Thiết kế, lắp ráp hệ thống cấp phôi tự động điều khiển bằng điện khí nén và mô hình nghiên cứu động lực học của piston-Xilanh khí nén

THIẾT KẾ, LẮP RÁP HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 
ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐIỆN KHÍ NÉN VÀ MÔ HÌNH 
NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA PISTON-XILANH 
KHÍ NÉN 
THE DESIGN AND INSTALLATION OF AUTOMATIC RAW MATERIAL 
FEEDING SYSTEM CONTROLLED BY ELECTROPNEUMATIC 
TECHNOLOGY AND THE RESEARCH MODEL OF THE DYNAMICS OF 
PISTON-XYLANDER PNEUMATIC SYSTEMS 
TRẦN XUÂN TUỲ – PHAN VĂN LỘC – HOÀNG TIẾN PHƯỢNG 
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 
TÓM TẮT 
Bài báo này giới thiệu kết quả nghiên cứu về thiết kế, chế tạo và lắp ráp một mô hình hệ 
thống cấp phôi tự động ứng dụng kỹ thuật điện khí nén, điều khiển bằng lập trình PLC và xây 
dựng mô hình nghiên cứu động lực học của cụm piston xylanh khí nén. 
ABSTRACT 
The article presents the study on designing, manufacturing and installing an automatic raw-
material feeding sysem applying the electropneumatic technology generated by the 
programed PLC. The paper focuses on planning a research model on the dynamics of piston-
xylander pneumatic systems. 
 1. §Æt vÊn ®Ò 
 HiÖn nay ë ViÖt Nam, kü thuËt ®iÒu khiÓn ®iÖn khÝ nÐn ®-îc øng dông chiÕm tû lÖ cao 
trong c¸c d©y chuyÒn s¶n xuÊt tù ®éng, vÝ dô nh- d©y chuyÒn s¶n xuÊt xi m¨ng, d©y chuyÒn 
s¶n xuÊt g¹ch men, d©y chuyÒn l¾p r¸p «t«, d©y chuyÒn l¾p r¸p c¸c thiÕt bÞ ®iÖn tö, d©y chuyÒn 
s¶n xuÊt d-îc phÈm... nªn viÖc nghiªn cøu l¾p r¸p thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn ®iÖn khÝ nÐn cã chÊt 
l-îng ®éng lùc häc cao lµ rÊt cÇn thiÕt cho thùc tiÔn s¶n xuÊt. 
 §Ò tµi nghiªn cøu vÒ thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ l¾p r¸p mét m« h×nh hÖ thèng cÊp ph«i tù 
®éng øng dông kü thuËt ®iÖn khÝ nÐn, ®iÒu khiÓn b»ng lËp tr×nh PLC vµ x©y dùng m« h×nh 
nghiªn cøu ®éng lùc häc cña côm piston xylanh khÝ nÐn phôc vô cho ®µo t¹o vµ nghiªn cøu lµ 
c¬ së ®Ó thiÕt kÕ, l¾p r¸p c¸c d©y chuyÒn tù ®éng cã ®é phøc t¹p cao h¬n phôc vô cho thùc tÕ 
s¶n xuÊt. 
 2. Néi dung nghiªn cøu 
 M« h×nh nghiªn cøu cña thiÕt bÞ ®-îc l¾p r¸p: 
H×nh 2. B¶n vÏ chung cña hÖ thèng 
æ chøa ph«i 
M©m quay 
Tay m¸y 
B¨ng chuyÒn 
H×nh 1. M« h×nh ph-¬ng ¸n hÖ thèng cÊp ph«i 
C¸c thiÕt bÞ chÊp hµnh: 
 - æ cÊp ph«i: æ chøa ph«i (1) D=220mm, H=135mm; §Üa mang ph«i (2) D=210mm 
víi 6 lç D=18mm n= 7vg/p; §éng c¬ mét chiÒu (5) cã U =12v«n; Hép gi¶m tèc (3) i=1/50; 
Xylanh ®Èy ph«i (7) hµnh tr×nh L=75mm. 
 - M©m quay: M©m ph©n ®é (8) D=250mm; Xylanh quay (9). 
 - Tay m¸y chuyÓn ph«i: Xylanh n©ng h¹ (10) H=120mm; Xylanh quay gãc (11) 
D=16mm; Xylanh kÑp ph«i (13) D =10mm; C¬ cÊu kÑp ph«i (14) chuyÓn ®éng tÞnh tiÕn khø 
håi; C¸nh tay (12) quay gãc. 
 - B¨ng chuyÓn ph«i: B¨ng t¶i (16) B=120mm, L=600mm, ®iÒu chØnh v« cÊp tèc ®é; 
§«ng c¬ (20); Bé truyÒn ®ai (17) i=1/4; Hép gi¶m tèc (18) i=1/20. 
ThiÕt bÞ ®iÒu khiÓn: 
 Bé PLC Simatic S7-200, phÇn mÒm sö dông lµ Step 7 -Mic ro/Win32. 
 Chu¬ng tr×nh ®iÒu khiÓn gåm khai b¸o c¸c biÕn, ch-¬ng tr×nh chÝnh, c¸c ch-¬ng tr×nh 
con, ch-¬ng tr×nh cho phÐp Reset hÖ thèng vµ ®iÒu khiÓn cho hÖ thèng ho¹t ®éng. 
 Ch-¬ng tr×nh ®-îc n¹p trong bé PLC ®Ó cã thÓ ®iÒu khiÓn trùc tiÕp trªn m¸y theo mét 
chu tr×nh nhÊt ®Þnh hoÆc ®iÒu khiÓn qua m¸y tÝnh. 
M« h×nh nghiªn cøu ®éng lùc häc cña piston xylanh khÝ nÐn cã kÕt cÊu kh«ng ®èi xøng: 
 HÖ ph-¬ng tr×nh m« t¶ qu¸ tr×nh lµm viÖc cña piston xylanh khÝ nÐn khi pP vµ pn kh«ng 
®æi, S1 = S2, TS = T vµ gia tèc kh«ng ®æi lµ: 
PP 
V1 
T1 
S2 
S1 
Pn, V2, T2 
x 
q1 q2 
 M 
 FL 
H×nh 4. M« h×nh tÝnh to¸n ®éng lùc häc cña xilanh khÝ nÐn 
H×nh 3. S¬ ®å hÖ ®iÒu khiÓn 
v
dt
dy
const
M
F
pp
M
S
dt
dv
v
Tp
Sp
m
V
Trk
dt
dp
v
Tr
Sp
m
V
Trk
dt
dp
L
n
p
)[(
0].
.
.
[
..
0].
.
.
[
..
21
2
2
2
1
1
1
 (1) 
vµ v
Tr
Sp
m
p
.
.
.
1 ; v
Tr
Sp
m n .
.
.
2 ; const
M
F
pp
M
S
dt
dv L
np )( 
M« h×nh qu¸ tr×nh ®éng lùc häc cña pitt«ng xilanh khÝ nÐn cã kÕt cÊu ®èi xøng: 
H×nh 5. M« h×nh ®iÒu khiÓn piston xylanh khÝ nÐn cã kÕt cÊu ®èi xøng 
C¸c ph-¬ng tr×nh m« t¶ hÖ sÏ lµ: 
 ]..
.
.[
.)0(
..
vS
Tr
p
Q
ySV
Trk
dt
dp
S
p
p
p
Sp 
]..
.
[
.)0(
..
vS
Tr
p
Q
ySV
Trk
dt
dp
S
n
n
n
Sn 
 (2) 
].[
1
21 Lmsmsnp FFFSppS
Mdt
dv
Trong ®ã: v
dt
dy
 ; vfFms .11 ; vfFms .22 ; FL - t¶i träng ngoµi; Vp(0) = Vmp + S.
2
l
 ; 
Vn(0) = Vmn =+ 
2
.
l
S ; Vp(0) = S.y = Vp(y) ; Vn(0) - S.y = Vn(y) 
F
f
v
V
SV
Q
Q
u
P P
L
ms2
n
np
p
mp
mn
-l/2
0
l/2 y
f
ms1
 Ph-¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cho hÖ tuyÕn tÝnh lµ: 
*
*
*
*
*
*
*
*
*
.
0
0
.)0(
...
.)0(
...
.
0100
0
0
.)0(
..
.)0(
...
0
0
.)0(
..
0
.)0(
...
u
ySV
GTrk
ySV
GTrk
y
v
p
p
M
f
M
S
M
S
ySV
Spk
ySV
CTrk
ySV
Spk
ySV
CTrk
y
v
p
p
dt
d
e
n
un
e
S
e
p
up
e
S
n
p
e
n
n
e
e
n
p
e
S
e
p
p
e
e
p
p
e
S
n
p
n
p
LF
M
*.
0
1
0
0
 (3) 
Trong ®ã: 
e
p
e
p
p
pm
p
e
uu
pp
p
puq
C
p

 
),(
 ; 
e
n
e
n
n
nm
p
e
uu
pp
p
puq
C
n

 
),(
 (4) 
lµ c¸c hÖ sè khuÕch ®¹i l-u l-îng/¸p suÊt 
e
p
e
ppm
up
e
uu
pp
u
puq
G


),(
 ; 
e
n
e
nnm
un
e
uu
pp
u
puq
G


),(
 (5) 
lµ c¸c hÖ sè khuÕch ®¹i l-u l-îng/ ®iÖn ¸p ®iÒu khiÓn 
H×nh 6. S¬ ®å khèi m« t¶ m« h×nh ®éng lùc häc cña hÖ 
 Víi hÖ tuyÕn tÝnh vµ tÝn hiÖu vµo kh«ng ®æi th× s¬ ®å khèi m« t¶ qu¸ tr×nh ®éng lùc 
häc cña côm piston xylanh khÝ nÐn hÖ thÓ hiÖn ë h×nh 6. 
u*
u*
n
-1
S
sr.T
V (y )
s
n
k.r.T
nP*
v*
S
-
e
G
pu
u*
p s
V (y )
k.r.T
p
+
s
-
r.T
S
+
pP*
S
v*
a*1 y*v*+
M
f
F*L
e
u
G
n
e
e
Pp
C
+
-
pP
e
-
-
n
C
P
e
++
+
-
P*n
e
 


 3. KÕt luËn 
 Ph«i h×nh trô víi kÝch th-íc chiÒu cao b»ng ®-êng kÝnh lµ mét trong nh÷ng lo¹i thùc 
hiÖn cÊp ph«i tù ®éng khã nhÊt hiÖn nay. §Ò tµi nµy ®· thiÕt kÕ, chÕ t¹o vµ l¾p r¸p hoµn chØnh 
mét hÖ thèng cÊp ph«i tù ®éng ®iÖn khÝ nÐn, ®iÒu khiÓn b»ng PLC phôc vô cho ®µo t¹o vµ 
nghiªn cøu. Trong qu¸ tr×nh thùc hiÖn, lùa chän ®-îc c¸c th«ng sè kü thuËt cña c¬ cÊu c«ng 
t¸c t-¬ng thÝch víi thiÕt bÞ ®iÒu khiÓn nh»m ®¶m b¶o cho hÖ thèng lµm viÖc ªm vµ tin cËy. 
 VËn dông lý thuyÕt truyÒn ®éng vµ ®iÒu khiÓn khÝ nÐn, ®iÖn khÝ nÐn vµ lý thuyÕt ®iÒu 
khiÓn tù ®éng hÖ tuyÕn tÝnh ®Ó x©y dùng m« h×nh to¸n m« t¶ qu¸ tr×nh ®éng lùc häc cña côm 
piston xylanh khÝ nÐn. Trªn c¬ së cña m« h×nh nµy ta cã thÓ kh¶o s¸t qu¸ tr×nh ®éng lùc häc 
cña hÖ b»ng ch-¬ng tr×nh tÝnh to¸n trªn m¸y tÝnh. 
 Tõ nh÷ng kÕt qu¶ nµy nhãm nghiªn cøu cã thÓ thiÕt kÕ, l¾p r¸p c¸c d©y chuyÒn tù ®éng 
®iÒu khiÓn ®iÖn khÝ nÐn cã ®é phøc t¹p cao h¬n. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Jacques Faisandier, Mécanismes hydrauliques et pneumatiques, Đunod, Paris, 1999. 
[2] Jean-Yves Fabert, Automatismes et automatique, Ellipses, Paris, 2003. 
[3] Robert B., Goodman PE., A primer on pneumatic valve and cotrols kriger publishing 
[4] company, Malabar, Florida, 1997. 
[5] Tài liệu hướng dẫn Step 7 - Win32, PLC Simatic S7-200.