Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

LỜI NÓI ĐẦU
Đối với mỗi kĩ sư cơ khí, việc thiết kế các chi tiết cơ khí, cơ cấu cơ khí,
đến các các cụm máy thực hiện các công việc phục vụ cuộc sống là hết sức thú
vị, và sẽ tuyệt vời hơn nếu chúng ta tự động hóa các cơ cấu cơ khí đó giúp máy
móc thông minh và hoàn thiện hơn trong từng công việc.
Trong tất cả các học phần của chương trình đào tạo, học phần thiết kế hệ
thống điều khiển tự động yêu cầu mỗi sinh viên ngành cơ khí bên cạnh việc thiết
kế ra các cơ cấu cơ khí còn phải biết thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho
chúng. Là học phần duy nhất , nếu không kể học phần đồ án tốt nghiệp, sinh
viên tự làm ra một bản demo mô hình máy. Là học phần tổng hợp kiến thức của
nhiều môn học quan trọng liên quan, nhất là: Truyền động thủy lực khí nén, Chi
tiết máy, kĩ thuật điều khiển và lập trình PLC, nguyên lý máy…áp dụng chúng
vào thực tế trên cơ sở chế tạo mô hình.
Đây là lần đầu tiên chúng em trực tiếp áp dụng kiến thức vào việc chế tạo
mô hình máy, còn thiếu kinh nghiệm và hiểu biết, quá trình công việc muốn
thành công còn nhờ rất nhiều vào sự hướng dẫn của quý thầy cô tận tâm hướng
dẫn.
Xin gửi lời cám ơn đến các thầy cô đã, đang và sẽ dạy dỗ, truyền đạt kiến
thức cho chúng em và thầy Trần Ngọc Hải, giáo viên trực tiếp hướng dẫn đề tài.
Đà Nẵng, Ngày 10 tháng 03 năm 2016
Sinh Viên Thực Hiện
Nguyễn Văn Điệp
Võ Hồng Long

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 1

12

Chương 4: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển
IV.1.Cơ Sở Lý Thuyết Ứng Dụng Cho Đề Tài
IV.2.Lựa Chọn Thiết Bị Điều Khiển.
IV.3. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển.

16
16
16
23

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 2


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
I.1.Giới Thiệu Đề Tài:
I.1.1 Đặt vấn đề:
Ngày nay, trong các nhà máy xí nghiệp không thiếu những dây chuyền sản
xuất nhằm nâng cao năng suất đáp ứng nhu cầu nhà sản xuất và người tiêu dùng.
Là một kĩ sư cơ khí, công việc sau này có thể làm việc trong những nhà máy
như vậy, hoặc tự mình chế tạo sản xuất cung ứng các dây chuyền sản xuất đó
cho nhà sản xuất trong nước giảm nguồn nhập khẩu để ngày càng tự chủ hơn về
mặt công nghệ. Do đó việc tìm hiểu các dây chuyền sản xuất trong thực tế là hết


Page 3


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

I.1.5. Ý Nghĩa Khoa Học Và Thực Tiễn Của Đề Tài:
Đề tài có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo cơ bản trong lĩnh vực
chiết rót, đóng nắp chai tự động.
I.2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT ỨNG DỤNG:
I.2.1. Phần Kết Cấu Cơ Khí:
Kết cấu cơ khí dựa trên việc tham khảo các kết cấu ứng dụng trong các dây
chuyền trong thực tế, các tài liệu về thiết kế hệ thống tương tự trên tinh thần học
hỏi, kế thừa và phát triển đề tài. Bên cạnh đó căn cứ vào những hiểu biết của bản
thân trong các vấn đề: Nguyên lý máy, chi tiết máy, sức bền vật liệu ... để tính
toán và thiết kế các cơ cấu cơ khí thực hiện nhiệm vụ chiết rót và đóng nắp chai.
Ứng dụng các phần mềm thiết kế: Autocad, Solidwork,... để tính toán và
thiết kế các kết cấu cơ khí của máy.
I.2.2.Phần Điều Khiển:
Dựa trên phương pháp điều khiển bằng điện - khí nén, điều khiển logic, Lý
thuyết về truyền động thủy lực khí nén và kĩ thuật điều khiển và lập trình PLC
để lựa chọn phương pháp điều khiển và thiết kế mạch điện điều khiển.
Ứng dụng các phần mềm mô phỏng để mô phỏng quá trình điều khiển :
Automation Studio ứng dụng trong việc mô phỏng mạch điện – khí nén...

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 4

vị trí rót nước và đóng nắp chai trên cung tròn thì ngừng lại. Khi kết thúc quá
trình chai di chuyển theo băng tải thứ 2 về về vị trí kết thúc.
Ưu điểm:
+ Tốc độ làm việc cao nên hiệu suất cao hơn.
+ Quá trình làm việc liên tục.
Nhược điểm:
+ Kết cấu máy phức tạp hơn.
+ Giá thành cao.
Với những phân tích như trên ta chọn Phương Án Rót Nước Và Đóng Nắp
Theo Đường Tròn
II.2.THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC:
II.2.1.Cơ cấu cấp chai:

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 6


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

Trong đó:
1. Băng tải.
2. Đĩa quay cấp chai.
Chai được chứa trong đĩa quay, sẽ được dẫn đến bang tải và đi vào đĩa
quay để tiến hành chiết rót nước và đóng nắp chai.
Tốc độ quay của đĩa cấp chai điều chỉnh phù hợp với tốc độ làm việc của
đĩa quay chính, và chai không bị nghiêng ngã.
Tốc độ băng tải phải đảm bảo chai vận chuyển trên băng tải ko quá nhanh,

đóng nắp chai được đặt trên 1 cung tròn, chai được dẫn động trên cung tròn nhờ
vào đĩa mang chai.
Trên đĩa được chia làm 6 vị trí có thể mang chai, đĩa được dẫn động quay
tròn và mang chai từ băng tải cấp chai đến nơi chiết rót nước và đóng nắp chai.
Để đĩa quay dừng đúng vị trí chiết rót và đóng nắp, ngoài việc gắn cảm biến
SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 8


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

quang nhằm phát hiện để ngắt động cơ, do đĩa có quán tính nên có bộ phận giữ
đĩa không bị vọt quá vị trí làm việc.
Để giảm bớt ảnh hưởng do quán tính của đĩa quay gây ra, chọn tốc độ quay
của đĩa có giá trị vừa phải n =10 vòng/phút.

II.3 Bản Vẽ Nguyên Lý Chung:

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 9


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải


η

η




là hiệu suất các bộ truyền động cơ khí, lấy = 0.98
Mx là momen xoắn, nó được xác định theo công thức
M x = G. fms . R[N .m ] = 1.0,1.0,15=0,015[N.m]
G là trọng lượng của 1 chai, tổng có tối đa 4 chai trên đĩa, mỗi
chai có khối lượng 100 gram, do đó G xấp xĩ 1N
• fms là hệ số ma sát giữa tấm đỡ bằng gỗ và đáy chai, lấy fms = 0.1
• R là bán kính đĩa quay, R = 15 cm.
n là tốc độ quay của đĩa, n = 10 vòng/ phút.
L là momen động lượng của đĩa
2
L = I .ω = 0, 0225.1, 05 = 0.024[ kg .m / s ]
•




I là momen quán tính đĩa quay.
1
2 1
2
2
I = m.r = 0, 5.0, 3 = 0, 0225[ kg .m ]
2

Các thông số chủ yếu của động cơ được chọn để quay đĩa mang chai:
+ Điện áp định mức: U =24V
+ Công suất định mức: P =25W
+ Tốc độ đầu ra định mức: n =100 vòng/phút.
Để giảm tốc độ đầu ra động cơ, ta chọn giải pháp giảm điện áp cấp cho động cơ
và mắc nối tiếp trở công suất, không sử dụng bộ truyền cơ khí để giảm tốc.

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 11


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

b. Động Cơ Quay Băng Tải:
Băng tải có các thông số:
+ khoảng cách trục a = 50 cm.
+ đường kính tang D = 30 mm.
+ chiều dài tang l = 80 mm.
+ bề rộng băng tải: B = 50mm.
+ Chiều dài dây băng tải L = 130 cm, có cơ cấu căng đai.
+ tốc độ băng tải v = 0.2 m/s.
+ Băng tải được làm từ vật liệu tấm da mỏng có chiều dày 1mm
Từ các thông số trên, ta cần tính chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu.
Bỏ qua khối lượng của tang.
Lực căng băng tải ban đầu:
F0 = 20 N.
Lực căng phụ trên các nhánh băng tải do lực ly tâm khi băng tải vòng qua tang

1

+
α1

:

α1 = 2π

là góc ôm trên bánh đai dẫn,
f là hệ số ma sát thay thế( hệ số ma sát tương đương) giữa bánh
đai và dây đai, f = 0.1
λ −1
1.87 − 1
Ft = 2 F0 .
= 2.20.
= 12,1N
λ +1
1.87 + 1
Suy ra:
Suy ram omen xoắn cần thiết trên tang:
D
0.3
T1 = Ft . = 12,1.
= 1,8[N .m]
2
2
Xác định công suất truyền động cho tang:
T .v
1,8.0,2

III.2.Tính Toán Các Cơ Cấu Chính Của Máy:
a. Cơ Cấu Đĩa Chính:
Đĩa Chính được làm bằng vật liệu mica, có chiều dày 5mm ( tận dụng từ
nguồn hiện có) Được tạo 6 lỗ tại 6 vị trí cách đều nhau, là nơi mang các chai vào
vùng làm việc. Về cơ bản, kết cấu đĩa chính được thể hiện như hình dưới.
Cơ Cấu Cần Gạt nhằm mục đích giữ cho đĩa không quay lệch quá( do
quán tính) vị trí làm việc đảm bảo dừng đúng vị trí làm việc để quá trình cấp
nước và đóng nắp diễn ra không có lỗi.
Kết cấu đĩa chính có cơ cấu cần gạt vì do hạn chế của phương pháp điều
khiển không thể dừng chính xác vị trí.
Đĩa Chính có kích thước:
+ đường kính D = 30 cm
+ dày h =5 mm
+ 6 vị trí mang chai có thể là hình cung tròn hoặc hình chữ nhật có
kích thước phù hợp chai, có kích thước cụ thể thể hiện trên hình vẽ.

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 14


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

Để trong quá trình mang chai, chai không bị lệch đĩa chính đặt cao không
quá bán chai.
Đồng thơi tốc độ quay của đĩa không quá nhanh đảm bảo chai vẫn giữ
nguyên vị trí thẳng đứng không nghiêng ngã.
Tốc độ quay của đĩa : n =10 vòng/phút.


+

là hiệu suất hút nước của cơ cấu hút nước. Thực tế kiểm chứng

ta có = 0.75
Ta xác định được hành trình xylanh cần thiết : l = 30 mm.

Trong đó:
1. Xylanh
2. Bơm tiêm hút nước
3. Ống dẫn nước ra
4. Lớp bọc cao su

5.Ống nối
6. Lớp bọc cao su
7. Ống hút nước từ bể
8. Bể nước

c. Cơ Cấu Băng Tải:

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 16


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải


d.Cơ Cấu Cấp Nắp:

Trong đó:
Vị trí nắp rơi xuống chai cần đóng.
Xylanh đóng nắp.
Xylanh cấp nắp.
Ống chứa nắp
Nắp được đặt trong ống 4 thẳng đứng, dưới tác dụng của trọng lực nắp sẽ rớt
xuống băng rãnh trượt khi xylanh lùi về cuối hành trình.
Mỗi lần chỉ có 1 nắp rơi xuống băng trượt.
Ống mang nắp (4) có các kích thước:
+đường kính D = 25 mm
+ chiều dài l = 100 mm
Bề rộng băng dẫn nắp B = 28 mm, có kích thước xấp xỉ đường kính nắp chai, để
định hướng trượt cho nắp tốt.
1.
2.
3.
4.

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
IV.1.Cơ Sở Lý Thuyết Điều Khiển Ứng Dụng Cho Đề Tài:
Phương pháp điều khiển được sử dụng là Điện –Khí Nén.
Ưu điểm: Đơn giản, dễ thực hiện.
SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 18


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

việc sau đó xylanh C thực hiện hành trình làm nhiệm vụ đóng nắp chai. Khi 2
xylanh B và C thực hiện xong hành trình của mình, động cơ được cấp điện, đĩa
chính quay mang chai đến Bằng tải 2 đưa chai ra ngoài.
+ Chu trình cứ được thực hiện tương tự như trên. Vị trí nào có tín hiệu
cảm biến phát hiện chai, thì các xylanh được cấp khí thực hiện nhiệm vụ tương
ứng tại vị trí đó.
b. Các Phần Tử Điều Khiển Được Sử Dụng:
Để thực hiện các nhiệm vụ trong phần nguyên lý của máy, loại trừ 2 động
cơ băng tải hoạt động lien tục không cần điều khiển, còn lại có 3 xylanh A,B,C
và 1 động cơ đĩa chính cần được điều khiển phối hợp để thực hiện nhiệm vụ rót
nước và đóng nắp chai.
Bên cạnh 4 cơ cấu cần điều khiển, có 2 tín hiệu cảm biến quang x và y ở 2
vị trí rót nước và đóng nắp có nhiệm vụ phát hiện chai.

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 19


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

Xylanh A rót nước( a0 và a1 là 2 công tắc hành trình).

Xylanh B cấp nắp( b0 và b1 là 2 công tắc hành trình).

Van điện từ được sử dụng ở đây là loại van solenoid 5/2 1 nam châm, điện
áp kích cuộn dây là 24V.


cơ.
Động cơ kéo băng tải lựa chọn ở đây là loại động cơ DC 24V, công suất
15w, tốc độ không tải đầu ra là 200 vòng/phút( Đã qua giảm tốc). Động cơ này

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 22


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động

GVHD: Trần Ngọc Hải

được cấp điện hoạt động mỗi khi máy được cấp nguồn hoạt động. Tổng cộng có
2 động cơ kéo băng tải

Động cơ quay trục chính được lựa chọn ở đây là loại động cơ DC 24V công
suất 20W, có giảm tốc lớn để tốc độ đầu ra nhỏ đáp ứng sai lệch vị trí mỗi lần
đóng ngắt động cơ, động cơ dừng đúng vị trí cần thiết. Bên cạnh chọn loại động
cơ có giảm tốc, đồng thời giảm điện áp cung cấp cho động cơ ( cấp điện áp cho
động cơ bằng 6V) và gắn trở công suất để hạn dòng đã cho tốc độ động cơ vừa
phải xấp xỉ n = 10 (vong/phút) đáp ứng được nhu cầu điều khiển chính xác vị trí
dừng của đĩa chính một cách tương đối.

SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 23


Đồ Án TK HT Điều Khiển Tự Động


SVTH: Nguyễn Văn Điệp - Võ Hồng Long - 12C1B/C-BKĐN

Page 25