Thiết kế điều khiển công nghệ khoan

mục lục Trang Lời nói đầu 2 Chương I. Giới thiệu công nghệ 4 Chương II. Thiết kế sơ đồ nguyên lý 6 1. Giới thiệu 6 2. Phương pháp ma trận trạng thái 6 3. Lập graph chuyển trạng thái 7 4. Lập bảng chuyển dịch 1 8 5. Lập bảng chuyển dịch 2: 8 6. Xác định biến trung gian, mã hoá biến trung gian 9 7. Hàm điều khiển cho biến ra và biến trung gian 10 8.Thuyết minh hoạt động của sơ đồ nguyên lý 12 Chương III. Tính chọn thiết bị và thiết kế mạch lắp rắp 14 1. Chọn thiết bị. 14 2 Sơ đồ lắp ráp 17 Kết luận 20 Tài liệu tham khảo 21 Lời nói đầu Trong sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước, có thể nói một trong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển kinh tế của mỗi quốc gia là mức độ tự động hoá trong các quá trình sản xuất mà trước hết đó là năng suất sản xuất và chất lượng sản phẩm làm ra. Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử , công nghệ thông tin và những thành tựu của lý thuyết Điều khiển tự động đã làm cở sở và hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng của lĩnh vực tự động hoá. ở nước ta mặc dầu là một nước chậm phát triển, nhưng những năm gần đây cùng với những đòi hỏi của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tế thế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật mà đặc biệt là sự tự động hoá các quá trình sản xuất đã có bước phát triển mới tạo ra sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành một nền kinh tế tri thức. Ngày nay tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vào từng ngõ nghách, vào trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm. Một trong những ứng dụng đó mà đồ án này thiết kế là điều khiển công nghệ khoan. Tự động hoá điều khiển công nghệ khoan là quá trình tạo ra một lỗ thủng trên bề mặt vật thể có kích thước chiều sâu định trước. Trong công việc thiết kế, tự động hoá điều khiển được thể hiện qua hai quá trình sau: - Tự động hoá điều khiển công việc đưa vật thể vào vị trí định trước (xác định vị trí lỗ khoan). - Tự động hoá đưa mũi khoan vào khoan vật thể sau đó quay về vị trí cũ đễ đảm bảo cho quy trình tiếp theo. Chất lượng mũi khoan và năng suất làm việc phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ điều khiển. Quá trình làm việc được thực hiện theo một trật tự logic, theo trình tự thời gian xác định do đó để điều khiển được công nghệ ta phải tổng hợp được hàm điều khiển cho hệ thống. Có rất nhiều phương pháp để tổng hợp hàm điều khiển nhưng ở đây ta sử dụng phương pháp “Ma trận trạng thái”. So với các phương pháp khác thì phương pháp hàm tác động có ưu điểm đơn giản và đảm bảo sự chính xác về tuần tự thực hiện quá trình. Trong quá trình làm đồ án,được sự giúp đỡ hướng dẫn nhiệt tình của thầy giáo hướng dẫn và các bạn,em đã hoàn thành được bản đồ án này.Tuy nhiên, do 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. Hà Nội, ngày 15 tháng 11 năm 2005 Sinh viên . Nguyễn Xuân Công Chương I : Giới thiệu công nghệ Máy khoan được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy cơ khí. Bên cạnh các máy móc cơ khí khác như các máy tiện, máy doa, máy bào giường, bào xọc... dần dần được tự động hóa theo một dây chuyền ngày càng hiện đại. Các máy khoan cũng được tự động hoá theo dây chuyền nhằm nâng cao năng suất và giảm sự nặng nhọc cho người công nhân. Trong môi trường làm việc nặng nhọc công nghệ yêu cầu : +) Khoan làm việc ổn định, chắc chắn. +) Tần số làm việc lớn. * Nguyên lý hoạt động: Khi cảm biến p có tín hiệu, nghĩa là thanh gỗ đã ở vào vị trí xác định. Piton D đẩy về phía trước, thực hiện D+ và kẹp thanh gỗ. Khi thanh gỗ được kẹp chặt cũng là lúc cảm biến áp suất d1 nhận được tín hiệu. Piton C tiến, thực hiện nguyên công C+. Khi piton C chạm cảm biến c1, Piton B thực hiện nguyên công B+, giữ cố định thanh gỗ. Khi B chạm b1, thực hiện hai quá trình cùng 1 lúc: +) Thứ nhất, piton D thực hiện D –, khi D chạm d0 , piton C thực hiện C-- .Khi C chạm c0 , piton D thực hiện D+ +) Thứ hai, piton A thực hiện A+, quá trình khoan bắt đầu làm việc.Khi nhận được a1 piton A thực hiện A-- . Sau khi piton A chạm cảm biến a0 (quá trình khoan đã hoàn thành) và piton D chạm cảm biến d1, piton B thực hiện B-- (không kẹp thanh gỗ nữa). Khi cảm biến b0 nhận được tín hiệu,piton C thực hiện C+. Đến đây, quá trình được thực hiện lặp lại như cũ. Chương II : Thiết kế sơ đồ nguyên lý 1. Giới thiệu Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp, các thiết bị máy móc thường hoạt động theo một trình tự lôgic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, an toàn cho người và thiết bị. Cấu trúc làm việc trình tự của dây chuyền đã đưa ra yêu cầu cho điều khiển là điều khiển sự hoạt động chặt chẽ thống nhất của dây chuyền đồng thời cũng gợi ý cho ta sự phân nhóm lôgic của automat trình tự bởi các tập hợp con của máy móc và các thuật toán. Tín hiệu vào Cấu trúc điều khiển trình tự Quá trình công nghệ có thể bao gồm : +) Hoàn toàn tự động +) Bán tự động +) Hoàn toàn bằng tay Khi thiết kế hệ thống phải tính toán đến các phương thức làm việc khác nhau để đảm bảo an toàn và xử lí kịp thời các hư hỏng trong hệ thống. Phải luôn có phương án can thiệp trực tiếp của người vân hành đến việc dừng máy khẩn cấp ... Ma trận trạng thái công cụ rất hữu ích để thiết kế và thực hiện đầy đủ các yêu cầu của công nghệ tự động hoá các quá trình công nghệ kể trên. 2. Phương pháp ma trận trạng thái Khi gặp những đối tượng công nghệ mới, người đặt hàng thường chỉ nêu những yêu cầu của đối tượng cần phải thoả mãn. Những yêu cầu đó thể hiện các trạng thái của hệ thống cần có theo công nghệ. Vì vậy một cách tốt nhất và ít sai sót nhất là ghi chép lại tất cả các yêu cầu đặt hàng đó thành một bảng kèm theo sự sắp sếp hợp lí, khoa học. Bảng thống kê đó gọi là bảng trạng thái, nó thể hiện mối quan hệ giữa các tín hiệu vào ở các trạng thái bất kì nào của hệ. Trong bảng bao gồm các cột: Trạng thái của hệ biểu thị các mệnh đề nói rõ về công nghệ hoặc những nguyên công mà máy cần thoả mãn. Số hàng của bảng chỉ rõ số trạng thái của hệ. Cột các tín hiệu vào bao gồm những cột chứa các tổ hợp logic các tín hiệu đưa vào hệ điều khiển. Những tín hiệu này bao gồm những tín hiệu phát lệnh điều khiển của mạch vận hành, của thiết bị chương trình hoặc những tín hiệu phát ra từ các đối tượng công nghệ. Cột các trạng thái ra, mỗi trạng thái xác định của hệ điều khiển cho một trạng thái đầu ra xác định. Giá trị đầu ra là kết quả trực tiếp của hệ điều khiển đảm bảo cho hệ chấp hành thực hiện đầy đủ ý đồ công nghệ. Phương pháp tổng hợp mạch điều khiển sử dụng bảng trạng thái được gọi là phương pháp ma trận trạng thái. Sau đây ta sẽ xây dựng bảng trạng thái cho hệ điều khiển máy khoan và từng bước tổng hợp mạch điều khiển. 3. Lập graph chuyển trạng thái Gọi a là tín hiệu điều khiển A+, A— +) a = 0 ứng với tín hiệu a0 +) a = 1 ứng với tín hiệu a1 Gọi b là tín hiệu điều khiển B+, B— +) b = 0 ứng với tín hiệu b0 +) b = 1 ứng với tín hiệu b1 Gọi c là tín hiệu điều khiển C+, C— +) c = 0 ứng với tín hiệu c0 +) c = 1 ứng với tín hiệu c1 Gọi d là tín hiệu điều khiển D+, D— +) d=0 ứng với tín hiệu d0 +) d=1 ứng với tín hiệu d1 Với cách qui ước như vậy,bài toán ở đây có 4(a,b,c,d) biến điều khiển và 8 biến ra (A+,A--,B+,B--,E+,E--,D+,D--) Ta có graph chuyển trạng thái như sưới đây: 4. Lập bảng chuyển dịch 1: Bảng chuyển dịch này gồm : +) Số cột = 1+2+số đầu ra =1+2+8 = 25 cột +) Số hàng = 1+9 =10 hàng Bảng chuyển dich 1 5. Lập bảng chuyển dịch 2: Từ bảng chuyển dịch 1, nếu ta đem ra xác định hàm điều khiển thì hàm điều khiển thu được là không tối giản, vì thế ta phải tối thiểu hàm chuyển dịch qua hai bước: +) Nhập hàng. +) Nhập trạng thái tương đương. Nhập hàng: +) Tiêu chuẩn để nhập hàng theo điều kiện sau: các trạng thái có thể nhập lại được với nhau nếu số trạng thái trong cột cùng tên và giống nhau. +) Nếu một trạng thái ổn định và một trạng thái không ổn định thì ta ưu tiên trạng thái không ổn định. +) Nếu một trạng thái ổn định và một ô trống thì ta ưu tiên trạng thái ổn định. +) Nếu một trạng thái không ổn định và một ô trống thì ta ưu tiên trạng thái không ổn định. Nhập trạng thái tương đương: +) Sau khi đã nhập các trạng thái theo các điều kiện ở trên, chúng ta có thể tiếp tục nhập các trạng thái còn lại cho những trạng thái tương đương. trạng thái tương đương là trạng thái có tính chất sau: +) Có cùng tín hiệu ra. +) Khi chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác kéo theo cùng thứ tự chuyển giá trị đầu ra. Nói một cách khác thay đổi tổ hợp tín hiệu vào kéo theo cùng thứ tự thay đổi giá trị tín hiệu ra. Bảng chuyển dịch 2 6. Xác định biến trung gian, mã hoá biến trung gian: Ta có số hàng của ma trận chuyển dich II là N = 2, do vậy căn cứ vào điều kiện xác định số biến trung gian: ta được Smin=1. Vậy chọn một biến trung gian là x. x 7,8 0,1,2,3,4,5,6 Ta có bảng: 7. Hàm đIều khiển cho biến ra và biến trung gian: Ma trận Cacno cho biến trung gian: => Hàm cho biến trung gian: f(X) = Ma trận Cacno cho biến ra D+: => Hàm cho biến ra D+ là: f(D +) = Ma trận Cacno cho biến ra D -: => Hàm cho biến ra D- là: f(D -) = bdc Ma trận Cacno cho biến ra C +: => Hàm cho biến ra C + là: f(C +) = Ma trận Cacno cho biến ra C -: => Hàm cho biến ra C - là: f(C -) = Ma trận Cacno cho biến ra B+: => Hàm cho biến ra B+ là: f(B +) = Ma trận Cacno cho biến ra B -: => Hàm cho biến ra B- là: f(B -) = Ma trận Cacno cho biến ra A +: => Hàm cho biến ra A+ là: f(A +) = b.x Ma trận Cacno cho biến ra A-: => Hàm cho biến ra A- là: f(A - ) = a Vậy ta có: Khi khoan đến vị trí cảm biến a1, a1 có tín hiệu => điều khiển pittông A thực hiện A, cuối hành trình chạm cảm biến a0, a0 có tín hiệu => điều khiển pittông B thực hiện B, cuối hành trình chạm cảm biến b0, b0 có tín hiệu => điều khiển pittông C thực hiện C. Đến đây quá trình được lặp lại như cũ... Chương3 Tính chọn thiết bị và thiết kế mạch lắp ráp 1. Chọn thiết bị. Trong sơ đồ nguyên lý ta sử dụng các phần tử logic sau: a) Phần tử AND: Trong sơ đồ điều khiển sử dụng 11 phần tử AND, ở đây ta sử dụng bốn mạch tích hợp loại ZK-PK-3-6/3, của hãng Festo (Đức) mỗi mạch có 3 phần tử AND hai đầu vào: +) (X1,Y1);(X2,Y2);(X3,Y3) là các đầu vào tương ứng của các phần tử AND. +) A1;A2;A3 là các đầu ra Phần tử ZK-PK-3-6/3 có các thông số kỹ thuật sau: Số đầu ra khí III áp suất làm việc nhỏ nhất 1,6 bar áp suất làm việc lớn nhất 8 bar Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100C Nhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C Tốc độ luồng khí tiêu chuẩn 100l/min b) Phần tử hoặc: Trong sơ đồ điều khiển ta sử dụng 1 phần tử hoặc OR đơn loại OS-PK-3 OS-PK-3 có các thông số kỹ thuật sau: Kích thước lỗ 3,4 mm áp suất làm việc nhỏ nhất 1,6 bar áp suất làm việc lớn nhất 8 bar Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100C Nhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C Tốc độ luồng khí tiêu chuẩn 120l/min c) Phần tử đảo: Trong sơ đồ nguyên lý ta sử dụng 1 phần tử đảo, ở đây ta chọn phần tử đảo loại 81504025 của hãng Crouzet. d) Chọn cảm biến vị trí: Chọn cảm biến vị trí loại GG-1/4-3/8 của hãng Festo (Đức), Có các thông số kỹ thuật sau Kích thước l Kích thước lỗ khí 8mm áp suất làm việc nhỏ nhất 0.03 bar áp suất làm việc lớn nhất 8 bar Nhiệt độ xung quanh nhỏ nhất cho phép -100C Nhiệt độ xung quanh lớn nhất cho phép 600C Tốc độ luồng khí tiêu chuẩn 1-150l/min e) Chọn van phân phối. Ta chọn van phân phối loại VL-5/2-D-02 (có hình vẽ dưới) của hãng Festo (Đức). Đây là loại van 5/2 với đầu nối (1) là đầu vào khí nén, các đầu nối (2) và (4) là các đầu ra của khí nén còn các đầu nối (3) và (5) là các đầu xả khí. Các thông số của thiết bị được cho trong bảng dưới đây: Nguyên tắc khởi động / reset pneumatic Dải áp suất làm việc 2á10bar Dải nhiệt độ xung quanh cho phép -10á60oC Lưu lượng khí danh định 500l/min f) Chọn thiết bị chấp hành: Trong cơ cấu truyền động, ta sẽ sử dụng 4 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 g) Chọn nút ấn: Trong sơ đồ nguyên lý điều khiển ta sử dụng ấn cho việc khởi động hệ thống loại K/O-3-PK-3 của hãng Festo (Đức) Có các thông số kỹ thuật như sau. Giới hạn áp suất làm việc 0-8 (bar) Giới hạn nhiệt độ môi trường xung quanh -10-+60(0C) Tôc độ luông khí tiêu chuẩn 80l/min 2 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 . 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 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. 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. 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 ma trận trạng thái 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 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 08 tháng 06 năm 2003 Sinh viên: Lê Anh Tú Tài liệu tham khảo 1. Điều khiển logic và ứng dụng - Tác giả: PGS - TS Nguyễn Trọng Thuần - Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2000. 2. Điều khiển tự động truyền động điện - Tác giả: Trịnh Đình Đề, Võ Trí An - Nhà xuất bản Đại học và Trung học chuyên nghiệp, Hà Nội 1986. 3. Sử dụng và sửa chữa khí cụ điện hạ áp - Tác giả: Nguyễn Xuân Phú, Tô Đằng - Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1998. 4. Các CD-ROM catalogue tra cứu thiết bị khí nén và điện của các hãng OMRON, FESTO, MITSUBISHI. 5. Bản dịch: Cẩm nang Kỹ thuật điện Tự động hoá và Tin học Công nghiệp - Người dịch: PGS - TS Lê Văn Doanh - Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 1999. 6. Logical design of switching circuits - Tác giả: Lewin, D. - Nhà xuất bản MacMillan, 1986.