Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo bộ điều khiển dừng vị trí chính xác của xylanh khí hành trình đến 2000mm trong trường hợp tải quán tính lớn

1 của dàn hút tấm là trùng với đ−ờng tâm băng tải 2, dàn dỡ – hút khuôn trùng với bàn nâng hạ khuôn. Một chu kỳ làm việc của thiết bị bao gồm các b−ớc sau: B−ớc 1: Từ vị trí 2.a, dàn hút khuôn đi xuống vị trí 2.b để hút khuôn trên chồng tấm và khuôn sếp xen kẽ, dàn hút tấm đi từ vị trí 2.a xuống vị trí 2.b để nhả tấm vừa đ−ợc hút tại vị trí 2 (trong chu kỳ làm việc tr−ớc đó). B−ớc 2: Sau khi hút khuôn và nhả tấm xong, hai dàn đ−ợc nâng vị trí ban đầu (1.a và 2.a). B−ớc 3: Xe con di chuyển sang phải, dàn hút tấm đến vị trí số 2.a. Dàn hút – dỡ khuôn đến vị trí 3.a (vị trí bàn đặt khuôn). B−ớc 4: Dàn hút tấm đi xuống vị trí 2.b, tấm sóng trên dàn tạo sóng đ−ợc hút lên . Dàn hút – dỡ khuôn đi xuống vị trí 3.b nhả khuôn ra. B−ớc 5: Hai dàn đ−ợc nâng lên, dàn hút tấm trở về vị trí 2.a, dàn hút – dỡ khuôn trở về vị trí 3.a. B−ớc 6: Xe con di chuyển về phía trái, dàn hút tấm trở về vị trí 1.a, dàn hút – dỡ khuôn trở về vị trí 2.a; Đến đây một chu kỳ làm việc của thiết bị kết thúc, một chu kỳ là việc tiếp theo bắt đầu đ−ợc lặp lại. Giữa các bước thao tác cả thời gian nghỉ gian nghỉ để hệ thống cơ khí cụ thể đáp ứng được với điều khiển. Như vậy thời gian cho một chu kỳ làm việc của thiết bị sẽ được tính theo công thức là: TChukì=Xuống+Dừng+Lên+Dừng+Phải+Dừng+Xuống+Dừng+Lên+Dừngt+Trái+ Dừng. 7 e. Di chuyển ngang của xe dẫn động cơ khí( bánh răng, thanh răng). Hình 2.2. Sơ đồ truyền động xe con * Nh−ợc điểm của cơ cấu di chuyển ngang kiểu banh răng- thanh răng: - Hệ thống cơ khí phức tạp nhiều phần tử nên gây khó khăn trong việc chế tạo và lắp đặt. - Sau thời gian làm việc bộ truyền bánh răng thanh răng bị dơ làm cho xe con đỗ dừng bị sai vị trí. - Bộ truyền bánh răng – thanh răng khi di chuyển tốc độ cao bị kêu và rung nhiều. 1.3. Sơ đồ dẫn động cơ cấu di chuyển ngang bằng xylanh khí nén. a. Sơ đồ dẫn động bằng xylanh khí cơ bản. Hình 1.Sơ đồ dẫn động Hệ trên bao gồm xylanh khí 1 đ−ợc nối với xe 2. Khi pittông dịch chuyển trong xylanh sẽ làm cho xe dịch chuyển sang trái hoặc sang phải. 8 *Ưu điểm: - Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo. - Di chuyển êm, trơn hơn cơ khí. *Nh−ợc điểm: - Khó điều khiển quá trình tăng tốc, giảm tốc , dừng vị trí chính xác. b. Các ph−ơng pháp điều khiển. Hệ thống điều khiển các truyền động khí nén phải đảm bảo việc đóng mở các van phân phối với các điều kiện làm việc đã cho. Các ph−ơng pháp thực hiện chúng rất đa dạng . Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc đ−ợc cho d−ới dạng các chu trình (biểu đồ) làm việc. Đó là một dạng đồ thị qui −ớc biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành. Chu trình dịch chuyển là một trình tự xác định dịch chuyển của cơ cấu chấp hành mà sau khi thực hiện xong chúng lại trở về vị trí ban đầu Các hệ truyền động khí nén làm việc theo chu trình đ−ợc chia theo kiểu điều khiển thành ba nhóm: Điều khiển theo vị trí: Hình 2: Xylanh khí điều khiển theo vi trí. Trong sơ đồ nay vị trí tận cùng đ−ợc kiểm tra bằng các cảm biến vị trí X11, X12. Từ các cảm biến X11, X12 các tín hiệu về vị trí của các cơ cấu chấp hành đ−ợc báo tới hệ điều khiển, trên cơ sở đó tạo lập các lệnh điều khiển f và f .Trong các hệ điều khiển khí nén các cảm biến vị trí trên th−ờng là các van hành trình 3/2 9 th−ờng ngắt( ở vị trí đầu cửa ra của van nối với đ−ờng xả) hoặc th−ờng mở( ở vị trí đầu cửa ra của van nối với áp suất nguồn). Hệ điều khiển có thể còn bao gồm các công tắc khí nén, công suất khởi động, các thiết bị giữ chậm, các phần tử lôgíc… Số các cơ cấu chấp hành đ−ợc điều khiển trong hệ thống có thể là 1, 2, 3… hoặc hơn nữa. Hệ điều khiển theo thời gian: Hình 3: Sơ đồ hệ điều khiển theo thời gian bằng cơ cấu cam. Trong sơ đồ này thời gian thực hiện một chu trình đ−ợc xác định bằng cơ cấu cam. Thời gian thực hiện và đ−ờng phân các chu kỳ riêng biệt của nó ở đây đ−ợc xác định bởi profin của cam 1 và vận tốc quay( W) của nó. Thời gian của từng b−ớc hoặc của cả chu trình làm việc có thể cho tr−ớc bằng rơle thời gian các loại, đ−ợc nối tiếp nhau trong hệ thống . 10 Hình 4: Sơ đồ hệ điều khiển theo thời gian bằng rơle thời gian. Trong sơ đồ này đ−ờng rơ le thời gian để đặt thời gian cho mọi chu trình làm việc của xi lanh khí nén, phanh khí nén và động cơ khí nén. - Hệ điều khiển theo áp suất: Các hệ điều khiển theo áp suất coi nh− các biến thể của hệ điều khiển theo vị trí. Chúng đ−ợc sử dụng trong các tr−ờng hợp khi pittông dịch chuyển những khoảng khác nhau phụ thuộc vào khích th−ớc của các chi tiết đ−ợc gia công, hoặc do khó khăn trong việc lắp đặt các công tắc cuối hành trình với cần píttông v−ơn dài. Để điều khiển các van phân phối, trong tr−ờng hợp này cần sử dụng các van nối liên tục. Hình 5: Sơ đồ hệ điều khiển xylanh theo áp suất. 11 Nguyên lý làm việc của nó nh− sau: Van 5 sẽ làm việc ở cuối hành trình của pittông do hiệu áp suất trong các khoang của xi lanh 1. Khi làm việc sẽ có một xung áp suất đ−a tới van phân phối 2, chuyển nó về vị trí đầu. Vị trí ban đầu của pittông đ−ợc kiểm tra bằng công tắc hành trình 3. Để pittông dịch chuyển về phía tr−ớc sử dụng công tắc khởi động 4. Nh−ợc điểm của cách điều khiển d−ới là khi tải thay đổi đột ngột, hoặc khi các thông số khí thay đổi , chuyển động của cơ cấu chấp hành có thể xảy ra tr−ớc. Bởi vậy, các hệ điều khiển theo vị trí, trong đó chuyển động của từng cơ cấu chấp hành có thể bắt đầu theo một trình tự vị trí xác định của tất cả các cơ cầu chấp hành còn lại là phổ biến nhất trong các hệ thống truyền động – tự động khí nén. Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ, để đ−a tín hiệu tới đổi vị trí các van phân phối, ngoài vị trí của các cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạt các thông tin về đối t−ợng đ−ợc gia công, dụng cụ, các vấn đề về an toàn lao động… Ngoài ra, hệ thống điều khiển cần tính đến khả năng phải thay đổi trình tự chuyển động của các cơ cấu chấp hành, can thiệp của ng−ời điều khiển tại từng công đoạn bất kỳ của chu trình làm việc và các yếu tố khác. - Điều khiển theo lôgíc ( Điều khiển số) Trong các hệ khí nén phức tạp của các máy công nghệ, để đ−a các tín hiệu đến đổi vị trí các van phân phối, ngoài vị trí của các cơ cấu chấp hành, cần tính đến một loạt các thông tin về đối t−ợng đ−ợc gia công, dụng cụ, các vấn đề về lao động… Ngoài ra hệ điều khiển còn tính đến khả năng phải thay đổi trình tự chuyển động của các cơ cấu chấp hành, can thiệp của ng−ời điều khiển tại từng công đoạn bất kỳ trong chu trình làm việc và các yếu tố khác. Đa số các hệ thống tự động sử dụng trong thực tế, trong đó kể cả các hệ thống truyền động – tự động khí nén, thuộc nhóm các hệ thống điều khiển ngắt quãng. Hệ điều khiển của các hệ thống tự động này đ−ợc xây dựng dựa trên cơ sở lý thuyết điều khiển lôgíc. 12 Hình 6: Sơ đồ hệ điều khiển xylanh theo ph−ơng pháp điều khiển số. Hệ thống bao gồn khối điều khiển lôgíc với các đầu vào P1, P2,…Pn; X1, X2…Xn và các đầu ra Z1, Z2…Zn; Các phần tử nhỏ dạng trigiơ có các đầu vào riêng biệt V10…V50 và các đầu ra Y1, Y2…Yn. Tổng hợp giá trị của các tín hiệu trong chúng xác định trạng thái trong khối điều khiển lôgíc. Các tín hiệu X1, X2…Xn đ−ợc đ−a đến khối điều khiển lôgíc từ các cảm biến vị trí( Các công tắc hành trình), Các tín hiệu P1, P2…Pn đến từ các sơ đồ kiểm tra đặc biệt, gọi là các khối kiểm tra điều kiện lôgíc. Tại đầu vào của một b−ớc bất kỳ trong chu trình làm việc, từng bộ phận công tác sẽ đè lên các công tắc hành trình t−ơng ứng. Nói cách khác, vị trí của chúng đ−ợc xác định bởi công tắc hành trình đó. Các tín hiệu vào t−ơng ứng ( X1, X2…Xn – tín hiệu chính) sẽ có những giá trị cụ thể xác định. Tiếp theo trong quá trình chuyển động của một bộ phận công tác nào đó tới vị trí xác định mới, sẽ có ít nhất một công tắc hành trình đ−ợc giải phóng( không bị đè) tức là có giá trị không xác định. Các tín hiệu chính ở đầu vào lôgíc do vậy cũng có giá trị không xác định. Tuy nhiên, ở trạng thái này, bộ phận công tác của bộ truyển động cơ sở vẫn phải tiếp tục giữ chuyển động theo ph−ơng h−ớng đã có cho đến tận cuối b−ớc. 13 Vì vậy, khối điều khiển lôgíc vẫn phải đảm bảo các tín hiệu đầu ra với giá trị không đổi đã có tr−ớc đó t−ơng ứng với đầu b−ớc chuyển động, tức là t−ơng ứng với các giá trị xác định của các tín hiệu chính ở đầu b−ớc. Đây chính là một trong những yêu cầu xác định cấu trúc của hệ điều khiển lôgic. Cách xây dựng hệ thống điều khiển lôgic cho phép giảm đ−ợc số phần tử dùng trong khối điều khiển, đơn giản hoá đ−ợc các mô tả điều kiện làm việc và tổng hợp hệ điều khiển. 1.4 Hệ truyền động khí nén có hãm cuối hành trình. Một trong những hạn chế cơ bản của các hệ truyền động khí nén là dễ xảy ra va đập cuối các hành trình, đặc biệt là khi chúng làm việc với tải nặng và vận tốc lớn. Vì vậy, việc đảm bảo cho các hệ khí nén dừng nhẹ nhàng ở cuối các hành trình là điều quyết định trong các hệ truyền động khí nén. Việc tính toán quá trình hãm và các thiết bị hãm cho chúng là một b−ớc cần thiết mang tính chất bắt buộc, khi chọn các thông số làm việc cho hệ thống. Cơ cấu điều khiển tốc độ trực tiếp của cơ cấu công tác bao gồm van tiết l−u và van một chiều th−ờng gọi là thiết bị điều khiển tốc độ. Cách gọi nh− vậy thực tế không hoàn toàn đúng nghĩa, bởi vì van tiết l−u đ−ợc chỉnh ngay từ ban đầu khi cơ cấu chấp hành làm việc và trong quá trình chuyển động tình trạng của van tiết l−u không thay đổi. Bởi vậy đúng nghĩa của nó phải gọi là cơ cấu cài đặt thời gian hành trình chuyển động. Phụ thuộc vào cách lắp đặt van tiết l−u và van một chiều ta phân biệt hai ph−ơng pháp điều khiển tốc độ thiết bị công tác. Tiết l−u ở đầu vào( đầu cấp khí) và tiết l−u ở đầu ra (đầu thoát khí) nh− hình 7. 14 Hình 7: Biểu đồ thay đổi áp suất với tiết l−u đầu vào và tiết l−u đầu ra Ta hãy xét quá trình tiết l−u đầu cấp khí đ−ờng cong thay đổi áp suất của một chu kỳ là đ−ờng nét liền trên đồ thị. Để đơn giản bài toán ta hãy giả thiết trong một số thời điểm dừng chuyển động của pittông và chênh áp suất BPPP −=∆ = const. Vào thời điểm A lực cản đột ngột giảm. Khi đó tốc độ pittông tăng, áp suất P trong khoang chứa giảm do thay đổi thể tích( giảm). Việc xác lập chênh lệch áp suất ∆P1 t−ơng ứng với nghĩa là có tải mới t−ơng ứng. Nếu sau đó lực tăng ở thời điểm B thì quá trình xảy ra ng−ợc lại. Chênh lệch áp suất là ∆P2 . Khi tăng tải trọng một cách đáng kể, pittông không chỉ chậm lại hành trình, mà có thể dừng lại một số thời điểm đến khi chênh lệch áp suất ch−a đạt đ−ợc giá trị cần thiết. Cũng nh− việc chống rơi áp( chênh lệch áp) trong tr−ờng hợp quá nhỏ, có thể bằng biện pháp thay đổi áp suất trong khoang chứa một cách từ từ( tr−ớc và sau đặt tiết l−u ở lối vào). Nh− vậy, quá trình đệm trung gian chiếm thời gian khá lớn. Khi đó truyền động tr−ớc và sau không có “ đệm khí” sẽ gần tính chất chuyển động một h−ớng. 15 Bây giờ ta tiếp tục phân tích tiết l−u ở đầu ra. Trong tr−ờng hợp này trong khoang cấp khí áp suất tăng nhanh( Xem đồ thị nét đứt). Xong thời gian chuẩn bị cho chu trình tI’ kéo dài hơn. T−ơng tự nh− vậy cho thời gian xác lập chênh lệch áp suất, ổn định và xác lập tải mới dài hơn, đó là nh−ợc điểm. Phân tích đồ thị trên ta thấy khi tiết l−u ở đầu ra, thời gian chuyền động cho chu trình có giá trị lớn hơn nhiều so với việc tiết l−u ở đầu vào. Song ph−ơng pháp này có đặc tính mềm và ít nhạy cảm với việc thay đổi tải trọng. Việc phân tích trên khí tiết l−u thực ra ch−a tính đến các yều tố công suất và các yếu tố khác. Điều đó ta phải chú ý trong các bài toán cụ thể. Ngoài ra việc xử dụng van tiết l−u nhằm giảm tốc lực trong toàn bộ hành trình của píttông nhằm đảm bảo ổn định và tránh va đập cuối hành trình không phải lúc nào cũng đạt đ−ợc, bởi vì nó lại gây ra việc kéo dài thời gian chu trình. Do đó, cần phải nghiên cứu quá trình phanh trong truyền động khí nén. Phanh trong truyền động khí nén đ−ợc thực hiện bằng các thiết bị và biện pháp khác nhau. Thông th−ờng thực hiện bằng ph−ơng pháp đối áp của cơ cấu phanh chuyên dụng. Trong tr−ờng hợp cần phanh truyền động đã có sẵn thì tốt nhất là sử dụng thêm bình chứa( bình tích khí) với van tiết l−u. Xem hình 8 Hình 8: H∙m băng cách dùng bình tích áp. 16 Trong lúc đầu của chu trình khí trong bình tích có áp suất bằng áp suất khí quyển. Khi đó pittông chuyền động tăng tốc, sau đó trong bình tích khí áp suất tăng và chuyền động pittông đ−ợc phanh lại. Kích th−ớc bình tích khí có thể xác định bằng con đ−ờng tính toán, hoặc thí nghiệm trong đó tiện lợi nhất đo bằng cách đổ đầy dần trong bình tích khí. Trong tất cả các ph−ơng pháp thì năng l−ợng động năng phanh của khối l−ợng truyền đồng truyền sang cũng nén khí, liên quan l−ợng khí trong khoang xả trong thời điểm phanh, tỷ số nén khí và quá trình nhiệt động học liên quan. Trong một số tr−ờng hợp khi khối l−ợng lớn và di chuyển tốc độ cao thì quãng đ−ờng phanh là t−ơng đối lớn thì kinh tế nhất là chọn thời gian khởi động gần nh− thời gian phanh. Nh− vậy hợp lý nhất phải điều khiển tốc độ trong suốt quá trình truyền động hoặc phải giảm khối l−ợng truyền động. Với biện pháp nh− vậy thì hành trình phanh và thời gian phanh có giá trị gần bằng thời gian và hành trình khởi động. Một trong những ph−ơng pháp hẵm cơ bản là tạo đệm khí đối áp cuối hành trình bằng cách làm giảm đột ngột tiết diện đ−ờng xả. Để thực hiện đ−ợc điều này tác giả sử dụng thiết bị hãm ngoài (van hãm). Van hãm ngoài th−ờng có kết cấu gồm một tiết l−u mắc song song với một van một chiều và một van hành trình kiểu 2/2 th−ờng mở, đ−ợc lắp trên hình 2-14a. Hình 9: H∙m bằng cách lắp tiết l−u ngoài. 17 Khí nén từ mạng khí nén chảy vào khoang làm việc qua van một chiều 1, khí từ khoang xả phần lớn thoát qua van vành xuyến 5 và một phần qua van tiết l−u 4. Khi píttông 2 chồng lên van trung tâm, khí nén thoát ra chỉ qua van tiết l−u 4. Khi đó khí trong khung xả bị nén, phanh chuyển động pítttông các định bằng trạng thái van tiết l−u. Khi pittông trở về vị trí ban đầu d−ới tác dụng của khí chảy qua van một chiều 5. Ngoài ph−ơng pháp hãm ngoài còn có ph−ơng pháp hãm trong, các thiết bị hãm trong có kết cấu và làm việc cũng t−ơng tự nh− van hãm ngoài; ở đây, vai trò của van hãm cuối hành trình đ−ợc thực hiện bởi pittông, khi đến gần cuối hành trình nó sẽ bịt đ−ờng khí chính và khí nén chỉ có thể đi qua tiết l−u trong để xả ra ngoài khí quyển. Trong tr−ờng hợp này việc hiệu chỉnh quãng đ−ờng hãm hầu nh− không thực hiện đ−ợc và độ lớn của nó phụ thuộc vào kết cấu xylanh. . Hình 10: H∙m bằng cách dùng tiết l−u trong Ngoài hai cách trên, có thể giảm tiết diện đ−ờng xả bằng cách bố trí các kênh xả (có tiết diện khác nhau) ngay trên thành xylanh ở cuối các hành trình pitông. Khi pittông đến cuối hành trình nó sẽ lần l−ợt bịt dần các kênh xả và vận tốc của nó giảm dần cho đến khi dừng hẳn. Trong tất cả các ph−ơng pháp hãm nh− vậy, động năng của khối l−ợng chuyển động đều chuyển thành công nén khí nén đ−ợc hình thành trên cơ sở l−ợng khí có trong khoang xả tại thời điểm hãm. Với các hệ truyền động khí nén có khối l−ợng chuyển động lớn, làm việc với vận tốc lớn nh− xe con của máy dỡ tải chân không quãng đ−ờng hãm có thể có trị số lớn (tức là thời gian hãm lớn) làm cho việc tiết kiệm thời gian chạy đà hoàn toàn 18 mất ý nghĩa. Trong tr−ờng hợp này, hoặc phải điều chỉnh tốc độ trên cả hành trình hoặc phải giảm khối l−ợng chuyển động của hệ thống. Khối l−ợng hệ thống thì không thể giảm đ−ợc, nếu điều chỉnh tốc độ trên toàn bộ hành trình xylanh cũng làm giảm tốc độ của xylanh. Trong tr−ờng hợp đề tài tác giả sử ph−ơng pháp hãm kết hợp vừa làm giảm tiết diện đ−ờng xả để làm giảm tốc độ xylanh, đồng thời kết hợp với phanh khí nén ở cuối hành trình. 19 Ch−ơng 2: Tính toán, mô phỏng truyền động của thiết bị 2.1. Tính toán và chọn thông số xylanh khí: 2.1.1. Lực cản : Với đề tài “ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị dỡ tải chân không dùng trong công nghiệp sản xuất tấm lợp”. Khối l−ợng của xe di chuyển trên ray là 1400 kg, 4 bánh xe di chuyển trên ray. Để di chuyển thiết bị trên ray, cần phải có một lực đủ lớn để thắng lực cản tĩnh. Lực cản tĩnh: (Tài liệu tham khảo 1) WbWk D dfGW ykp k ict +++=∑ .2.. à (1) Với : ∑ iG : Tổng tải trọng đặt lên bánh xe : )(1400 kgMGi ==∑ f : Hệ số ma sát giữa cổ trục lắp ổ bi; f = 0.015 kd : Đ−ờng kính cổ trục lắp ổ bị; )(70 mmdk = =7(cm) :à Hệ số ma sát lăn giữa bánh xe và ray; 03,0=à kD : Đ−ờng kính bánh lăn : )(200 mmDk = =20(cm) :pk Hệ số tính đến của gờ bánh xe với ray ; Với bánh xe không gờ có 1.1=pk :ykW Lực cản do độ dốc của ray; với ray không dốc 0=ykW 20 bW : Lực cản gió; Trong nhà x−ởng : 0=bW Thay các giá trị trên vào công thức )(7.121,1. 20 03.0.27.015,01400 kgWct =+= 2.1.2. Tính toán sơ bộ gia tốc Với yêu cầu về thời gian, khoảng cách và tốc độ điều khiển sau; Thời gian xe đi hết hành trình: t = 4,5(s) Thời gian yêu cầu đạt vận tốc lớn nhất: )(11 st = Vận tốc lớn nhất : )/(55,0max smv = Hành trình lớn nhất: )(9,1max ms = Các khoảng hành trình nh− sơ đồ d−ới đây: a, Với khoảng hành trình 1: )(4,01 mS = áp dụng công thức : 2 2tatvs o += Với )(4,01 ms = , 0=ov ( Ban đầu xe đứng yên) 21 )/(8,0 1 4,0.22 2 2 12 1 1 2 11 sma t sa tas ==⇒=⇔ =⇒ Lực quán tính sinh ra : )(112)(11208,0.1400. 1 kgNaMFqt ≈=== b, Với khoảng hành trình 2: )(1,12 mS = Vận tốc : )/(55,012 smvv t == = =const 02 =⇒ a )(2 55,0 1,1 2 2 2 sv st ===⇒ Không có quán tính tại hành trình này. c, Với khoảng hành trình 3: )(4,03 mS = Thời gian xe con đi hết hành trình còn lại này là: )(5,1)21(5,4)( 213 stttt =+−=+−= Vận tốc : )/(55,033 smvv t == = )/(38,0 5,1 5,1.55,04,0.2.2 2 2 212 3 333 3 2 3 3333 sma t tvsa tatvs −=−=⇒−=⇔ +=⇒ Dấu (-) thể hiện xe con chuyển động chậm dần đều. Lực quán tính sinh ra: )(2,53)(53238,0,0.1400. 3 kgNaMFqt ≈=== Vậy: Quán tính của xe con lớn nhất tại thời điểm 1t t−ơng ứng với gia tốc 1a 2.1.3. Chọn Xylanh: Với các kết qủa trên, so sánh quán tính của xe con tại mỗi thời điểm, ta chọn thời điểm có quán tính lớn nhất (khoảng thời gian 1t ) để tính toán lựa chọn xylanh: áp dụng định luật 2 Niutơn: cttt WFaM −=. (2) 22 Với: :ttF Lực đẩy (kéo) của 2 xylanh SpFtt ..2= p: áp suất khí cung cấp cho thiết bị (chọn )/(6 2cmkgp = ) S: Tiết diện xylanh (m2) M=1400(kg) : Khối l−ợng xe con Từ (2) ta có: )(124710.7,121120. NFWaMF ttcttt =+=⇒+= 124≈ (kg) Mặt khác: SpFtt ..2= )(4,10 10.6.2 1247 2 2cm p FS tt ===⇒ Mà: )(4,36)(64,324,13 4,10.44 4 . 2 mmcmSDDS =====⇒= ππ π Nh− vậy xylanh chọn phải thoả mãn điều kiện: )(4,36 mmD ≥ Nhóm đề tài chọn xylanh loại AM của hãng TPC (Hàn Quốc) với các thông số sau: D=50(mm) : Đ−ờng kính xylanh d=20(mm) : Đ−ờng kính cần Piston S=2000(mm): Hành trình xylanh 2.1.4. Kiểm nghiệm lại kết quả tính toán với kết quả thực nghiệm do nhà sản xuất cung cấp: Theo bảng thực nghiệm do nhà sản xuất TPC cung cấp: Với loại xylanh AM, áp suất khí p=6(kg/cm2) ( 6≈P bar), đ−ờng kính D=50(mm) thì lực đẩy của cần pittông là 117,8 (kg), lực kéo là 99 (kg) 23 24 25 2.2. Mô phỏng truyền động của thiết bị: Mô hình hóa : Mô hình đ−ợc thiết kế trên phần mềm Autodesk Inventor. Các cụm chi tiết đ−ợc thiết kế riêng biệt lắp ráp với nhau tạo thành một thiết bị hoàn chỉnh. Các cụm chi tiết : 1. Cụm khung dầm cố định + ray 2. Cụm dỡ khuôn 3. Cụm dỡ tấm 4. Cụm khung nâng 5. Cụm xe con Mô phỏng: Mô phỏng quá trình hoạt động làm việc của thiết bị trên phần mềm Autodesk Inventor ( có kèm theo file Videoclip). 26 Ch−ơng 3: Thiết kế hệ thống điều khiển Khái niệm chung: Hệ thống điều khiển các hệ truyền động khí nén phải đảm bảo việc đóng mở các van phân phối t−ơng ứng với các điều kiện làm việc đã cho. Các ph−ơng pháp cho điều kiện làm việc của máy tự động và ph−ơng pháp thực hiện chúng rất đa dạng. Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc th−ờng đ−ợc cho d−ới dạng các chu trình làm việc. Chu trình làm việc là một chu trình tự xác định dịch chuyển của cơ cấu chấp hành mà sau khi thực hiện xong chúng lại trở về vị trí ban đầu. Hoạt động của máy sẽ đ−ợc thể hiện trong việc thực hiện tuần tự các chu trình làm việc nối tiếp nhau. Với các hệ truyền động khí nén, các điều kiện làm việc cũng đ−ợc mô tả bằng các chu trình hoặc biểu đồ trình tự làm việc, nh−ng thời gian của mỗi chu trình không xác định bởi vận tốc của các cơ cấu chấp hành, phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố phụ mà ta có thể điều chỉnh đ−ợc. Đối với máy dỡ tải chân không, sử dụng cho ngành sản xuất tấm lợp có yêu cầu rất cao về năng xuất nên tốc độ làm việc của các cơ cấu trên máy càng nhanh càng tốt. Xuất phát từ yêu câu trên tác giả có ý t−ởng ứng dụng khí nén vào cơ cấu di chuyển ngang còn gọi là “xe con” nhằm nâng cao tốc độ làm việc của máy. Xe con: Có khối l−ợng 1400 kg đ−ợc đặt trên khung cách mặt đất 2m, có thể chuyển động ngang trên khung. Yêu cầu đối với xe con là tốc độ di chyển ngang cao và dừng vị trí chính xác ở hai điểm đầu và cuối. Sau khi tìm hiểu một số ph−ơng pháp điều khiển kết hợp với đặc thù của xe con tác giả đã lựa chọn ph−ơng pháp điều khiển theo vi trí. Đây là hệ thống điều khiển kết hợp giữa khí nén với hệ thống điện, điện tử đ−ợc điều khiển theo ch−ơng trình PLC. 27 1. Sơ đồ khí nén cơ cấu di chuyển ngang. Từ sơ đồ trên ta thấy hệ thống khí nén cơ cấu di chuyển ngang bao gồm : 1,2 : xylanh khí có chiều dài l và đ−ờng kính d. 3,4 : Van phân phối khí, loại 3/2 th−ờng ngắt. 5 : Van phân phối khí loại 5/2 th−ờng ngắt, điều khiển hai phía. 6 : Van tiết l−u. 7 : Bộ điều chỉnh áp suất. 8 : Máy nén khí . 9 : Phanh khí nén. * Mô tả hoạt động của hệ thống điều khiển xylanh cơ cấu di chuyển ngang. Có thể chia làm ba giai đoạn: - Giai đoạn chuẩn bị: Giả sử xe con đang ở vị trí bên trái, sensor hạn vị trái đang tác động . Khí từ nguồn cấp là máy nén khí qua bộ điều áp đến của 1P của van 3, van 4 và bị khoá tại đó. Lúc này,ta có: x = 0 , 02 2 == dt xd dt dx 28 Khi t = 0 T1= Ta P1 = Pa ở thời điểm ban đầu áp suất và nhiệt độ trong khoang bằng áp suất và nhiệt độ khí quyển. Xe con lúc này đứng yên, ch−a có sự chuyển động. - Giai đoạn chuyển động: Trong giai đoạn này khí từ nguồn cấp( bình tích áp của máy nén khí) có áp suất P = 7 kg/cm2, qua bộ điều áp 7 khí nén đ−ợc chỉnh xuống áp suất P = 6 kg/cm2. Khi có tín hiệu điều khiển xe chay phải từ bộ điều khiển PLC hay từ nút bấm. Lúc này cuộn hút của van 3 có điện làm cho dòng khí chuyển từ 1P sang 2A, khí đ−ợc cấp vào khoang bên phải của xylanh làm cho áp suất khoang bên phải xylanh tăng lên. Van 4 ch−a có điện, khí ở khoang bên trái đ−ợc nối từ cửa 2A sang 3R của van 4 về van 5. Cuộn hút bên trái van 5 có điện đ−a khí bên khoang xả ra ngoài khí quyển. Theo ph−ơng trình chuyển động của pittông: ∑−= i iPFpdt xdm .2 2 (5) ở đây: m - tổng khối l−ợng của các vật chuyển động quy đổi về pittông ∑ i iP - tổng toàn bộ các lực tác động lên đầu cần pittông, bao gồm lực tải ngoài, ma sát (khô, −ớt), lực có hại khác…. Sau thời gian t áp suất P1 (khoang nạp) tăng lên làm cho lực áp suất thắng đ−ợc tổng toàn bộ lực cản xe con bắt đầu chuyển động(x ≠ 0), áp suất trong khoang xả P2 giảm t−ơng ứng. Trong suốt giai đoạn chuyển động của pittông, các đại l−ợng nh− áp suất tiếp tục biến thiên: áp suất trong khoang nạp P1 giảm; áp suất trong khoang xả P2 tăng bởi khi pittông dịch chuyển diễn ra quá trình dãn nở khí đột ngột trong khoang nạp và quá trình nén khí tức thời trong khoang xả. Tuy nhiên l−ợng tăng, giảm này là không đáng kể trong suốt giai đoạn chuyển động . Xe con chuyển động nhanh dần. - Giai đoạn phanh hãm cuối hành trình: 29 Quá trình hãm là tiếp tục giai đoạn chuyển động (xác lập) của pittông, nên các thông số cuối giai đoạn này sẽ là giá trị đầu cho quá trình hãm tại thời điểm van hãm làm việc. Trong quá trình hãm cần phải dập tắt nguồn động năng mà phần chuyển động của hệ thống đang có bằng cách: Khi xe con tới thời điểm hãm sensor trạng thái hãm phải tác động báo đã đến thời điểm giảm tốc độ. Bộ điều khiển PLC sẽ điều khiển mở van 5.2 và đóng van 5.1 làm cho đ−ờng khí đi ra từ khoang xả V2 ra ngoài khí quyển phải đi qua van tiết l−u 6, do tiết diện đ−ờng xả bị giảm đột ngột làm cho áp suất bên khoang xả P2 tăng lên, làm cho hiệu: 21 PPP −=∆ Giảm dần, lúc sinh ra lực F2 có cùng ph−ơng nh−ng ng−ợc chiều với F1. Lực này gây cản trở chuyển động làm cho xe con chuyển động chậm dần. F1 đang ở giá trị xác lập coi nh− không thay đổi. 21 FFF −=∆ Khi F2 tăng lên thì hiệu sẽ giảm dần làm cho xe chuyển động với vận tốc chậm dần và đạt giá trị xác lập mới xấp xỉ bằ