ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
Bộ mơn Cơ điện tử
ĐỒ ÁN MƠN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Mã HP: ME4336Q
Học kỳ: 20211
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang
Sinh viên thực hiện: Hứa Văn Linh
Lớp: Me-nut17
MSSV: 20187466
Mã lớp: 126612
Chữ kí sv:
Ngày giao nhiệm vụ 7/11/2021
I.
II.

Ngày hoàn thành: / /

Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho hệ thống thay dao
tự động.
Số liệu cho trước:

1- Tay đỡ của hệ thống
2- Động cơ kèm hộp giảm
tốc
3- Thanh đỡ di trượt
4- Cơ cấu Man

5- Vỏ bao che phía ngồi
6- Chi cơn gắn dao
7- Vỏ bao che phía dưới
8- Tay gạt (cơ cấu Man)
9- Tấm đỡ (liền với cơ cấu 4)
10- Tay kẹp cơn gắn dao
11- Xy lanh khí nén

trang 1


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

- Loại máy CNC: Phay
- Loại thay dao: Khơng tay máy
- Nguồn động lực di chuyển: Khí nén
- Nguồn động lực quay ổ chứa: Động cơ điện
- Số lượng ổ chứa dao N= 16
- Loại côn gắn dao BT40
- Khối lượng 1 con dao tối đa M= 7kg
- Đường kính lớn nhất của 1 con dao Dmax= 80mm
- Thời gian thay dao gần nhất T1= 3s
- Thời gian thay dao xa nhất T2= 7s
III. Nội dung
1. Phân tích ngun lý và thơng số kỹ thuật
- Ngun lý hoạt động
- Xác định các thành phần của hệ thống thay dao
2. Mơ hình hóa hệ thống điều khiển

- Mơ hình hóa một trục chuyển động
- Xây dựng mơ hình hệ thống điều khiển cho thay dao
3. Thiết kế hệ thống điều khiển
- Chọn các phần tử của hệ thống điều khiển
- Xác định hàm điều khiển
- Xây dựng bản vẽ mạch
- Xây dựng chương trình điều khiển
4. Mơ phỏng
- Mô phỏng hoạt động của các trục điều khiển
- Mô phỏng logic hoạt động của hệ thống
- Mô phỏng hoạt động bằng các phần mềm mô phỏng

Hà Nội, ngày…. tháng…. Năm 2022
Giáo viên hướng dẫn

trang 2


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại nhữg lợi ích
cho con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tinh thần. Để nâng cao đời
sống nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới, Đảng và Nhà
nước ta đã đề ra những mục tiêu đưa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp
hóa hiện đại hóa. Để thự hiện điều đó thì một trong những ngành cần quan tâm
phát triển đó là ngành Cơ khí nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng vì nó đóng
vai trị quan trọng trong việc sản xuất ra các thiết bị cơng cụ (máy móc, robot…)

của mọi ngành kình tế quốc dân. Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khícần
đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chun mơn đáp ứng được
yêu cầu của công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền trong
sản xuất.
Tính tốn thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung khơng thể thiếu trong
chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử. Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có
thể hệ thống hóa lại các kiến thức của môn học như: Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ
học kĩ thuật, Nguyên lỹ máy, Sức bền vật liệu… Đồng thời cũng giúp chúng em
nắm bắt thêm một số phần mềm cần thiết cho việc thiết kế, mô phỏng như Catia,…
ngồi ra cịn giúp chúng em làm quen với cơng việc thiết kế và làm đồ án tốt
nghiệp sau này.
Dù đã có cố gắng hồn thành đồ án này với cường độ làm việc cao, cùng sự
hướng dẫn nhiệt tình và cụ thể của các thầy trong bộ môn, nhưng do hiểu biết cịn
hạn chế và hơn nữa chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án không
tránh khỏi được những thiếu sót và bất cập. Vì vậy em rất mong sự góp ý và sửa
chữa của các thầy cơ để em có thể rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức cho
mình. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cơ
trong Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nợi và đặc biệt sự hướng
dẫn tận tình của cô PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang đã giúp em hoàn thành
đồ án này.
trang 3


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... 3
CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG KIỂU

TANG TRỐNG TRÊN MÁY PHAY ĐỨNG CNC .......................................... 6
1.1, Tổng quát ................................................................................................... 6
1.2, Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống thay giao .................................... 6
1.3, Ưu và nhược điểm của hệ thống thay dao tự động ................................ 6
1.4, Các yêu cầu của hệ thống thay dao tự động ........................................... 7
1.5, Cấu tạo của hệ thống ................................................................................ 7
1.5.1, Trục chính, các loại đầu kẹp dao và dao .......................................... 8
1.5.2, Cụm giá .............................................................................................. 10
1.5.3, Cụm tang chứa dao:.......................................................................... 10
1.5.4. Các thành phần khác ........................................................................ 11
1.6. Chu trình làm việc của hệ thống thay dao tự động ............................. 12
KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 .................................................................................. 15
CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG
THAY DAO TỰ ĐỘNG.................................................................................... 16
2.2. Xây dựng sơ đồ khối cho tồn hệ thống thay dao tự đợng .................. 16
2.2.1. Khái niệm sơ đồ đợng ....................................................................... 16
2.3 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao .............. 19
2.3.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự đợng ................ 19
2.4 Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển ................................... 20
2.4.1 Nối dây và sử dụng rơle ..................................................................... 20
2.4.2 Điều khiển bằng vi xử lý .................................................................... 21
2.4.3 Điều khiển bằng PLC ........................................................................ 21
2.5 Thiết kế mạch điều khiển ........................................................................ 22
2.5.1 Tổng quan về cảm biến sử dụng trong hệ thống ............................. 22
2.5.2, Vị Trí và chức năng của các cảm biến dùng trong hệ thống thay
dao tự động .................................................................................................. 26
2.5.3, Các cơ cấu chấp hành trong hệ thống thay dao tự động............... 28
2.5.4, Phân tích lựa chọn bợ điều khiển PLC ........................................... 34
2.5.5, Phân tích lựa chọn biến tần ............................................................. 36
KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 .................................................................................. 39

trang 4


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BẢN VẼ BẢN ĐỒ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN VÀ HỆ
THỐNG KHÍ NÉN CHO HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG ................ 40
3.1, Sơ đồ kết nối giữa PLC và biến tần ....................................................... 40
3.2, Sơ đồ đấu nối PLC với cảm biến ........................................................... 41
3.3, Sơ đồ PLC với van khí nén..................................................................... 41
3.4, Sơ đồ tổng của mạch điều khiển ............................................................ 43
KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .................................................................................. 44
CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH PLC CHO HỆ THỐNG ..................................... 45
4.1 Tổng quan về PLC ................................................................................... 45
4.2 Bảng tín hiệu sử dụng trong PLC ........................................................... 48
4.3 Phương án phân chia bài toán điều khiển logic hệ thống thay dao .... 51
A.Chương trình chính ................................................................................. 51
B. Các chương trình con: ........................................................................... 52
4.4 Lập trình PLC .......................................................................................... 57
A, Chương trình con trục chính đến vị trí thay dao (M0.1) ................... 57
B, Chương trình con trục chính về vị trí chờ (M0.20)............................. 58
C, Chương trình con đài dao về vị trí thay dao (M0.3) ........................... 60
D, Chương trình con dài dao về vị trí chờ (M0.4) ................................... 60
E, Chương trình con trục chính nhả kẹp dao (M0.5) .............................. 61
F, Chương trình con trục chính nhả kẹp dao (M0.6) .............................. 61
G, Chương trình con xoay đài dao (M0.6) ................................................ 62
H, Chương trình chính ............................................................................... 66
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO

TỰ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORKS ......................................... 76
Kết luận chương 5: ............................................................................................ 82
KẾT LUẬN ........................................................................................................ 83
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 84

trang 5


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

CHƯƠNG 1: TÌM HIỂU HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG KIỂU
TANG TRỐNG TRÊN MÁY PHAY ĐỨNG CNC
1.1, Tổng qt
Trong q trình hoạt động sản xuất cơ khí thì có rất nhiều loại máy móc tân
tiến ra đời làm tăng năng suất cũng như là chất lượng. Trong đó có máy CNC.
CNC được lập trình tự động hoặc bán tự động để gia công, chế tạo sản phẩm,
sản phẩm máy tạo ra có độ chính xác cao, đạt năng suât cao gấp nhiều lần so với
gia công thủ cơng do đó có thể giảm được rất nhiều nhân cơng cũng như là chi
phí và thời gian sản xuất.
1.2, Chức năng và nhiệm vụ của hệ thống thay giao
Trước hết thì hệ thống thay dao có nhiệm vụ là cất giữ và lưu trữ một số
lượng dao nhất định để phục vụ cho q trình gia cơng sản phẩm trên máy CNC.
Số lượng dao tối đa có thể tích trữ trên hệ thống phụ thuộc vào yêu cầu về số
dao/ số ngun cơng mà chương trình gia cơng cần gọi đến. Sản phẩm càng
phức tạp số lượng dao cần đến càng lớn. Kích thước hệ thống thay dao tự động
cũng sẽ lớn theo để đảm bảo mang dc số dao cần thiết.
Tiếp theo hệ thống phải có nhiệm vụ lấy dao cũ từ trục chính và đưa dao mới
được gọi vào vị trí thay dao khi có lệnh thay dao từ chương trình gia cơng.

1.3, Ưu và nhược điểm của hệ thống thay dao tự đợng
a, Ưu điểm
Q trình thay dao sẽ được thực hiện rất nhanh và chuẩn xác do các cơng
đoạn thay thế đều được tính tốn cụ thể lập trình và được chạy bằng máy. Điều
này giúp đảm bảo độ an tồn cao, khơng phụ thuộc vào yếu tố con người giúp
tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. Ngồi ra nó cịn đảm bảo tính chun
nghiệp, mang tính tự động hóa cao thích hợp với thời kì cơng nghệ mới. Hơn
nữa nó cịn tiết kiệm được nhân lực, thời gian và chi phí sản xuất.

trang 6


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

b, Nhược điểm
Đi cùng với những ưu điểm kể trên nhưng hệ thống thay dao tự động vẫn có
một số nhược điểm cụ thể như chi phí đầu tư lớn do cấu tạo tương đối phức tạp
và phải đảm bảo tính đồng bộ lắp ráp với máy gia cơng chỉnh. Ngồi ra cịn phải
đảm bảo được u cầu bảo dưỡng định kì, mơi trường làm việc và đơi khi là nếu
có sự cố hỏng hóc máy móc cũng cần chi phí sửa chữa lớn.
1.4, Các yêu cầu của hệ thống thay dao tự động
- Số ổ chứa phải có dung lượng lớn.
- Dụng cụ phải được kẹp chặt trong ổ tích dao.
- Chi dao và đài gá dao phải được định vị chính xác vào vị trí gia cơng.
- Khoảng cách giữa ổ tích dao tới vị trí gia cơng là ngắn nhất.
- Hệ thống cấp phát tự động phải có độ tin cậy và chính xác cao.
- Không làm bẩn bề mặt côn với bề mặt ăn khớp trục chính.
- Bảo dưỡng tiện lợi, an tồn.

- Thay dao nhanh.
1.5, Cấu tạo của hệ thống

Hình 1. Hệ thống thay
dao kiểu tang trống

trang 7


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

1.5.1, Trục chính, các loại đầu kẹp dao và dao
Trong máy CNC, trục chính là trục quay của máy, thường là thuật ngữ chính để
xác định khả năng của máy. Một số máy CNC chuyên sản xuất cho sản phẩm hàng
loạt lớn có một nhóm gồm 4,6 và nhiều đầu dao hơn. Chính được gọi là máy nhiều
đầu. Trục chính khơng khác gì là một trục xoay, nó là một động cơ cho phép dao
được gắn vào và lấy ra; rồi bàn di chuyển, hệ thống điều khiển chuyển động các
trục, và phần mềm sẽ tính tốn phần cịn lại. Các thơng số kỹ thuật trục chính cơ
bản trong một trung tâm gia công CNC là: tốc độ trục chính tối đa, cơng suốt động
cơ trục chính và mơ-men xoắn tối đa động cơ trục chính.

Hình 2. Hình ảnh cụm trục chính
trang 8


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang


+dao khi trục chính lấy dao từ đài dao.
Nguồn lực dẫn động: Dùng xi lanh khí nén
- Nguyên lý:
+

Khi trục chính cần trả dao: khí nén đi vào buồng trên xi lanh đẩy pistong

chuyển động đi xuống, thơng qua trục kẹp ép đĩa lị xo làm mỏ kẹp mở ra và quả
đấm dao đẩy dao ra khỏi trục chính.
+ Khi trục chính kẹp chặt dao: dao sau khi được đặt đúng vị trí trong trục chính,
khí nén được đưa vào buồng dưới của xi lanh đẩy pistong đi lên, hệ thống lò xo
đĩa đẩy trục kẹp đi lên, kéo hệ thống mỏ kẹp chuyển động đi theo lên trên, khi nó
gặp 2 cữ chặn thì các mỏ kẹp bị thu hẹp góc kẹp lại kẹp chặt chi dao kéo lên
trên.
Đài dao: Phần lớn được sử dụng cho máy tiện và mâm dao cho máy phay. Nếu
chương trình NC được gọi bởi một dao mới, đài dao sẽ quay tới vị trí dao cần thiết
và lấy nó để gia cơng.
Mâm dao: Có ổ dao chuỗi, ổ dao vịng, ổ dao dạng nấm và ổ dao phẳng. Tùy
thuộc vào loại và kích thước, các đài dao của máy CNC có 8 đến 16 vị trí dao.
Trong các trung tâm gia cơng lớn có thể sử dụng đồng thời 3 đài dao. Nếu nhiều
hơn 48 dao được sử dụng mâm dao thuộc các loại khác nhau được sử dụng trong
các trung tâm gia công như vậy cho phép chưa tới 100 và thậm chí nhiều dao hơn.
Mâm dao dạng xích:
- Bộ kẹp có độ bền cao, ít hư hỏng và chống ăn mòn.
- Chuỗi được hỗ trợ ở cả hai bên, hoạt động rất ổn định.
- Cơ chế đảo ngược dao sử dụng thiết kế đường cong cam đảm bảo chuyển
động ngược của dao trơn tru.
- Kết cấu mâm dao cứng vững, giúp thay dao tốc độ cao và các dao nặng.
trang 9



ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

- Chuyển động khay dao sử dụng thiết kế cam thùng, chuyển động trơn tru,
yên tĩnh và chính xác.
Mâm dao dạng nấm:
- Độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, bảo vệ trục chính và
khay dao khi thay dao khơng phù hợp.
- Mâm dao có thể được gắn cố định hoặc di động, được điều khiển bởi động
cơ chính xác và thay dao chính xác, chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính
xác.
- Nguồn điều khiển mâm dao có thể là động cơ servo và động cơ điện.
Mâm dao phẳng:
- Độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt với với các dao, cũng bảo vệ trục
chính và khay dao trong quá trình thay dao khơng phù hợp.
- Xích dẫn hướng kèm ray hỗ trợ cho cả hai bên, chuyển động trơn tru và
định vị chính xác.
- Thiết kế kẹp dao đặc biệt cho phép mâm dao được sử dụng trong các thay
dao ngang.
- Giá đỡ dao có thể được sử dụng với các hệ thống lựa chọn dao khí nén, hệ
thống quay thủy lực hoặc nhiều cụm thay dao có sẵn trên thị trường.
- Nguồn điều khiển mâm dao có thể là động cơ servo và động cơ điện.
1.5.2, Cụm giá
Cụm gá là một hệ các thanh nhôm, thép nối với nhau theo kiểu khung,
có tác dụng nâng đỡ tồn bộ trọng lượng của hệ thống, nó được gắn cố định
trên thân máy tại vị trí thích hợp để thay dao với hành trình di chuyển thay
dao là nhỏ nhất.

1.5.3, Cụm tang chứa dao:

trang 10


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

Cụm tang chứa dao là một cụm chi tiết ghép nối với nhau, trong đó chi tiết
chính là một tang hình trống gắn trên một trục quay có thể quay tự do 360 độ
quanh trục ấy. Trên tang có lắp các tay kẹp dao với kích thước tiêu chuẩn, lực kẹp
có thể bẳng chính ứng suất biến dạng trong q trình tác động giữa chi dao và
tay kẹp hoặc bằng lực đàn hồi của lị xo. Kích thước của tang được tính tốn phù
hợp với số lượng dao, kích thước chi dao, khối lượng dao tổng cộng mà nó phải
mang vừa đủ tính bền, vừa tối ưu về kết cấu và khối lượng.
Ngoài ra để cụm tang đài chứa dao có thể di chuyển từ vị trí chờ đến vị trí thay
dao thì cần có một cơ cấu giúp nó đi chuyển, ở đây ta dùng xy lanh khí nén làm
nguồn động lực cho di chuyển này.
Cơ cấu Malte
Có tác dụng biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động quay gián
đoạn nhờ trên đĩa chủ động có chốt và trên đĩa bị động có những rãnh tiếp xúc
khơng liên tục với nhau.
Cơ cấu Malte có đĩa chủ động mang chốt quay quanh O2; đĩa bị động là đĩa
mang rãnh có thể quay quanh tâm O1. Số rãnh trên đĩa thường là 8, 10, 12, 16,
24… Số chốt có thể lớn hơn hoặc bằng 1.
1.5.4. Các thành phần khác
Vỏ bọc: Đế máy chính là nền tảng trung tâm của máy nên nó cần phải chắc chắn
và nặng hơn. Giá của nó có thể cao hơn nhưng sức chịu lực và độ bền sẽ làm giảm
được khả năng rung động. Quá trình sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của

q trình gia cơng. Nếu một máy CNC có cấu trúc vững chắc thì nó sẽ làm giảm
q trình dao động này có thể đảm bảo được cơng suất và độ chính xác cao nhất.
Thân máy: để đỡ tồn bộ các bộ phận khác lên trên nó. Thân máy có kết cấu
và hệ thống truyền động kẹp hai phía. Do thân máy có độ cân bằng tốt, phản hồi
truyền động chính xác và cắt rất êm ở mọi thời điểm.
trang 11


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

Bảng điều khiển: là nơi thực hiện sự giao diện (thao tác) giữa người với máy.
1.6. Chu trình làm việc của hệ thống thay dao tự đợng

Hình 3. Sơ đồ hệ thống thay dao tự động

Bảng 1: Các chi tiết trong sơ đồ động
STT

Tên chi tiết

Số lượng

1

Van khí nén

2


2

Xy lanh khí nén điều khiển tang chứa dao 1

3

Cơng tắc hành trình

4

4

Giá đỡ động cơ quay tang dao

1

5

Xy lanh khí nén điều khiển trục chính

1

6

Động cơ

2

7


Trục chính

1
trang 12


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

8

Trục vít me

1

9

Tay kẹp

16

10

Tang chứa dao

1

11


dao

16

12

Cảm biến tiệm cận điện từ

3

13

Hệ thống bơm khí nén

1

Chu trình thay dao của hệ thống thay dao tự động gồm 2 trường hợp:
a, Trục chính có dao
b, Trục chính khơng có dao
Trục chính có dao
Bước 1: Nhận lệnh thay dao Txx (xx là vị trí dao đang được dự trữ trong ổ chứa
dao)
Bước 2: Trục chính di chuyển về vị trí thay dao
Bước 3: Cơ cấu Man quay đến vị trí chứa dao trên trục chính
Bước 4: Hệ thống xy lanh khí nén đẩy tang chứa dao đi vào vị trí thay dao và
kẹp dao hiện tại
Bước 5: Khí nén trong cylinder 2 được giải phóng mở chốt kẹp dao trên trục
chính
Bước 6: Trục chính di chuyển về vị trí home
Bước 7: Động cơ quay tang dao tìm dao được gọi, xoay đài dao vào vị trí

Bước 8: Trục chính di chuyển xuống vị trí lấy dao
Bước 9: Khí nén giải phóng lị xo hồi mở chấu kẹp trên trục chính và kẹp lấy
phần đuôi chuột của dao và kéo dao lên
Bước 10: Hệ thống khí nén Cylinder 1 đưa đài dao về vị trí ban đầu

trang 13


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

Bước 11: Trục chính di chuyển về vị trí home
Kết thúc q trình thay dao
Trục chính khơng có dao
Bước 1: Nhận lệnh thay dao Txx (xx là vị trí dao đang được dự trữ trong ổ chứa
dao)
Bước 2: Động cơ quay tang dao tìm dao được gọi, xoay đài dao vào vị trí
Bước 3: Hệ thống xy lanh khí nén đẩy tang chứa dao đi vào vị trí thay dao
Bước 4: Trục chính di chuyển về vị trí thay dao
Bước 5: Khí nén giải phóng lị xo hồi mở chấu kẹp trên trục chính và kẹp lấy
phần đuôi chuột của dao và kéo dao lên
Bước 6: Hệ thống khí nén Cylinder 1 đưa đài dao về vị trí ban đầu
Bước 7: Trục chính di chuyển về vị trí home
Kết thúc q trình thay dao

trang 14


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ


GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Từ các yêu cầu của đề thì chương 1 chúng ta đã nêu ra được kết cấu của hệ thống
thay dao tự động (không tay máy). Và chúng ta đã nêu ra được nguyên lý làm việc
của hệ thống trong hai trường hợp có dao trong trục chính và khơng có dao trong
trục chính. Qua chương này có thể định hình được cách hoạt động của hệ thống
như nào và tiền đề để chọn các thiết bị cảm biến và cơ cấu chấp hành cho hệ thống
cho các bước tiếp theo.

trang 15


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ ĐỘNG VÀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG
THAY DAO TỰ ĐỘNG
2.2. Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động
2.2.1. Khái niệm sơ đồ động
Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền, các
cơ cấu liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động, xác định những chuyển
động cần thiết của máy. Đồng thời trên đó cịn chỉ rõ cơng suất và số vịng quay
của động cơ điện, đường kính bánh đai, số răng của bánh răng, số đầu mối của
trục vít, số răng của bánh vít.
Dưới dây là mợt số hình vẽ quy ước của sơ đồ đợng:

trang 16



ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

trang 17


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

trang 18


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

2.3 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự đợng với 16 đài dao
2.3.1 Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự đợng
Các dữ liệu đầu vào:
N: số lượng dao của ổ chứa dao N= 16; Dmax: đường kính lớn nhất
của dao Dmax= 80mm
BT40: loại chuôi dao ; M: khối lượng của một con dao m=7kg ;Dtr:
đường kính trục chính Dtr= 80mm

Xác định gốc tính tốn cho hệ
thống


Vị trí đường tâm của Tang
Xác định bán kính Tang

Kết cấu thân đỡ của hệ thống
thay dao

Kiểm tra độ an tồn hình học:
- Kiểm tra đường kính trục
chính khi vào thay dụng cụ
-Kiểm tra lượng mở của tay
kẹp

Kết cấu của thân đỡ hệ
thống thay dao

Xác định chiều cao Tang

Kết cấu của bộ phận chứa
dao:
-kết cấu của Tang

Kiểm nghiệm độ bền của
trục

Cơ cấu điều khiển-cơ
cấu Man

-tính tốn cơ cấu kẹp dao


Tính tốn về lựa chọn ổ đĩa côn
để đỡ Tang
Lựa chọn ổ bi để đỡ trục

Lựa chọn và bố trí trục dẫn
hướng

xác định bán kính vịng trịn
chứa dao

Tính tốn hệ thống dẫn động
Tang vào thay dao – hệ thống
xylanh khí nén

Bản vẽ kết cấu của hệ thống thay dao tự động

trang 19

Tính tốn và lựa chọn
động cơ quay phân độ
Tang chứa dao


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

2.4 Phân tích và lựa chọn phương pháp điều khiển
2.4.1 Nối dây và sử dụng rơle
Rơle là loại khí cụ điện tự động dùng để đóng-cắt mạch điều khiển, hoặc mạch

bảo vệ, để liên kết giữa các khối điều khiển khác nhau, thực hiện các thao tác logic
theo một q trình cơng nghệ. Rơle có rất nhiều loại với các nguyên lý làm việc
và chức năng khác nhau như: rơle điện từ, rơle thời gian, ...
Bộ điều khiển sử dụng dây nối và role là bộ điều khiển đơn giản nhất, được sử
dụng từ khá lâu và vẫn còn được ứng dụng khá nhiều trong các ngành khác nhau.
Ưu điểm của bộ điều khiển này là điều khiển đơn giản, dễ hiểu. Tuy nhiên nó lại
có nhược điểm là độ chính xác ko cao, độ quá nhiệt lớn gây tổn thất năng lượng,
sơ đồ đấu dây rờm rà, phức tạp, khó khăn trong q trình bảo trì, bảo dưỡng hệ
thống.

Hình 2.2 Rơle điện tử

trang 20


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

2.4.2 Điều khiển bằng vi xử lý
Điều khiển sử dụng mạch vi xử lý là sử dụng các linh kiện điện tử: tranzito, điện
trở, tụ điện, diode, … tích hợp lên trên một vi mạch để điều khiển các thiết bị.
Khối xử lý trung tâm (CPU) là một bộ vi xử lý, nơi đây là nơi tiếp nhận và xử lý
tồn bộ các thơng tin của hệ thống từ đó đưa ra những phản hồi cân thiết để điều
khiển hệ thống theo ý người lập trình thiết kế. Vi xử lý thường được dùng để xây
dựng các hệ thống nhúng. Khi sử dụng trong môi trường công nghiệp, độ ổn định
của chúng chưa cao, thường bị ảnh hưởng do nhiễu từ môi trường.
2.4.3 Điều khiển bằng PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển logic lập trình được,
được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng rơle và

các thiết bị rời cồng kềnh khác, nó tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng
và linh hoạt dựa vào việc lập trình trên các thuật tốn logic cơ bản. Ngồi ra nó
cịn có thể thực hiện những tác vụ khác như: định thời gian trễ, đếm, tính tốn,
v.v…

Hình 2.3 PLC
- Ưu điểm của PLC
➢

Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu Relay.

➢

Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, muốn thay đổi phương pháp điều khiển chỉ

cần thay đổi chương trình điều khiển.
➢

Chiếm vị trí khơng gian nhỏ trong hệ thống.
trang 21


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

➢

Nhiều chức năng điều khiển.


➢

Tốc độ xử lý thời gian thực tương đối cao.

➢

Công suất tiêu thụ nhỏ

➢

Không cần quan tâm nhiều về vấn đề lắp đặt.

- PLC được sử dụng rộng rãi trong cơng nghiệp vì:
➢

Bền trong môi trường công nghiệp.

➢

Giao diện thân thiện với người sử dụng.

➢

Tốc độ xử lý tương đối cao.

➢

Có nhiều loại khác nhau để lựa chọn tùy nhu cầu sử dụng và độ phức tạp

của hệ thống điều khiển.

➢

Khả năng mở rộng và nâng cấp hệ thống: do được chế tạo dưới dạng

các modul được chuẩn hóa cho phép ghép nối các thành phần không chỉ
của một nhà sản xuất.
➢

Dễ dàng điều khiển và giám sát từ máy tính.

➢

Giá thành hợp lý tùy vào từng loại PLC

2.5 Thiết kế mạch điều khiển
2.5.1 Tổng quan về cảm biến sử dụng trong hệ thống
Cơng tắc hành trình
- Cơng tắc hành trình là dạng cơng tắc dùng để giới hạn hành trình của các
bộ phận chuyển động, Nó có cấu tao như các loại cơng tắc điện bình thường,
nhưng được thiết kế thêm cần tác động sao cho các bộ phận chuyển động
dễ dàng tác động vào nó làm tiếp điểm bên trong thay đổi các trạng thái.
Và có một sự khác biệt nữa là cơng tắc hành trình thường là loại khơng duy
trì trạng thái, khi khơng cịn tác động thì sẽ trở về lại vị trí ban đầu. Trên
cần tác động thường có gắn một bánh xe để khi bị tác động khơng bị mài
mịn, và dẫn động dễ dàng hơn.
-

Ngun lý của các cơng tắc hành trình dùng trong hệ thống thay dao: khi
có vật đi qua đá vào cơng tắc hành trình thì sẽ làm thay đổi trạng thái các
tiếp điểm bên trong của cơng tắc hành trình. Khi khơng còn tác động lên

trang 22


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

cơng tắc hành trình thì các tiếp điểm bên trong cơng tắc hành trình sẽ trở về
trạng thái ban đầu.
Để giới hạn hành trình di chuyển của đài dao và hành trình di chuyển của
cụm trục chính em sử dụng cơng tắc hành trình kiểu địn bẩy của hãng
Omron với kết cấu đơn giản, kích thước nhỏ gọn, tốc độ đóng ngắt nhanh.

Hình 2.4 Cơng tắc hành trình
Omron SHL-W255

Thơng số kĩ thuật:
- Bộ truyền động: Địn bẩy con lăn bản lề ngắn
- Nhiệt độ làm việc: -10°C ~ 80°C
- Mức độ bảo vệ: IP67
- Xuất Xứ: Nhật bản

Cấu tạo:

trang 23


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang


Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors):
Cảm biến tiệm cận (Cịn gọi là “cơng tắc tiệm cận” hoặc đơn giản là “PROX”
tên tiếng anh là Proximity Sensors. Phản ứng khi có vật ở gần cảm biến. Trong
hầu hết các trường hợp, khoảng cách này chỉ vài mm. Vận hành đáng tin cậy kể
cả trong điều kiện khắc nhiệt. Cảm biến tiệm cận thường phát hiện vị trí cuối
của chi tiết máy và tín hiệu đầu ra của cảm biến khởi động một chức năng khác
của máy.
-

Các lợi ích chính của cảm biến tiệm cận cơng nghiệp là:
+ Vận hành/cài đặt đơn giản và dễ dàng
+ Mức giá hấp dẫn (ví dụ: rẻ hơn Cảm biến quang điện)

-

Ngày nay, cảm biến tiệm cận có mặt trong nhiều loại hình cơng nghiệp và

ứng dụng. Một số ví dụ:
+ Cơng nghiệp chế tạo ô tô
+ Công nghiệp máy công cụ
+ Công nghiệp chế biến thực phẩm
+ Xe đa dụng (ví dụ: xe tải, máy nông nghiệp)
+ Máy rửa xe
Phân loại Cảm biến Tiệm cận
Có 2 loại cảm biến tiệm cận cơng nghiệp chính là:
+ Cảm biến tiệm cận điện từ phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện
từ. Thiết bị chỉ phát hiện được vật kim loại.
+ Cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường
điện dung tĩnh điện. Do đó, thiết bị này có thể phát hiện mọi loại vật.


trang 24


ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Giang

Hình 2.6 Phân loại cảm biến tiệm cận
Cách vận hành của Cảm biến điện từ
Cảm biến từ tiệm cận bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh một lõi từ ở
đầu cảm ứng. Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một trường điện từ dao
động quanh nó. Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểm soát.
Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dịng điện (dịng
điện xốy) trong vật. Những dịng điện này gây ra tác động như máy biến thế, do
đó năng lượng trong cuộn phát hiện giảm đi và dao động giảm xuống; độ mạnh
của từ trường giảm đi.

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện từ
Nguyên lý hoạt động cảm biến từ

trang 25