Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm cam điện tử (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm cam điện tử (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THANH PHÚC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CAM ĐIỆN TỬ S K C 0 0 3 96 51 93 NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 0 3 7 2 8 Tp. Hồ Chí Minh, 2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ THANH PHÚC NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM CAM ĐIỆN TỬ NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG Tp. Hồ Chí Minh, 2012
3. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: Lê Thanh Phúc Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 22/09/1986 Nơi sinh: Tp.HCM Quê quán: Bình Định Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: 03 đường 04, Kp.4, P.Bình Chiểu, Q.Thủ Đức, Tp.HCM Di động: 0905.084.884. E-mail: lephucc86@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Cao đẳng : Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 09/2004 đến 07/2007 Nơi học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Cơ khí chế tạo máy 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 09/2004 đến 07/2009 Nơi học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Ngành học: Cơ khí chế tạo máy Tên đồ án: THIẾT KẾ MÁY DÁN GIẤY NHÔM VÀO GIẤY ROCKWOOL Ngày bảo và nơi bảo vệ đồ án: 07/2009, Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Người hướng dẫn: Dương Bình Nam III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2009- 6/2010 Công ty TNHH nhôm TungShin Nhân viên thiết kế 6/2010-9/2011 Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Học viên 9/2011-Hiện tại Cao đẳng nghề Tp.HCM GV-NV phòng đào tạo i
4. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012 Lê Thanh Phúc ii
5. LỜI CẢM TẠ Để hoàn thành được luận văn này, tôi xin chân thành cám ơn: Thầy Lê Hiếu Giang đã tin tưởng giao cho tôi một đề tài nghiên cứu hay, có tính ứng dụng thực tiễn cao, cũng như những hướng dẫn, góp ý tận tình của thầy. Cám ơn cha mẹ, anh chị em tôi, đã tạo điều kiện cho tôi học tập và nghiên cứu trong suốt thời gian qua. Cám ơn những lời động viên chân thành trong những lúc khó khăn, cũng như những sự giúp đỡ nhiệt tình của bạn bè tôi, đã tạo động lực cho tôi hoàn thành luận văn này. Và xin chân thành cám ơn qúy thầy cô trong hội đồng bảo vệ chuyên đề đã cho tôi những góp ý quý báu để hoàn chỉnh luận văn này. Tp. HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2012 Lê Thanh Phúc iii
6. TÓM TẮT Cam cơ khí là một thiết bị được sử dụng nhiều trong máy móc công nghiệp. Nó biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến để điều khiển các cơ cấu chấp hành Tuy nhiên, cam cơ khí có một số nhược điểm là thiếu linh hoạt, tốn nhiều thời gian để thay đổi thông tin cam, làm mài mòn các chi tiết máy Nên ngày nay người ta đã phát minh ra cam điện tử để khắc phục nhược điểm trên của cam cơ khí. Mô hình thí nghiệm cam điện tử, được thực hiện từ 09/2011 đến 02/2012 tại trường đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM, là một thiết bị có nguyên lý hoạt động giống như cam điện tử, đều dựa trên những thông tin cam cơ khí để tính toán xây dựng bộ điều khiển cho các cơ cấu chấp hành như động cơ bước, trục vit me, đai ốc để tạo ra những chuyển động tịnh tiến giống cam cơ khí. Đồng thời, mô hình thí nghiệm cam điện tử cũng vẽ ra biên dạng cam cơ khí. Từ đó, ta so sánh biên dạng này với biên dạng của cam cơ khí để kiểm tra sự chính xác của chuyển động tịnh tiến do cam điện tử tạo ra so với cam cơ khí. ABSTRACT Mechanical Cam is a device, widely used in many different kinds of industrial mechanies. It is used to translate from circular to reciprocating (or sometimes oscillating) motion to operate However, mechanical cam has numerous constraints such as lack of flexibility, wasted time to modify cam profiles, wear of mechanical components So right now, people have invented the electronic cam to fix these constraints. Experimental model of electronic cam, made from 09/2011 to 02/2012 at University of Technical Education HCM City, can be seen as a device which is of the same operating principle as electronic cam. It also is based on the information cam to calculate, build control program for the actuators such as step motors, screw, screw nut to creat the reciprocating motions. In addition, experimental model of iv
7. electronic cam also draws cam profile. Since then, I can compare this profile with profile of mechanical cam to check the accuracy of the reciprocating motion generated by experimental model of electronic cam than mechanical cam. v
8. MỤC LỤC TRANG TỰA QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii CẢM TẠ iii TÓM TẮT iv MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC HÌNH viii DANH SÁCH CÁC BẢNG x Chương 1. TỔNG QUAN 1 1.1 Tồng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1 1.2. Mục tiêu, khách thể đối tượng nghiên cứu 8 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu 8 1.4. Phương pháp nghiên cứu 9 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1. Cơ sơ thiết kế cam 10 2.2. Cơ sở thiết kế cam điện tử 18 Chương 3. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH CAM ĐIỆN TỬ 26 3.1. Thiết kế sơ bộ các chi tiết máy. 26 3.2. Tính toán thiết kế các chi tiết máy 32 Chương 4. THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN CHO CAM ĐIỆN TỬ 35 4.1. Các vấn đề cần giải quyết 35 4.2. Phân tích và đưa ra giải pháp 36 4.3. Nội suy đường thẳng theo phương pháp DDA 37 4.4. Thiết kế phần cứng cho cam điện tử 41 Chương 5. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB 47 5.1. Mô phỏng biên dạng cam ụ trục phôi 49 5.2. Mô phỏng biên dạng cam bàn dao đòn cân 50 vi
9. 5.3. Mô phỏng biên dạng cam bàn dao đứng 51 Chương 6. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 53 6.1. Giới thiệu mô hình thí nghiệm cam điện tử 53 6.2. Mô phỏng thực tế 54 6.3. So sánh kết quả mô phỏng Matlab và kết quả mô phỏng thực tế 60 Chương 7. KẾT LUẬN 62 7.1. Những kết quả đạt được 62 7.2. Hạn chế của đề tài 62 7.3. Hướng phát triển của đề tài 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63 PHỤ LỤC 64 vii
10. DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1 Thí nhiệm mô tả nguyên lý hoạt động của cam 1 Hình 1.2 Cơ cấu cam cơ khí 1 Hình 1.3 Các cơ cấu cam phẳng 2 Hình 1.4 Các loại cam không gian 2 Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động cam điện tử 3 Hình 1.6 Cấu tạo cam điện tử 3 Hình 1.7 Bộ điều khiển CJW-NC[][]4 4 Hình 1.8 Bộ điều khiển Ultra 5000 5 Hình 1.9 Bộ điều khiển SDS5000 và MDS5000 5 Hình 1.10 Bộ điều khiển FM 452 6 Hình 1.11 Bộ điều khiển XSEL – P/Q 7 Hình 2.1 Sơ đồ bố trí cam đĩa 11 Hình 2.2 Các thông số cơ bản của cam đĩa 11 Hình 2.3 Vị trí và các thông số cơ bản của cam thùng 12 Hình 2.4 Các thông số cơ bản của mãnh cam 13 Hình 2.5 Sơ đồ chu trình làm việc của hệ thống cam cơ khí 14 Hình 2.6 Hình vẽ cam ụ trục phôi 15 Hình 2.7 Hình vẽ cam bàn dao đòn cân 16 Hình 2.8 Hình vẽ cam bàn dao đứng 17 Hình 2.9 Modul điều khiên PLC 20 Hình 2.10 Vi điều khiển 21 Hình 2.11 Động cơ servo 22 Hình 2.12 Động cơ bước 23 Hình 2.13 Hệ thống điểu khiển servo 24 viii
11. Hình 3.1 Cơ cấu bánh răng, thanh răng 26 Hình 3.2 Động cơ tuyến tính 28 Hình 3.3 Cơ cấu trục vít me, đai ốc 29 Hình 3.4 Mô hình lắp ráp mô phỏng động học 30 Hình 3.5 Mô phỏng nguyên lý hoạt động của mô hình thí nghiệm 31 Hình 3.6 Mô hình lắp ráp theo kích tước tính toán 34 Hình 4.1 Sơ đồ mô hình thí nghiệm cam điện tử 35 Hình 4.2 Biên dạng và chu trình làm việc của cam 36 Hình 4.3 Nội suy tuyến tính 37 Hình 4.4 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 42 Hình 4.5 Lưu đồ giải thuật cho bộ điều khiển 43 Hình 4.6 Cấu trúc Pic 16F877A 44 Hình 4.7 Sơ đồ chân của Pic 16F877A 45 Hình 4.8 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất 46 Hình 5.1 Giao diện mô phỏng biên dạng cam đĩa 48 Hình 5.2 Biên dạng và các thông số cam ụ trục phôi 49 Hình 5.3 Biên dạng và các thông số cam bàn dao đòn cân 51 Hình 5.4 Biên dạng và các thông số cam bàn dao đứng 52 Hình 6.1 Bảng điều khiển 53 Hình 6.2 Mô phỏng thực nghiệm cam ụ trục phôi 55 Hình 6.3 Kết quả thực nghiệm cam ụ trục phôi 55 Hình 6.4 Mô phỏng thực nghiệm cam bàn dao đòn cân 57 Hình 6.5 Kết quả thực nghiệm cam bàn dao đòn cân 57 Hình 6.6 Mô phỏng thực nghiệm cam bàn dao đứng 59 Hình 6.7 Kết quả thực nghiệm cam bàn dao đứng 59 Hình 6.8 So sánh kết quả mô phỏng Matlab và thực tế cam ụ trục phôi 60 Hình 6.9 So sánh kết quả mô phỏng Matlab và thực tế cam bàn dao đòn cân 60 Hình 6.10 So sánh kết quả mô phỏng Matlab và thực tế cam bàn dao đứng 61 ix
12. DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2.1 Phiếu điều chỉnh 14 Bảng 2.2 Thông số cam ụ trục phôi 15 Bảng 2.3 Thông số cam bàn dao đòn cân 16 Bảng 2.4 Thông số cam bàn dao đứng 17 x
13. Chương 1. Tổng quan Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tồng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1.1 Giới thiệu Cam: Thí nghiệm đơn giản: Hình 1.1 Thí nhiệm mô tả nguyên lý hoạt động của cam. Dùng một cây viết chì và một quyển sách để làm thí nghiệm (hình1.1) Ta dựng quyển sách nghiêng một góc so với mặt bàn như hình vẽ và sử dụng bút chì làm một thanh trượt. Nếu ta dịch chuyển quyển sách sang trái thì cây viết chì sẽ dịch chuyển đi lên. Bằng phương pháp này, ta đã chuyển đổi một chuyển động này thành một chuyển động khác bằng một thiết bị rất đơn giản. Đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của cam. 1.1.2 Định nghĩa cơ cấu cam : Định nghĩa Cơ cấu cam là cơ cấu có khớp loại cao, thực hiện chuyển động qua lại của khâu bị dẫn nhờ vào đặc tính hình học của thành phần khớp cao trên khâu dẫn. Hình 1.2 Cơ cấu cam cơ khí 1
14. Chương 1. Tổng quan Phân loại Cơ cấu cam phẳng: các khâu chuyển động trong một mặt phẳng hay trong các mặt phẳng song song nhau Theo chuyển động cam: cam quay, cam tịnh tiến. Theo chuyển động của cần: lắc, tịnh tiến, chuyển động song phẳng. Theo dạng đáy của cần: bằng, nhọn, con lăn, biên dạng bất kỳ. Hình 1.3 Các cơ cấu cam phẳng Cơ cấu cam không gian: các khâu chuyển động trong các mặt phẳng không song song. Hình 1.4 Các loại cam không gian 2
15. Chương 1. Tổng quan 1.1.3. Cam điện tử Chính vì sự thiếu linh hoạt và không đáp ứng được yêu cầu trong sản xuất hiện đại nên cam cơ khí ngày càng dần được thay thế bằng thiết bị điều khiển bằng điện tử gọi là cam điện tử. Định nghĩa cam điện tử: Cam điện tử là một thiết bị kỹ thuật được sử dụng để thực hiện chuyển động qua lại tương tự như cam cơ khí. Hình 1.5 Nguyên lý hoạt động cam điện tử Ta chỉ cần nhập các thông số của cam cơ khí vào bộ điều khiển , bộ điều khiển sẽ tự động tính toán để điều khiển động cơ bước, servo để tạo chuyển động cho cơ cấu vit me, đai ốc, bánh răng, thanh răng Hình 1.6 Cấu tạo cam điện tử 3
16. Chương 1. Tổng quan 1.1.4. Phạm vi ứng dụng của cam Cơ cấu cam được sử dụng trong các máy tự động, trong hệ thống điều khiển các quá trình công nghệ và trong nhiều bộ phận máy như: hệ đóng mở van nạp, van xả của động cơ đốt trong, điều khiển các bánh răng di trượt dọc trục ra vào khớp để thay đổi tốc độ trong các hợp số, đóng gói bao bì trong công nghiệp, trong ngành công nghiệp gỗ, xử lý vật liệu, máy in 1.1.5. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về cam điện tử Trên thế giới, cam điện tử đã được nghiên cứu từ lâu và được ứng dụng rất nhiều trong công nghiệp. Cơ sở để thiết kế các cam điện tử này là đều dựa vào các thông số cơ bản của cam như biên dạng cam, góc quay của trục phân phối và khoảng nâng cam để thiết kế ra một bộ điều khiển cho các động cơ ví dụ như động cơ bước, servo, DC .Những động cơ này sẽ tạo ra những chuyển động giống như cam cơ khí để điều khiển các cơ cấu chấp hành. Sau đây là một số bộ điều khiển cam điện tử của các hàng sản xuất lớn trên thế giới: Hình 1.7 Bộ điều khiển CJW-NC[][]4 Bộ điều khiển CJW-NC[][]4 do hãng OMRON chế tạo, bộ điều khiền này điều khiển 2 động cơ servo, để tạo ra chuyển động tịnh tiến cho đai ốc và chuyển động quay cho trục quấn dây. (www.omron-ap.com/product_info/CJ1W-NC%5B%5D%5B%5D4/index.asp) 4
17. Chương 1. Tổng quan Hình 1.8 Bộ điều khiển Ultra 5000 Bộ điều khiển Ultra5000 của hãng Rockwell Automation, bộ điều khiền này điều khiển 2 động cơ servo, để tạo ra chuyển động tịnh tiến dọc cho bàn máy và chuyển động ngang cho đầu công tác. ( Hình 1.9 Bộ điều khiển SDS5000 và MDS5000 5
18. Chương 1. Tổng quan Bộ điều khiển SDS5000 và MDS5000 của hãng Stoeber dùng để điều khiển động cơ servo. Nguyên lý thiết kế bộ điều khiển này là dựa vào sự quan hệ giữa vị trí, góc quay trục phân phối vị trí của cơ cấu chấp hành để xây dựng thuật toán điều khiển các động cơ servo. ( Hình 1.10 Bộ điều khiển FM 452 Bộ điều khiển FM 452 của hãng Siemens, là một modul điều khiển đơn, và nó được gắn vào hệ thống tự đông S7-400. Nó được dùng trong những chuyển động quay và tịnh tiến. Khi vận hành nó có thể nhận được tín hiệu phản hồi từ Encoder . ( 400_fm452_operating_instructions_en_en-US.pdf) 6
19. Chương 1. Tổng quan Hình 1.11 Bộ điều khiển XSEL – P/Q Bộ điều khiển XSEL – P/Q của hãng IAI, bộ điều khiển được ứng dụng trong các máy tự động, ví dụ như điều khiển cánh tay Robot, chuyển động tịnh tiến qua lại của Robot như là chuyển động quay của trục phân phối và chuyển động này phối hợp với chuyển động của dao cắt để cắt vật liệu liên tục mà không phải cần dừng băng tải. ( 1A.pdf) Ngoài ra trên thế giới cũng có rất nhiều công trình nghiên cứu về cam điện tử và những công trình nghiên cứu này là cơ sở để thiết kế các bộ điều khiển như đã giới thiệu ở phần trên. Dean H Kim et al.,2000 [9] : Tăng hiệu suất hệ thống truyền động điện, thủy khí cho chuyển động của cam điện tử bằng thiết kế hệ thống điều khiển số cho hệ thống điện, thủy khí servo. Andrzej Anderk et al.,1999[10]: Hệ thống điều khiển cam điện tử, với hướng nghiên cứu tạo ra bộ điều khiển kỹ thuật số cho động cơ servor để tạo ra những chuyển động tương đương giống như cam cơ khí tạo ra. Bộ điều khiển dựa vào bản thông số dữ liệu về các đặc tính của cam cơ khí và các dữ liệu nội suy, đạo hàm cấp một để xác định vị trí và vận tốc để điều khiển động cơ servo . Masao Ikeguchi et al.,2000 [13]: Phương pháp điều điển cam điện tử dạng dao cắt quay tròn và cách tạo ra đường cong cam diện tử, với hướng nghiên cứu là tạo ra một phương pháp điều khiển các loại máy cắt vật liệu, đóng gói mà 7
20. Chương 1. Tổng quan chu kỳ chuyển động được xác định cụ thể bằng cách sử dụng động cơ servo tạo ra những chuyển động giống như chuyển động cam cơ khí tạo ra. Ikuo Nagamatsu et al.,2002[12]: Thiết bị cam điện tử và phương pháp chuẩn bị dữ liệu cam trong cam điện tử, với hướng nghiên cứu là la tạo ra một thiết bị tạo ra những chuyển động giống như cam bằng cách dựa vào các dữ liệu cam có sẵn. Ở Việt Nam, các đề tài nghiên cứu về cam điện tử chưa thật sự nhiều. Chính vì vậy, tôi xin chọn đề tài nghiên cứu này để tìm hiểu và giải mã công nghệ thiết kế bộ điều khiển cam điện tử trên thế giới và từ đó ứng dụng nó vào trong thực tiễn, sản xuất. 1.2. Mục tiêu, khách thể đối tượng nghiên cứu Mục đích của luận văn: Để giảm thời gian thay đổi biên dạng cam Mục tiêu của luận văn : Thiết kế, chế tạo mô hình và bộ điều khiển cam điện tử với những đặc điểm là khi nhập những thông tin cam cơ khí vào bộ điều khiển, bộ điều khiển sẽ tính toán, điều khiển số cho động cơ servo, động cơ bước để tạo ra những chuyển động giống như chuyển động do cam cơ khí tạo ra, đồng thời cũng vẽ ra được biên dạng của cam mà ta đang khảo sát. 1.3. Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu Để thực hiện mục tiêu trên, luận văn cần tập trung vào các vấn đề sau: Tìm hiểu về cách thiết kế cam cơ khí từ đó tìm ra hướng nghiên cứu cho hệ thống điều khiển cam điện tử. Thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí. Mô phỏng động học mô hình thí nghiệm để tìm ra hướng điều khiển. Thiết kế và thực hiện mạch điều khiển cho mô hình thí nghiệm Thiết kế giao diện vẽ biên dạng cam bằng phần mềm Matlab. Kiểm tra kết quả đạt được qua hoạt động của mô hình thí nghiệm. Nhận xét kết quả và kết luận. 8
21. Chương 1. Tổng quan Giới hạn của đề tài: Mô hình thí nghiệm chỉ được dùng để mô phỏng chuyển động do cam đĩa tạo ra. Để có số liệu nhập vào bộ điều khiển thì cần phải chuẩn bị trước các thông số của cam cơ khí đang khảo sát như phiếu điều chỉnh, chu trình làm việc 1.4. Phương pháp nghiên cứu Dựa vào cơ sở lý thuyết điều chỉnh máy tự động, ta nghiên cứu cách thiết kế cam cơ khí, tìm hiểu các thông số của cam cơ khí. Từ đó, ta tiến hành số hóa các thông số đó, để làm cơ sở viết chương trình cho phần điều khiển. Chạy chương trình điều khiển trên mô hình thí nghiệm cam điện tử và so sánh kết quả đạt được với lại kết quả mô phỏng bằng Matlab để kiểm tra độ chính xác của bộ điều khiển được thiết kế. 9
22. S K L 0 0 2 1 5 4