nội dung của bộ đệm ra ảo tới các cổng ra. Vòng quét chương trình được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. Thời gian để PLC thực hiện một vòng quét không cố định, nghĩa là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian bằng nhau. Độ dài thời gian của một vòng quét phụ thuộc vào số lượng các lệnh được xử lý và truyền thông trong vòng quét đó. Ngoài ra thời gian vòng quét còn phụ thuộc rất nhiều vào các tín hiệu báo ngắt được kích hoạt trong vòng quét đó. Tín hiệu báo ngắt là các tín hiệu xuất hiện khi có tác động từ bên ngoài hoặc khi có lỗi xảy ra. Khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt, bộ vi xử lý trong module CPU sẽ kích hoạt chương trình xử lý ngắt tương ứng. Chương trình xử lý ngắt là một kiểu chương trình con chỉ có thể được gọi bởi các tín hiệu báo ngắt do đó chương trình xử lý ngắt còn có tên gọi khác là chương trình phục vụ ngắt. Có nhiều dạng tín hiệu ngắt khác nhau như ngắt truyền thông, ngắt thời gian, ngắt chu kỳ, Ngắt phần cứng, ngắt khi có lỗi… Các khối chương trình xử lý ngắt này có thể được thực hiện tại bất kỳ thời điểm nào trong vòng quét chứ không chỉ trong giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn như trong giai đoạn thực hiện chương trình, nếu xuất hiện tín hiệu ngắt chu kỳ thì bộ vi xử lý sẽ ngừng thực hiện chương trình chính để thực hiện chương trình phục vụ tín hiệu ngắt chu kỳ. Sau khi thực hiện xong chương trình phục vụ tín hiệu ngắt chu kỳ bộ vi xử lý sẽ quay trở về tiếp tục thực hiện chương trình chính. Với cách thức xử lý tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ lớn khi có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét đó. Vì vậy để đảm bảo tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, chương trình con phục vụ tín hiệu báo ngắt không nên viết quá dài và không nên lạm dụng chương trình xử lý ngắt. 2.3.8-Cấu trúc chương trình. Chương trình viết cho PLC được lưu giữ trong vùng nhớ chương trình nằm trong module CPU. Các chương trình này thường được viết theo một trong hai dạng cấu trúc: lập trình tuyến tính và lập trình có cấu trúc. Với phương pháp lập trình tuyến tính, toàn bộ chương trình điều khiển nằm gọn trong một khối chương trình và bộ vi xử lý sẽ thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng trong khối chương trình này. Như vậy, phương pháp lập trình tuyến tính chỉ phù hợp với những bài toán điều khiển nhỏ, đơn giản. Với bài toán điều khiển phức tạp và nhiều nhiệm vụ thì phương pháp lập trình có cấu trúc tỏ ra hiệu quả hơn. Trong phương pháp lập trình có cấu trúc, chương trình điều khiển được chia thành một chương trình chính và nhiều chương trình con. Chương trình chính làm nhiệm vụ và mỗi chương trình con có nhiệm vụ giải quyết một nhiệm vụ cụ thể. Từ chương trình chính bằng các lệnh gọi chương trình, các chương trình con lần lượt được thực hiện. 2.3.9-Ngôn ngữ lập trình cho PLC. Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau do hãng sản xuất quy định. Người thiết kế sẽ sử dụng ngôn ngữ lập trình để soạn thảo, sửa đổi và chạy thử các chương trình điều khiển. Người ta có thể lập trình trên các máy tính PC hoặc trên các bộ lập trình chuyên dụng. Chương trình điều khiển sau đó sẽ được nạp (download) vào bộ nhớ chương trình trong module CPU của PLC. Tuy có nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau nhưng tựu trung lại, các họ PLC của các hãng khác nhau vẫn có hai ngôn ngữ lập trình chính là ngôn ngữ liệt kê lệnh STL (Statement list) và ngôn ngữ hình thang LAD (Ladder logic). Ngôn ngữ liệt kê là loại ngôn ngữ thông thường của máy tính trong đó một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định. Ngôn ngữ hình thang LAD là một loại ngôn ngữ lập trình bằng đồ hoạ. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bảng điều khiển bằng rơle. Trong chương trình LAD các phần tử cơ bản dùng để biểu diễn các lệnh logic gồm có: - Tiếp điểm: là biểu tượng mô tả các tiếp điểm của rơle. Các tiếp điểm đó được chia làm hai loại: tiếp điểm thường mở và tiếp điểm thường đóng . - Cuộn dây: là biểu tượng mô tả rơle được mắc theo chiều dòng điện cung cấp cho rơle. Chương 3: THiết kế hệ thống điều khiển. 3.1-Thiết kế bộ điều khiển. Bộ điều khiển được thiết kế trền phần mềm Step7-Mirco/win phiên bản 3.1, sử dụng ngôn ngữ lập trình STL của bộ điều khiển PLC S7 200. Để lập được sơ đồ thuật toán ta phải nắm rõ được các yêu cầu của bộ điều khiển mà ta cần thiết kế cũng như những qui tắc khi viết chương trình. Chương trình PLC đảm bảo được chức năng này tương đối phức tạp, bộ điều khiển PLC S7 200 cho phép ta sử dụng các chương trình con cũng như các bộ Timer để tạo thời gian trễ. 3.1.1-Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con. Lệnh gọi chương trình con là lệnh chuyển điều kiện đến chương trình con. Khi chương trình con thực hiện xong các phép tính của mình thì việc điều khiển lại được chuyển trở về lệnh tiếp theo trong chương trình chính nằm ngay sau lệnh gọi chương trình con.Từ một chương trình con có thể gọi được một chương trình con khác trong nó, có thể gọi như vậy nhiều nhất là 8 lần trong S7 200. Khi một chương trình con được gọi toàn bộ nội dung của ngăn xếp sẽ được cất đi, đỉnh của ngăn xếp nhận giá trị logic mới là 1, các bít còn lại của ngăn xếp nhận giá trị logic 0 và điều khiển được chuyển đến chương trình con đã được gọi. Khi thực hiện xong chương trình con và trước khi điều khiển được chuyển trở lại chương trình đã gọi nó, nội dung của ngăn xếp đã được cất giữ trước đó để chuyển trở lại ngăn xếp. 3.1.2-Bộ Timer. Timer là bộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển vẫn thường gọi là khâu trễ. Nếu ký hiệu tín hiệu (logic) vào là x(t) và thời gian trễ được tạo ra bằng timer là t thì tín hiều đầu ra của timer sẽ là x(t-t). S7-200 có 64 timer (với CPU 212) hoặc 128 timer (với CPU 224) được chia làm 2 loại khác nhau, đó là: - Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On - Delay timer), ký hiệu là TON. - Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On-Delay timer), ký hiệu là TONR. Hai kiểu timer của S7-200 (TON và TONR) phân biệt với nhau ở phản ứng của nó đối với trạng thái tín hiệu đầu vào. Cả hai timer kiểu TON và TONR cùng bắt đầu tạo thời gian trễ tín hiệu kể từ thời điểm có sườn lên ở tín hiệu đầu vào, tức là tín hiệu đầu vào chuyển trạng thái logic từ 0 lên 1, được gọi là thời điểm timer được kích, và không tính khoảng thời gian khi đầu vào có giá trị logic 0 vào thời gian trễ tín hiệu được đặt trước. Khi đầu vào có giá trị logic bằng 0, TON tự động reset còn TONR thì không tự động reset. Timer TON được dùng để tạo thời gian trễ trong một khoảng thời gian (miền liên thông), còn với TONR thời gian trễ sẽ được tạo ra trong nhiều khoảng thời gian khác nhau. Timer TON và timer TONR bao gồm 3 loại với 3 độ phân giải khác nhau, độ phân giải 1ms, 10ms, 100ms. Thời gian trễ t được tạo ra chính là tích của độ phân giải của bộ timer được chọn và giá trị đặt trước cho timer. Ví dụ một bộ timer có độ phân giải bằng 10ms và giá trị đặt trước là 50 thì thời gian trễ sẽ là t = 500ms. Timer của S7 - 200 có những tính chất cơ bản sau: - Các bộ timer được điều khiển bởi 1 cổng vào và giá trị đếm tức thời. Giá trị đếm tức thời của timer được nhớ trong thanh ghi 2 byte (gọi là T-Word) của timer, xác định khoảng thời gian trễ kể từ khi timer được kích. giá trị đặt trước của bộ timer được ký hiệu trong LAD và STL là PT. Giá trị đếm tức thời của thanh ghi T-Word thường xuyên được so sánh với giá trị đặt trước của timer. - Mỗi bộ timer, ngoài thanh ghi 2 byte T- Word lưu giá trị đếm tức thời, còn có 1 bit, ký hiệu bằng T- bit, chỉ thị trạng thái logic đầu ra. Giá trị logic của bit này phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời với giá trị đặt trước. - Trong khoảng thời gian tín hiệu x (t) có giá trị logic 1, giá trị đếm tức thời trong T - Word luôn được cập nhật và thay đổi tăng dần cho đến khi nó đạt giá trị cực đại. Khi giá trị đếm tức thời lớn hơn hay bằng giá trị đặt trước, T-bit có giá trị logic 1. Các loại timer của S7-200 (đối với CPU 212 và CPU 224) chia theo TON và TONR độ phân giải bao gồm: Lệnh Độ phân giải Giá trị cực đại CPU 212 CPU 224 TON 1ms 32.767s T32 T32, T96 10ms 327.67s T33áT36 T33 á T36, T97áT100 100ms 3276.7s T37áT63 T37áT63, T101áT127 TONR 1ms 32.767s T0 T0, T64 10ms 327.67s T1áT4 T1 á T4, T65 á T68 100ms 3276.7s T5áT31 T5 á T31, T69 á T95 3.1.3-Lưu đồ thuật toán. Chương trình chính. Chương trình con “KHOIDAU” Chương trình con TIMER-INTERRUPT AC: số xung đếm được trong 20s D: Đường kính lô truyền động Chương trình con “HIENTHIBANGTAY” Chương trình con “HIENTHITUDONG” 3.1.4-Lập trình. a/ Chương trình chính Network 1: LD SM0.1 // Nhận giá trị logic 1 ở vòng quét đầu tiên CALL khoidau //Gọi chương trình con đặt tham số ban đầu MOVB 0, MB0 //Xoá chức năng các phím F1-F8 S V14.3,1 //Hiển thị thông báo ban đầu Network 2: LD M0.4 //ấn shift+F1 để hiển thị bằng tay R V14.3,1 //Xoá thông báo ban đầu CALL hienthibangtay //Gọi chương trình con hienthibangtay Network 3: LD M0.5 //ấn shift+F2 để hiển thị tự động R V14.3,1 //Xoá thông báo ban đầu CALL hienthitudong //Gọi chương trình con hienthitudong Network 4: LD M0.6 //ấn shift+F3 để lựa chọn R M0.4, 1 // Reset phím F5 R M0.5, 1 // Reset phím F6 S V14.3,1 //Hiển thị thông báo lựa chọn R V14.4, 1 //Xoá message chứa độ sáng đèn R V14.5, 1 //Xoá message lực phanh xe R V14.6, 1 //Xoá message chứa tốc độ xe S V14.7, 1 //Hiển thị khối lượng xe R M0.0, 4 // Reset các phím từ F1 đến F4 R T37, 1 //Reset Timer T37 R M0.6, 1 //Xoá chức năng phím F7 Chương trình con “KHOIDAU” Network 1: LD SM0.0 //Luôn có giá trị logic bằng 1 MOVB 16#FC, SMB37 //Thiết lập cấu hình cho HSC0 HDEF 0, 10 //HSC 0 hoạt động ở mode 4 MOVB 20, SMB34 //Chu kì gọi ngắt Timer 0 là 20 ms ATCH Timer_Interrupt, 10 //Khởi tạo ngắt Timer 0 ENI HSC 0 //Kích hoạt HSC0 MOVW +32000, AQW0 b/ Chương trình con “timer_intercorrupt” Network1 LD SM0.0 MOVD VD1008, VD1004 //Nội dung thứ n chuyển sang thứ n-1 MOVD HC0, VD1008 //Nội dung mới chuyển sang nội dung thứ n MOVD VD1008, VD1012 //Chuyển sang biến trung gian (VD1012) -D VD1004, VD1012 //Lấy hiệu số, VD1012 chứa số xung đếm Network 2 LD SM0.0 DTR VD1012, AC0 /R 500.0, AC0 //Số xung đếm/500 -> số vòng quay motor/20ms *R 100.0, AC0 //Đường kính của lô D = 100 mm *R 3.1416, AC0 //Pi = 3.1416 MOVR AC0, VD1016 //Vận tốc dịch chuyển thực mm / 20 ms *R 50.0, VD1016 // Vận tốc dịch chuyển thực mm / s MOVR VD1016, VD1020 // Copy dữ liệu *R 0.36, VD1020 // Vận tốc dịch chuyển thực km / h Network 3: LD SM0.0 MOVW AIW0, VW500 //Copy giá trị khối lượng sang VW500 /I +93, VW500 Network 4: LD SM0.0 MOVW AIW2, VW502 //Copy giá trị lực phanh sang VW502 /I +4, VW502 Network 5: LD SM0.0 MOVW AIW4, VW504 //Copy giá trị độ sáng đèn sang VW504 /I +60, VW504 c/ Chương trình con “hienthibangtay” Network 1 LD M0.0 //ấn fím F1 để hiển thị khối lượng R M0.2, 1 //Xoá chức năng phím F3 R M0.3, 1 //Xoá chức năng phím F4 MOVW VW500, VW56 //Copy dữ liệu sang VW56 R V14.4, 1 R V14.5, 1 //Xoá các message R V14.6, 1 S V14.7, 1 //Hiển thị khối lượng Network 2 LD M0.1 //ấn phím F2 để hiển thị tốc độ. R M0.0, 1 //Xoá chức năng phím F1 R M0.3, 1 // Xoá chức năng phím F4 MOVR VD1020, VD96 // Copy dữ liệu sang VD96 R V14.4, 1 R V14.5, 1 //Xoá các message R V14.7, 1 S V14.6, 1 //Hiển thị tốc độ xe Network 3 LD M0.2 //ấn phím F3 để hiển thị lực phanh R M0.0, 1 //Xoá chức năng phím F1 R M0.1, 1 // Xoá chức năng phím F2 MOVW VW502, VW136 //Copy du lieu sang VW136 R V14.4, 1 R V14.6, 1 R V14.7, 1 S V14.5, 1 //Hiển thị lực phanh Network 4 LD M0.3 //ấn phím F4 để hiển thị độ sáng đèn R M0.1, 1 // Xoá chức năng phím F1 R M0.2, 1 // Xoá chức năng phím F3 MOVW VW504, VW176 //Copy du lieu sang VW176 R V14.5, 1 R V14.6, 1 //Xoá các message R V14.7, 1 S V14.4, 1 //Hiển thị độ sáng đènc/ Chương trình con “ hienthitudong” Network 1 LD I0.1 TON T37, +80 //Khai báo timer 8s Network 2 LDW= T37, +20 // So sánh T-Word của timer với 2s MOVW VW500, VW56 //Copy dữ liệu sang VW56 R V14.4, 1 R V14.5, 1 //Xoá các message R V14.6, 1 S V14.7, 1 //Hiển thị khối lượng xe Network 3 LDW= T37, +40 // So sánh T-Word của timer với 4s MOVR VD1020, VD96 //Copy dữ liệu sang VD96 R V14.4, 1 R V14.5, 1 // Xoá các message R V14.7, 1 S V14.6, 1 //Hiển thị tốc độ xe Network 4 LDW= T37, +60 // So sánh T-Word của timer với 6s MOVW VW502, VW136 //Copy dữ liệu sang VW136 R V14.4, 1 R V14.6, 1 // Xoá các message R V14.7, 1 S V14.5, 1 //Hiển thị lực phanh xe Network 5 LD T37 MOVW VW504, VW176 //Copy dữ liệu sang VW176 R V14.5, 1 R V14.6, 1 R V14.7, 1 //Xoá các message S V14.4, 1 //Hiển thị độ sáng đèn xe R T37, 1 // Reset Timer * Nhận xét:Trong các thông số vừa đo và hiển thị ở trên thì tốc độ xe và lực phanh xe là hai yếu tố quan trọng của xe để đánh giá độ an toàn và chính xác khi lắp ráp. Trong quá trình lắp ráp có thể phạm sai số làm sai lệch giá trị vận tốc thực tế với giá trị kim chỉ trên côngtơmét của xe. Mođun đo lường trên cho phép ta phát hiện ra sai số đó và đối chiếu với sai số cho phép, từ đó mới kiểm tra được là xe có đảm bảo yếu tố kỹ thuật hay không. Bảng tóm tắt các ô nhớ sử dụng trong chương trình PLC. TT Ô nhớ Vị trí&Tính chất Mô tả 1 SM0.0 Vùng nhớ đặc biệt (SM) Luôn có giá trị logic bằng 1. 2 SM0.1 Vùng nhớ đặc biệt (SM) Có giá trị logicbằng 1 ở vòng quét đầu tiên. 3 M0.0 Vùng nhớ nội (M) Tương ứng với phím F1 của TD200. 4 M0.1 nt Tương ứng với phím F2. 5 M0.2 nt Tương ứng với phím F3. 6 M0.3 nt Tương ứng với phím F4 7 M0.4 nt Tương ứng với giữ Shift và F1. 8 M0.5 nt Tương ứng với giữ Shift và F2. 9 VD1012 Vùng nhớ V, kiểu từ kép (4byte) Chứa giá trị số xung đếm được của Encoder 10 VD1020 nt Chứa vận tốc dịch chuyển (km/h). 11 AC0 Dữ liệu kiểu đối tượng Lưu các giá trị kiểu số thực. 12 VW56 Miền V (đọc/ghi), kiểu từ đơn (2byte) Nơi chứa dữ liệu của Message hiển thị khối lượng xe. 13 VW136 nt Nơi chứa dữ liệu của Message hiển thị lực phanh xe. 14 VW176 nt Nơi chứa dữ liệu của Message hiển thị độ sáng đèn. 15 VD96 Vùng nhớ V, kiểu từ kép (4byte) Nơi chứa dữ liệu của message hiển thị tốc độ xe. 16 V14.7 MiềnV (đọc/ghi) Địa chỉ của Message 1 hiển thị khối lượng. 17 V14.6 nt Địa chỉ của Message 2 hiển thị tốc độ. 18 V14.5 nt Địa chỉ của Message 3 hiển thị lực phanh xe. 19 V14.4 nt Địa chỉ của Message hiển thị độ sáng của đèn. 20 VW500 Miền V (đọc/ghi), kiểu từ đơn (2byte) Chứa dữ liệu về khối lượng xe. 21 VW600 nt Chứa dữ liệu về lực phanh xe. 22 VW700 nt Chứa dữ liệu về độ sáng của đèn . 23 AIW0 Modul 2 đầu vào (kiểu analog) Đầu ra của PLC chứa dữ liệu về khối lượng xe. 24 AIW2 nt Đầu ra của PLC chứa dữ liệu về lực phanh xe. 25 AIW4 nt Đầu ra của PLC chứa dữ liệu về độ sáng của đèn xe. Chương 4: thiết kế hệ thống cơ khí 4.1-Phân tích chức năng làm việc của chi tiết. Lô truyển động là một chi tiết quan trọng trong hệ thống cơ khí nhằm để thực hiện quá trình đo tốc độ của xe. Thực chất lô truyền động cần thiết kế là một trục có chức năng truyền động từ bánh xe. Trên trục này phải gắn Encoder lên đó để lấy thông số ở dạng xung. Khi bánh xe quay thì sẽ làm cho trục này quay thông qua lực ma sát giữa bánh xe và trục. Ngoài ra trục này phải có một đầu có thể nối được với Encoder để truyền chuyển động quay từ bánh xe sang trục của Encoder. Trục chịu lực chủ yếu từ khối lượng của xe và trọng lượng tác dụng lên xe, ngoài ra trục còn chịu momen truyền từ động cơ tới trục thông qua các bộ truyền bánh răng trong hộp tốc độ và bộ truyền xích. Chi tiết lô (trục) truyền động, có tác dụng truyền chuyển động của bánh xe máy thành chuyển động của chính nó, để từ đó ta có thể đo được vận tốc của xe. Do đó yêu cầu cần có độ chính xác kích thước, độ đồng tâm, bề mặt tiếp xúc cần đạt được để cho ma sát giữa bánh xe và trục là lớn nhất để tránh sự trượt. Ngoài ra trên trục có phần ngõng trục để lắp ổ lăn cũng yêu cầu về độ chính xác và độ nhẵn bóng khá cao. 4.2-Yêu cầu kỹ thuật, kết cấu của chi tiết và vật liệu chế tạo. 4.2.1-Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết. Với chức năng làm việc như trên, trục cần thiết kế cần đảm bảo các yếu tố kỹ thuật sau: - Đảm bảo được độ cứng vững, độ bền tĩnh và động. - Ma sát giữa trục và bánh xe phải đủ lớn để hiệu suất truyển giữa trục và bánh xe là lớn nhất. - Phần phụ để nối trục với trục của Encoder phải đảm bảo độ đồng tâm với lô. 4.2.2-Kết cấu và vật liệu của chi tiết. Do phần phụ để nối trục có đường kính tương đối bé nên ta có thể chế tạo riêng ra, xong đó lắp ghép với phần chính là lô truyền động. Từ chức năng làm việc và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết, chúng ta đưa ra kết cấu hợp lý nhất cho chi tiết như sau. Vì lô truyền động không yêu cầu cơ tính cao nên ta chọn vật liệu chế tạo là Thép C45. 4.3-Phân tích tính tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết. Với kết cấu của chi tiết như bản vẽ chế tạo ta nhận thấy: - Kết cấu của trục không quá phức tạp. - Trục gia công có đường kính các cổ trục giảm dần về hai đầu. - Các bề mặt cổ trục yêu cầu độ chính xác gia công là không quá lớn. - Các bề mặt bậc rãnh phù hợp tạo điều kiện dùng dụng cụ cắt tiêu chuẩn và đạt năng suất cao, gia công thuận tiện không bị va đập khi gia công. - Với các bề mặt lắp ghép đòi hỏi dung sai và độ nhám bề mặt hợp lý. Còn với những bề mặt bậc, mặt vát không yêu cầu độ nhám cao nên ta chỉ cần đảm bảo độ chính xác hình học là được. - Các kết cấu lắp ghép phù hợp với tiêu chuẩn thống nhất. 4.4-Kiểm nghiệm khả năng tải của trục. 4.4.1-Kiểm nghiệm khả năng tải. a/ Lực tác dụng lên trục. Trong đó: L- khoảng cách giữa 2 ổ lăn. l- khoảng cách từ một ổ lăn tới vị trí tiếp xúc giữa bánh xe và trục. F1, F2 - hai phản lực lên trục tại vị trí đặt ổ. F - lực tác động lên trục khi có xe đặt lên trục. Lực F này gồm có 2 thành phần là trọng lượng của xe và trọng lượng người ngồi lên xe. Trong phần tính toán này chủ yếu là để kiểm tra độ bền của trục nên ta xét trong trường hợp lực F này là lớn nhất. Theo bản vẽ chế tạo trục ta có L=520mm. Giả thiết bánh xe luôn được đặt vào chính giữa trục truyền động, khi đó ta có l=520/2=260mm. Trọng lượng xe lớn nhất: 150x10=1500 N Trọng lượng người: 100.10=1000 N àF=1500+1000=2500N Từ đó ta tính được phản lực tại các ổ đỡ: F=F1+F2 à F1=F2=2500/2=1250 (N) b/ Mômen tác dụng lên trục. Để xác định được Mômen tác dụng lên trục ta phải biết được công suất và Mômen từ hộp tốc độ của xe. Giả thiết loại xe đang kiểm tra là loại xe máy Wave ZX của Honda với các thông số sau: - Công suất tối đa: Pmax=4,41Kw /7500 (vòng/phút) - Mômen tối đa: Mmax=6,21Nm /5000 (vòng/phút) Công suất được truyền từ động cơ tới bánh xe và tới trục thông qua các bộ truyền sau: - Bộ truyền bánh răng trong hộp tốc độ với hiệu suất: h = 0,98 - Bộ truyền xích với hiệu suất: h= 0,96 - Các cặp ổ lăn với hiệu suất mỗi cặp là h=0,995 - Mômen truyền từ bánh xe sang trục có thể xem là bộ truyền ma sát với hiệu suất h=0,96. Theo bảng 2.3-Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí-Tập 1-Trịnh Chất và Lê Văn Uyển. Ta tính được gần đúng mômen trên trục như sau: T=Tmax. h. Trong đó Tmax là mômen lớn nhất ở trục của động cơ và h là hiệu suất của toàn bộ truyền để truyền mô men tới trục cần thiết kế. Theo công thức 2.9-Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí-Tập 1-Trịnh Chất và Lê Văn Uyển ta có: . ị T= 6,21x0,88 = 5,4648Nm = 5464,8Nmm. Từ đó ta vẽ được biểu đồ mômen. Mômen tương đương tại các tiết diện. - Tiết diện ở chính giữa trục: M1= - Tiết diện lắp ổ: M2= 4.4.2-Tính kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi. Kết cấu trục vừa thiết kế đảm bảo được độ bền mỏi nếu hệ số an toàn tại các tiết diện nguy hiểm thoả mãn điều kiện sau: Sj = Ssj . Stj / [S] Trong đó: Sj - hệ số an toàn xét tại tiết diên nguy hiểm [S] - hệ số an toàn cho phép ta chọn [1,5…2,5] Ssj, Stj - hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm. Theo công thức 10.20 và 10.21 -Hướng dẫn thiết kế hệ dẫn động cơ khí ta có: Ssj =s-1/ (Ksdj.saj+ Ys.smj) Stj = t-1 / ( Ktdj .taj+ Yt.tmj) Trong đó: - s-1 và t-1 là giới hạn mỏi uốn và mỏi xoắn ứng với chu kỳ đối xứng. Đối với thép ta có thể lấy gần đúng s-1= 0,43sb s-1 = 0,43.600 =258 (MPa) t-1 = 0,58. s-1 =0,58.258 = 149,64 (MPa) - saj , taj, smj , tmj là biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện đang xét saj = (smaxj-sminj)/2 smj = (smaxj+sminj)/2 Do các trục đều quay, ứng suất uốn thay đổi theo chu kì đối xứng smij =0 saj =smaxj = Mj/wj Mj = Tại tiết diện chính giữa có Mtđ = 325046 Nmm wj được xác định theo bảng 10.6. wi=p.di3/3=3,14.1003/3 ịsni=smaxi =325046.3/3,14.1003=0,31 Do trục quay 1 chiều, ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì mạch động taj =tmj =tmax/2 = Tj/ (2.woj) woj , wj là mô men cản uốn và mô men cản xoắn tại tiết diện chính giữa của trục được xác định theo bảng 10.6 w0i=p.d3/16 ịtai=5464,6.16/2.3,14.1003=0,0139 - Ys , Yt là hệ số kể đến ảnh hưởng của trị số ứng suất trung bình đến độ bền mỏi, do sb =600 (MPa) tra bảng 10.7 ta có Ys = 0,05, Yt =0 - Ksdj và Ktdj là hệ số được xác định bởi công thức: Ksdj = (Ks/es + Kx -1)/Ky và Ktdj = (Kt/et + Kx -1)/Ky. Trong đó Kx là hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt trục. Tra bảng 10.8 ta chọn phương pháp gia công bề mặt là tiện Ra 2,5á0,63 nên Kx= 1,06; Ky là hệ số tăng bền bề mặt trục do ta không tăng bề bề mặt trục nên Ky =1; es và et là hệ số kích thước kể đến ảnh hưởng của kích thước tiết diện trục đến giới hạn mỏi. Tra bảng 10.10 với d=100 mm es =0,7; et =0,7. Vì trục không có các lắp ghép bằng then nên các hệ số Ks và Kt ta lấy bằng 1. Ksdj= (1/0,7 + 1,06-1)/1=1,48 Ktdj= (1/0,7 + 1,06-1)/1=1,48 - smi =0, tmi =0 do trục quay, ứng suất uốn thay đổi theo chu kỳ đối xứng. Thay các giá trị vào ta có: Ss3=s-1/ (Ksd3.sa3+ Ys.sm3)=258/ (1,48.0,31+ 0,05.0)=562,3 St3 = t-1 / ( Ktd3 .ta3+ Yt.tm3)=149,64/ (1,48.0,0139+0)=7242 S3=Ss3.St3/=562,3.7242/=560>[S] = (1,5á2,5) Vậy tiết diện trục ở chính giữa thoả mãn độ bền mỏi. 4.4.4-Tính toán và chọn ổ lăn cho trục. a/ Chọn loại ổ, cấp chính xác và kích thước của ổ. Để chọn được ổ lăn hợp lý ta phải xét đến tỉ số giữa lực dọc trục Fa và lực hướng tâm Fr. Do trục làm việc chủ yếu là chỉ chịu lực hướng tâm Fa nên ta thấy tỉ số Fa/Fr <<0,3. Ta chọn ổ bi đỡ một dãy để có kết cấu đơn giản, giá thành hợp lý. Theo kinh nghiệm chọn ổ lăn cho các hộp giảm tốc, hộp tốc độ và những kết cấu khác trong nghành chế tạo máy, ổ lăn thường được chọn cấp chính xác bình thường là cấp chính xác 0. Vì tải trọng tác dụng lên 2 gối đỡ là bằng nhau nên để đơn giản về kết cấu cũng như đảm bảo được tính đồng nhất trong thiết kế ta chọn 2 ổ ở 2 đầu trục là giống nhau. Số liệu ban đầu để chọn ổ: - Số vòng quay lớn nhất của trục. Số vòng quay lớn nhất của trục ứng với trường hợp xe chạy với vận tốc lớn nhất Vmax =100 (Km/h), wbánh xe=Vmax/R Trong đó R là bán kính của bánh xe R=500/2=250 (mm) đ wbánh xe=100/250.10-6=4.105 (rad/h)=111,11 (rad/s) đ wtrục=wbánh xe.R/r (Trong đó r là bán kính trục r=50 mm) đ wtrục=111,11.250/50=555,5 (rad/s) Số vòng quay: n=555,5.60/2.3.14=5308 (vg/ph) - Thời hạn sử dụng ổ: L=20000 giờ, tải trọng tĩnh. - Phản lực tại các ổ đỡ: F1=F2=1250 N. Đường kính ngõng trục d=80 (mm). Chọn ổ đỡ một dãy theo bảng P2.7-Hướng dẫn thiết kế hệ dẫn động cơ khí, ổ được chọn là ổ đỡ một dãy cỡ trung: Ký hiệu ổ: 316 Đường kính trong của ổ: d=80 mm Đường kính ngoài: D=170 mm Đường kính bi 28,58 mm Khả năng tải động C=96,5 kN Khả năng tải tĩnh: Co=71,7 kN b/ Tính kiểm nghiệm khả năng tải của ổ. Xác định tải trọng động qui ước theo công thức với ổ bi đỡ 1 dãy như sau: Q= (XVFr+Y.Fa).kt.kd. Trong đó: - Fr và Fa là lực hướng tâm và lực dọc trục. Đối với trục thiết kế thì Fr=1250N và Fa=0. - V là hệ số kể đến vòng nào quay, với vòng trong quay lấy V=1. - kt hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ. Do ổ làm việc ở nhiệt độ bình thường nên lấy kt=1. - kd là hệ số kể đến đặc tính của tải trọng được chọn theo bảng 11.3. Với tải trọng tác dụng lên ổ là tải trọng tĩnh không va đập ta chọn kd=1. - X và Y lần lượt là hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục, tra bảng 11.4 với ổ đỡ 1 dãy, tải trọng dọc trục bé ta có X=1 vàY=0. Thay vào công thức ta có tải trọng động qui ước: Q= (1.1.1250+0.Fa).1.1=1250 N Theo công thức 11.1 ta có khả năng tải động như sau: . Trong đó với ổ bi thường lấy m=3 và L = 60nLh/106 = 60.5308.20000/106=6369,6 Cd= Ta nhận thấy ổ được chọn thừa bền nên chọn cỡ ổ nhẹ hơn: Chọn ổ cỡ đặc biệt nhẹ, vừa với thông số sau: Đường kính trong ổ: d=80 (mm) Đường kính ngoài: D=125 (mm) Khả năng tải động: C=37,4 kN Khả năng tải tĩnh: C0=31,9 kN Đối với ổ đỡ một dãy thì khả năng tải tĩnh tính theo công thức 11.19 Qt=X0.Fr+Y0.Fa. Trong đó X0 và Y0 là hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục, tra theo bảng 11.6 ta có :X0=0,6 , Y0=0,5. Qt=0,6.1250 =750 (N)<C0 Vậy khả năng tải tĩnh của ổ được đảm bảo. 4.5-Dạng sản xuất và phương pháp chế tạo phôi. Trong một dây chuyền công nghệ, chi tiết không có mặt nhiều, nên khi sản xuất ta không cần sản xuất ra một khối lượng lớn các trục (lô truyền động). Nên dạng sản xuất đây là đơn chiếc. ở đây ta sử dụng phôi thanh để chế tạo ra chi tiết. 4.6-Quy trình công nghệ gia công trục. 4.6.1-Xác định tiến trình công nghệ. Từ yêu cầu về độ chính xác và độ nhám các bề mặt ta có phương pháp gia công lần cuối cho các bề mặt là. Đối với các bề mặt không yêu cầu cao ta chọn phương pháp gia công cho các bề mặt này là tiện thô. Những bề mặ có yêu cầu cao hơn (bề mặt lắp ổ lăn) thì sau khi tiện thô xong cần tiến hành tiện tinh. Do dạng sản xuất là đơn chiếc nên tiến trình công nghệ ta sẽ cố gắng gói gọn nguyên công. Từ đó ta có tiến trình công nghệ gia công trục như sau: 1- Cắt thép. 2- Khoan tâm. 3- Tiện thô 1/2 trục phía phải. 4- Tiện thô 1/2 trục còn lại và tiện tinh f45 phía trái. 5- Tiện tinh f45 còn lại 6- Khoan, khoét và ta rô ren. 7- Kiểm tra. 4.6.2-Thiết kế nguyên công. a/ Nguyên công 1. Nguyên công định chiều dài cho chi tiết gia công. Bằng phương pháp cưa, cắt phôi thanh thành đoạn ngắn có chiều dài thích hợp. Định vị: Chi tiết gia công được định vị trên 2 khối V ngắn. Kẹp chặt: Kẹp chặt chi tiết được thực hiện bằng mỏ kẹp. Chọn máy: Máy cắt đứt bằng cưa bán tự động: Bảng P3.44- Hướng dẫn thiết kế đồ án CNCTM. Công suất N=3kW. Chọn dụng cụ cắt: Cưa đĩa thép gió P9; Đường kính cưa đĩa D=350mm, số răng Z=72. b/ Nguyên công 2. Nguyên công tạo chuẩn. Sử dụng máy khoan tâm để khoan 2 lỗ tâm cùng một lúc. Định vị và kẹp chặt: Được thực hiện giống như nguyên công cắt thép. Chọn máy: Máy phay khoan tâm bán tự động MP-73M Chọn dụng cụ cắt: Mũi khoan tâm đường kính f3 và vát 600. c/ Nguyên công 3. Nguyên công tạo hình bề mặt cho chi tiết. Tiến hành tiện thô 1/2 trục phía phải (f100, f90, f80, f60), sử dụng chuẩn thô chính là bề mặt f105 của phôi. Định vị: Chi tiết được định vị nhờ mâm cặp 3 chấu. Kẹp chặt: Chi tiết được kẹp chặt nhờ lực của mũi tâm. Chọn máy: Chọn máy tiện ren vít vạn năng 1K62 có công suất N=4,5 kw. Chọn dụng cụ cắt: Để đảm bảo được chất lượng bề mặt gia công theo yêu cầu kỹ thuật và tuổi bền của DCC (dụng cụ cắt) nên ta chọn DCC là dao tiện ngoài thân thẳng gắn các mảnh thép gió thép gió. Từ bảng 4-4 -Sổ tay CNCTM1- Chọn dao tiện ngoài thân thẳng gắn mảnh thép gió. d/ Nguyên công 4. Sau khi tiện thô xong 1/2 trục phía phải, ta xoay đầu phôi, tiếp tục tiện nửa còn lại (f100, f90, f80) và kết hợp tiện tinh luôn mặt trụ để lắp ổ lăn f45. ở đây chuẩn định vị là bề mặt trục f100 vừa được tiện ở nguyên công 3. Định vị, kẹp chặt và chọn máy: như nguyên công 3. Chọn dụng cụ cắt: Dựa vào Sổ tay CN CTM tập 1 ta chọn dao tiện ngoài thân cong có góc nghiêng chính 900 có gắn mảnh hợp kim cứng để tiện tinh cổ trụ f80. Từ bảng 4-6 ta sẽ có các thông số. e/ Nguyên công 5. Tiếp tục xoay đầu chi tiết đang gia công để tiện tinh cổ trục f80 còn lại và chuẩn định vị cũng là mặt trụ f100. * Các bước định vị, kẹp chặt, chọn máy và dụng cụ cắt được lấy như nguyên công 4. f/ Nguyên công 6. Nguyên công tạo lỗ để lắp thêm phần phụ bằng cách khoan 2 lỗ đồng tâm có đường kính khác nhau (f8 và f5), sau đó tiến hành tarô tạo M6. Định vị: Chi tiết được định vị bằng 2 khối V và 1 chốt tỳ (hạn chế bậc tự do tịnh tiến). Kẹp chặt: Chi tiết được kẹp chặt bằng mỏ kẹp. Chọn máy: Máy khoan cần 2H150. Chọn dụng cụ cắt: Mũi khoan đường kính f5, mũi khoét đường kính f8 và mũi ta rô để tạo M6 g/ Nguyên công 7. Sau khi gia công xong chúng ta cần kiểm tra lại xem chi tiết đã gia công có đạt được các yêu cầu kỹ thuật như: độ đồng tâm, độ méo, độ nhám… đã đặt ra hay không. * Đối với phần phụ để lắp nối trục với trục của Encoder không trình bày phần công nghệ chế tạo ra nó. Kết cấu của nó được trình bày trong bản vẽ chế tạo. 4.6.3-Lượng dư cho các bề mặt gia công. * Lượng dư cho bề mặt: f80k6 (). Lượng dư tổng cộng 2Zb=20mm. Tiện thô 3 lần: 2Zb=6mm. Tiện tinh: 2Zb=2mm. * Lượng dư cho bề mặt: . Lượng dư tổng cộng cho 1 lần tiện 2Zb=5mm. * Lượng dư cho bề mặt f90±0,5 Lượng dư tổng cộng cho 2 lần tiện 2Zb=15mm. * Lượng dư cho bề mặt f60±0,5. Lượng dư tổng cộng 2Zb=45mm. Tiện thô 5 lần: 2Zb =9mm. 4.6.4-Chế độ cắt cho các nguyên công. a/ Nguyên công cắt thép. Dựa vào bảng 5-44 và 5-58 sổ tay CN CTM tập 2 ta có: Chu kỳ bền của cưa T= 750phút. Lượng chạy dao răng SZ=0,05mm/răng. Tốc độ cắt V=26 (mm/phút). đ Thời gian gia công cơ bản: T0=105/26=4phút. b/ Nguyên công khoan lỗ tâm. Chiều sâu cắt t = . Theo bảng 5-25 và 5-86 sổ tay CN CTM tập 2 ta có: Lượng chạy dao vòng S = 0,2 (mm/vòng) Vận tốc cắt Vb=32 (vòng/phút). Với k1 =0,85; k2 = 0,9; k3 = 1 Tốc độ cắt khi khoan. Vtt = Vb.k1.k2.k3 = 32.0,85.0,9 = 24,48 Số vòng quay trục chính: nt = Chọn nmáy theo máy n=2500 (vòng/phút) Tính thời gian cơ bản khi khoan 2 lỗ tâm T0= . Trong đó L1 = 2 (mm); L = 7,5 (mm) đT0= c/ Nguyên công tiện thô các mặt trục. * Chế độ cắt cho bước công nghệ tiện thô f100. Chiều sâu cắt của 1 lần tiện t=5/2=2,5mm Sb= 0,3 (mm/vòng) tra bảng 5-60[2] đSt=Sb.k=0,3.0,85=0,25mm/vòng. Vb= 89 (m/p’) đVt = Vb.k1.k2.k3 đVt=89.0,75.1.1,04=69,4v/p. Do: k1= 0,75; k2= 1; k3= 1,04. Tốc độ quay nt= Chọn theo máy n=250 (v/p’) Tính lại vận tốc cắt Vt=. Thời gian gia công cơ bản T0 = . Với T0==4,76phút. * Chế độ cắt cho bước công nghệ tiện thô f90. Chiều sâu cắt tổng cộng cho 2 lần tiện t= (100-90)/2=5mm. Ta có Sb=0,4 và Vb=75 đS =0,32 (mm/vòng) và V=58,5v/p Tốc độ quay nt= đ chọn n=250v/p Ta có thời gian gia công cơ bản T0==0,76phút. * Chế độ cắt cho bước công nghệ tiện thô f80. Chiều sâu cắt t =10/2=5mm. Dựa vào các bảng 5-60 và 5-63 của sổ tay CN CTM tập 2 ta có: Tuổi bền dao T=45phút. Sb = 0,4 (mm/vòng) đS = Sb.k = 0,4.0,8 = 0,32 (mm/vòng) Vận tốc cắt Vb=75 (v/p) đ Vt =Vb.k1.k2.k3 = 75.0,75 =58,5 (v/p) Tốc độ vòng quay trục chính nt = . Chọn theo máy: n =250 (v/p) Tốc độ cắt bây giờ là V= Thời gian gia công cơ bản: T0 = . Với đT0==0,56phút. * Chế độ cắt cho bước công nghệ tiện thô f60. Chiều sâu cắt tổng cộng cho 2 lần tiện t= (81-60)/2=10,5mm. Ta có thể sử dụng chế độ cắt của bước tiện thô f90: S=0,32mm/vòng; V=58,5v/p. Ta có thời gian gia công cơ bản T0=2.=0,58phút. * Chế độ cắt cho bước công nghệ tiện thô xấn rãnh. - Máy 1K62; Dao T15K6; Chiều sâu cắt t = 0,5mm. Tốc độ trục chính n=250 (vòng/phút); Lượng chạy dao S = 0,195 (mm/vòng); Thời gian gia công cơ bản T0= 0,06 (phút). d/ Chế độ cắt cho bước công nghệ tiện tinh f80. Chiều sâu cắt t=1mm. Theo sổ tay CN CTM tập 2. Bảng 5-62 Sb=0,22 (mm/vòng); vb=100 (m/phút). đVận tốc tính toán vt=vb.k1.k2.k3 =100.0,78=78 (m/phút) Tốc độ quay tính toán nt = ==310,5 (vòng/phút). Chọn theo máy n=350 (vòng/phút). Tính lại tốc độ cắt v = = 87,92(mm/phút) Thời gian cơ bản tiện tinh đoạn trục. T0= ==0,19 (phút). Kết luận Đề tài tốt nghệp được thực hiện trong 3 tháng, kết quả thu được tuy chưa được hoàn hảo, nhưng chúng em đã nhận thức được phương pháp làm việc, từ việc tìm hiểu các thiết bị thực tế đến việc tính toán, thiết kế và lắp đặt được hệ thống module đo lường trên mô hình thí nghiệm. Bước đầu các kết quả đã thu được: 1/ Về thiết bị -Nắm vững cấu tạo cũng như nguyên lí hoạt động của các thiết bị (Bộ hiển thị TD 200, các cảm biến, bộ điều khiển lôgic khả trình PLC..). - Cách kết nối các thiết bị trong hệ thống 2/ Về phần cứng: Nắm được cách ghép nối, cách truyền thông giữa máy tính và PLC thông qua cổng truyền thông trên PLC, cách ghép nối giữa PLC và bộ hiển thị TD 200. 3/ Về phần mềm: Lập trình điều khiển hệ thống bằng ngôn ngữ STL 4/ Nắm vững qui trình công nghệ chế tạo chi tiết cơ khí, các cơ cấu cơ khí được sử dụng trong quá trình gia công( Đồ gá, đồ định vị, kẹp chặt…), tính toán các chế độ cắt, lực kẹp, chọn máy, dụng cụ cắt, ổ lăn….. Trong khoảng thời gian ngắn làm đồ án, với kiến thức còn hạn chế, được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo trực tiếp hướng dẫn và các thầy cô trong bộ môn đã giúp đỡ về các trang thiết bị thí nghiệm, các tài liệu tham khảo tạo mọi diều kiện để chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp của mình được kết quả tốt. Hướng phát triển Trên cơ sở nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như xây dựng được mô hình mô phỏng với các thiết bị trong phòng thí nghiệm là nền tảng để có thể phát triển thêm hệ thống mođul đo lường theo chiều hướng thực tiễn. + Thay vì hiển thị lên TD 200 , chúng ta có thể lập trình để hiển thị lên máy tính với phần mềm Visual Basic. + Tính toán, thiết kế một cách chi tiết và đầy đủ toàn bộ hệ thống( bao gồm phần cơ khí và phần lập trình điều khiển).