Luận Văn Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống MiniCIM

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI Độc lập – Tự do – Hạnh phúc


NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP
​
Họ và tên sinh viên:
Nguyễn Trường Phi Phạm Ngọc Hiếu
Kiều Quý Cảnh Trần Ngọc hùng
Nguyễn Anh Dũng Trần Hoàng Mạnh
Nguyễn Duy Hiệp Võ Hoài Nam
Hoàng Anh Thông

Khóa : 47 Khoa : Cơ khí Ngành : Cơ điện tử

I. ĐỀ TÀI :
Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống MiniCIM

II. NỘI DUNG

Chương I. Tổng quan về hệ thống CIM.
Chương II. Cấu trúc hệ thống CIM.
Chương III. Thiết kế máy CNC.
Chương IV. Thiết kế robot.
Chương V. Thiết kế hệ thống băng tải.
Chương VI. Xây dựng hệ điều khiển cho hệ thống CIM.
Phụ lục bản vẽ.
Phụ lục chương trình điêu khiển

III. Tập thể cán bộ hướng dẫn: GS.TS. Trần Văn Địch
TS. Nguyễn Huy Ninh

IV. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế đồ án .
V. Ngày hoàn thành đồ án







BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI


BẢN NHẬN XÉT TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:
Nguyễn Trường Phi Phạm Ngọc Hiếu
Kiều Quý Cảnh Trần Ngọc Hùng
Nguyễn Anh Dũng Trần Hoàng Mạnh
Nguyễn Duy Hiệp Võ Hoài Nam
Hoàng Anh Thông

Khóa : 47 Khoa : Cơ khí Ngành : Cơ điện tử
Tập thể cán bộ hướng dẫn:
GS.TS. Trần Văn Địch
TS. Nguyễn Huy Ninh

1. Nội dung thiết kế đồ án tốt nghiệp.
NGHIÊN CỨU - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO HỆ THỐNG MINICIM

Chương I. Tổng quan về hệ thống CIM.
Chương II. Cấu trúc hệ thống CIM.
Chương III. Thiết kế máy CNC.
Chương IV. Thiết kế robot.
Chương V. Thiết kế hệ thống băng tải.
Chương VI. Xây dựng hệ điều khiển cho hệ thống CIM.
Phụ lục các bản vẽ.
Phụ lục chương trình điều khiển.


MỤC LỤC

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CIM 14
I. Các khái niệm cơ bản về CIM. 14
1.1. Định nghĩa CIM. 14
1.2. Các thành phần cơ bản của CIM. 14
II. Sự phát triển của CIM. 19
2.1. Sự phát triển của CIM trên thế giới. 19
2.1.1. Lịch sử phát triển của CIM. 19
2.1.2. Hướng phát triển của CIM. 20
2.2. Sự phát triển của các hệ thống CIM ở Việt Nam. 25
III. Ứng dụng và hiệu quả của CIM . 25
3.1. Ứng dụng của CIM. 25
3.2. Hiệu quả của CIM. 26
CHƯƠNG II. CẤU TRÚC HỆ THỐNG CIM 27
I. Máy CNC. 28
II. Robot. 30
2.1. Ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống CIM. 31
2.2. Các yêu cầu đối với các robot hoạt động trong hệ thống CIM. 31
III. Hệ thống vận chuyển tích trữ. 33
3.1. Thiết bị kỹ thuật của hệ thống vận chuyển - tích trữ. 33
3.2. Hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết gia công của CIM 34
3.2.1. Chức năng của hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết gia công 34
3.2.2. Phân loại hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết 35
3.3. Hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ của CIM. 37
3.3.1.Chức năng của hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ. 37
3.3.2. Một số loại hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ. 37
3.4. Điều khiển hệ thống vận chuyển - tích trữ. 38
Điều khiển hệ thống vận chuyển tích trữ được chia ra làm hai mức. 38
IV. Kho chứa. 40
4.1. Thành phần của kho chứa tự động. 40
4.2. Các loại kho chứa tự động. 40
4.2.1. Dạng giá cần cẩu. 40
4.2.2. Dạng cần cẩu cầu 41
4.2.3.Dạng giá trọng lực. 42
4.3. Bố trí các kho chứa tự động trong hệ thống CIM. 42
V. Hệ thống điều khiển. 45
5.1. Bộ điều khiển logic khả lập trình PLC trong các hệ thống CIM 45
5.2. Phần mềm tích hợp. 48
VI. Hệ thống kiểm tra. 51
6.1. Các dạng kiểm tra 51
6.2. Cấu trúc của hệ thống kiểm tra tự động. 52
6.2.1. Mức cao. 52
6.2.2. Mức trung bình. 52
6.2.3. Mức thấp. 53
6.3. Chế độ hoạt động của hệ thống kiểm tra tự động. 53
6.4. Kiểm tra trạng thái kỹ thuật của các phần tử và môđun trong CIM 54
6.5. Các thiết bị kiểm tra trong CIM. 55
6.5.1. Các loại đattric. 55
6.5.2. Các máy đo kiểm tự động. 57
VII. Hệ thống lắp ráp tự động. 59
7.1. Cấu trúc của hệ thống lắp ráp tự động. 59
7.2. Các hình thức tổ chức lắp ráp tự động. 60
7.2.1. Lắp ráp cố định. 60
7.2.2. Lắp ráp di động. 60
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY CNC. 61
A - TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC. 61
I. Lịch sử phát triển. 61
1.1 Lịch sử. 61
1.2. Một số máy NC. 63
II. Thế nào là máy CNC.Các khái niệm cơ bản . 64
2.1. Khái niệm. 64
2.2. Trục máy CNC. 65
2.3. Nguyên tắc xác định hệ trục tọa độ của máy CNC. 65
III. Hệ thống điều khiển máy CNC trong công nghiệp. 66
3.1. Phần cứng hệ điều khiển máy CNC. 67
3.1.1Bộ xử lý trung tâm (CPU). 67
3.1.2.Bô nhớ. 68
3.1.3 Hệ thống truyền dẫn ( BUS). 68
3.1.4.Truyền dẫn Servo. 69
3.2. Phần mềm. 70
3.2.1. Phần mềm điều khiển 70
3.2.2. Phần mềm ghép nối 70
3.2.3. Postprocessor 70
3.2.4. Phần mềm ứng dụng 70
IV.Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC và các phương phấp nhập dữ liệu. 70
4.1. Lập trình gia công. 70
4.2. Các phương pháp nhập dữ liệu. 73
V. Khác biệt giữa NC và CNC. 75
VI.Một số máy CNC trong công nghiệp. 76
6.1. Máy khoan. 76
6.2. Máy tiện. 77
6.3. Máy phay. 79
6.4. Máy hàn điểm. 82
6.5. Máy cắt dùng tia lửa điện. 82
VII. Sơ lược về ngôn ngữ lập trình G-code. 83
7.1. Các lệnh cơ bản dùng trên nền máy khoan/phay. 83
7.2. Chu trình gia công một số chi tiết 84
7.3. Chu trình gia công hốc tròn. 85
7.4. Chu trình gia công hốc chữ nhật. 87
7.5. Một số quy định cơ bản. 88
VIII. Phương pháp điều khiển máy CNC trong công nghiệp 92
8.1. Các điểm gốc, điểm chuẩn. 92
8.1.1. Điểm gốc của máy M. 92
8.1.2. Điểm chuẩn của máy R. 92
8.1.3. Điểm gốc của phôi W điểm gốc chương trình P và điểm gá đặt C. 93
8.1.4. Điểm gốc của dụng cụ. 94
8.2. Các hệ thống điều khiển máy CNC. 96
8.3. Các chỉ tiêu gia công của máy CNC. 100
8.3.1. Thông số hình học. 100
8.3.2.Thông số gia công. 101
8.3.3. Năng suất gia công. 101
8.3.4. Độ chính xác của máy CNC 102
8.3.5. Độ tin cậy của máy CNC 103
8.3.6. Tính vạn năng của máy CNC 104
B - CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY CNC. 105
I. Lựa chọn phương án di chuyển của các trục tọa độ. 105
1.1. Phương án phôi cố định. 105
1.2. Phương án phôi di chuyển trên trục Y , dụng cụ gia công di chuyển theo 2 trục X và Z. 107
1.3. Phôi di chuyển theo 2 trục X và Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục Z. 108
1.4. So sánh 3 phương án. 109
II. Lựa chọn cơ cấu truyền động. 110
2.1. Vít me đai ốc thường 110
2.2. Vit me đai ốc bi 111
2.3. Phương án dùng đai. 113
III. Lựa chọn loại khoan. 114
IV. Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng các trục : 117
V. Kết luận. 119
C - KẾT CẤU CƠ KHÍ CHÍNH CỦA MÁY CNC VÀ QUY TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH. 121
I. Kết cấu chung của máy CNC. 121
1.1. Phần cố định. 121
1.2. Phần di chuyển dọc theo trục Z. 122
1.3. Phần di chuyển dọc theo trục X. 123
1.4. Phần di chuyển dọc theo trục Y. 123
II.Các chi tiết chính trong máy CNC 124
2.2. Chi tiết dẫn hướng trung gian. 124
2.3. Chi tiết sống trượt mang cá trục Z. 125
2.4. Chi tiết rãnh trượt mang cá trục Z. 126
2.5. Chi tiết bàn máy. 126
2.6. Chi tiết Etô kẹp phôi. 127
III.Quy trình công nghệ gia công các chi tiết điển hình : 127
3.1 Thiết kế quy trình công nghệ gia công gá động cơ. 127
3.1.1. Xác định đường lối công nghệ. 127
3.1.2. Lập qui trình công nghệ. 127
3.1.3. Thiết kế nguyên công. 128
3.2 Thiết kế quy trình công nghệ gia công sống trượt. 135
3.2.1. Xác định đường lối công nghệ. 135
3.2.2. Lập qui trình công nghệ. 135
3.3.3. Thiết kế nguyên công 136
D - NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC. 141
I. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển 141
1.1. Khối nguồn. 141
1.2. Khối máy tính. 141
1.3. Khối Vi điều khiển. 142
1.4. Khối cách ly quang. 142
1.5. Khối mạch công suất và Role đóng điện động cơ khoan. 142
1.6. Khối cơ cấu chấp hành. 142
II.Các phương pháp điều khiển gia công (các phương pháp nội suy ): 143
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ROBOT CHO HỆ THỐNG. 146
A - KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ROBOT. 146
I. Khái niệm về Robot. 146
1.1. Robot và Robotics. 146
1.2. Robot công nghiệp. 148
1.3. Bậc tự do của Robot ( DOF: Degrees of Freedom ). 149
1.4. Hệ toạ độ ( coordinate frames ). 149
1.5. Trường công tác của robot ( Workspace or range of motion ). 150
1.6. Kêt cấu chung của Robot công nghiệp. 151
II. Phân loại Robot. 153
2.1. Phân loại theo kết cấu. 153
2.2. Phân loại theo kiểu điều khiển. 153
2.3. Phân loại theo hệ thống truyền động. 153
2.4. Phân loại robot theo ứng dụng. 154
III. Vai trò của robot trong hệ thống MiniCIM. 154
3.1. Yêu cầu đối với robot công nghiệp. 154
3.2. Đặc tính công nghệ của robot công nghiệp. 154
B - TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ROBOT. 160
I. Các thông số kỹ thuật của Robot. 160
II. Động học cho robot. 161
2.1. Các phép biến đổi thuần nhất. 161
2.2. Hệ tọa độ thuần nhất. 161
2.3. Các phép biến đổi 162
2.3.1. Phép biến đổi tịnh tiến (Translation). 162
2.3.2. Phép quay (Rotation) quanh các trục toạ độ. 163
2.3.3. Phép quay tổng quát. 163
2.3.4. Bài toán ngược : tìm góc quay và trục quay tương đương. 166
2.3.5. Phép quay Euler. 168
2.4. Phương trình động học robot. 170
2.4.1. Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH). 172
2.4.2. Đặc trưng của các ma trận A : 174
2.4.3. Xác định T6 theo các ma trận An : 174
2.4.4. Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot : 175
2.4.5. Thiết lập phương trình động học của robot. 176
2.4.6. Giải hệ phương trình động học của robot. 178
III. Trình bày nguyên lý hoạt động của robot. 180
IV. Tính toán, thiết kế một số chi tiết điển hình của robot. 181
4.1. Một số chi tiết điển hình của robot. 181
4.2. Thiết kế quy trình công nghệ gia công một số chi tiết của robot. 183
4.2.1. Quy trình công nghệ gia công khối V ( cơ cấu tay kẹp ). 183
4.2.2. Quy trình công nghệ gia công gối trượt. 201
V. Cơ cấu tay kẹp của robot. 202
5.1. Khái niệm và phân loại tay kẹp. 202
5.2. Kết cấu của tay kẹp. 203
5.2.1. Tay kẹp cơ khí. 203
5.2.2. Tay kẹp chân không và điện - từ. 206
5.2.3. Tay kẹp dùng buồng đàn hồi. 207
5.2.4. Tay kẹp thích nghi. 208
5.3. Tính toán tay kẹp robot. 208
5.3.1. Tính lực tiếp xúc. 209
5.3.2. Tính lực dẫn động. 209
5.3.3. Tính ứng suất tiếp xúc. 210
C - HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT. 211
I. Hệ thống chấp hành. 211
1.1. Nguồn điện cấp. 211
1.2. Khuyếch đại công suất. 211
1.3. Động cơ. 212
1.4. Xilanh khí nén. 213
1.5. Truyền động động cơ khí. 213
II. Hệ thống cảm biến dùng trong robot. 214
2.1. Các khái niệm và đặc trưng cơ bản về các loại cảm biến. 214
2.1.1. Khái niệm và phân loại cảm biến. 214
2.1.2. Đường cong chuẩn của cảm biến. 216
2.1.3. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến. 218
2.2. Lựa chọn cảm biến. 223
2.2.1. Cảm biến tự cảm. 223
2.2.2. Cảm biến hỗ cảm. 226
III. Hệ điều khiển của robot. 229
3.1. Hệ thống điều khiển khí nén. 229
3.1.1. Ưu, nhược điểm của khí nén. 229
3.1.2. Máy nén khí - Thiết bị phân phối khí nén: 229
3.1.3. Các phần tử trong hệ thống điều khiển. 230
Tác động theo cách hướng dẫn cụ thể 234
3.1.1. Van điều khiển dòng khí. 238
3.1.4. Hệ thống khí nén trong robot. 239
3.2. Hệ thống điều khiển điện. 239
3.2.1. Giới thiệu về động cơ DC. 239
3.2.2. Giới thiệu về động cơ bước. 240
3.2.3. Mạch điều khiển robot dùng vi điều khiển AVR Atmega88-20PU. 254
CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ BĂNG TẢI. 267
A - GIỚI THIỆU CHUNG VÀ THIẾT KẾ. 267
I. Giới thiệu chung về công dụng và phân loại máy chuyển liên tục 267
II. Chọn loại băng tải 268
III.Chọn cơ cấu dẫn động 271
3.1 Lựa chọn loại động cơ điện. 271
3.2. Lựa chọn cặp bánh răng truyền động. 272
3.3. Hệ thống điều khiển khí nén. 272
IV. Thiết kế băng tải 274
4.1. Giới thiệu sơ lược cấu tạo của băng tải. 274
4.2 Gia công cơ chi tiết pallet. 280
4.2.1. Phân tích chức năng và điều kiện làm việc của chi tiết 280
4.2.2. Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết 281
4.2.3. Xác định dạng sản xuất 281
4.2.4. Xác định phương pháp chế tạo phôi 281
4.2.5. Xác định thứ tự các nguyên công 281
B – ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI. 287
I.Lý do dùng PLC 287
II. Tổng quan về PLC. 289
2.1. Giới thiệu chung về các bộ PLC. 289
2.2. Các bộ PLC thường gặp. 289
2.3. Chức năng của các bộ PLC. 290
2.4. Các bộ phận cơ bản của PLC. 290
2.5. Sự hoạt động của PLC theo vòng quét chương trình. 291
III. Kĩ thuật lập trình điều khiển PLC. 293
3.1. Khái niệm về lập trình PLC. 293
Các loại ngôn ngữ lập trình cho PLC. 294
Các bước tiến hành lập một chương trình PLC. 295
Các hàm logic cơ bản của PLC. 296
IV. Tìm hiểu về PLC S7200 297
4.1. Cấu hình cứng. 297
4.2. Cấu trúc bộ nhớ. 298
4.2.1 Phân chia bộ nhớ. 298
4.2.2. Vùng dữ liệu. 298
4.2.3. Vùng đối tượng. 302
4.3. Thực hiện chương trình. 303
4.4. Cấu trúc chương trình của S7_200. 303
V. Ngôn ngữ lập trình của S7_200. 305
5.1. Phương pháp lập trình. 305
5.2. Bảng lệnh của S7-200. 305
5.3. Cú pháp lệnh của S7_200. 315
5.3.1. Toán hạn và giới hạn cho phép. 315
5.3.2. Lệnh vào/ra. 316
5.3.3. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm. 317
5.3.4. Các lệnh logic đại số Boolean. 317
5.3.5. Các lệnh tiếp điểm đặc biệt: 318
5.3.6. Các lệnh so sánh. 318
5.3.7. Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con. 320
5.3.8. Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét. 321
5.3.9. Các lệnh về điều khiển Timer. 322
5.3.10. Các lệnh điều khiển Counter. 324
5.3.11. Các lệnh về số học. 325
5.3.12. Lệnh tăng, giảm một đơn vị và lệnh giá trị thanh ghi. 327
5.3.13. Các lệnh dịch chuyển nội dung ô nhớ. 329
5.3.14. Các lệnh làm việc với mảng. 329
5.3.15. Các lệnh dịch chuyển thanh ghi. 330
5.3.16. Các lệnh làm việc với bảngdata:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAAEAAAABAQMAAAAl21bKAAAAA1BMVEXh5PJm+yKVAAAAAXRSTlMAQObYZgAAAApJREFUCNdjYAAAAAIAAeIhvDMAAAAASUVORK5CYII=" class="mceSmilieSprite mceSmilie3" alt="" title="Frown ">chỉ có trong CPU214). 332
5.3.17. Các lệnh tìm kiếm: Chỉ sử dụng đối với CPU214. 333
5.3.18. Các hàm đổi dữ liệu. 333
5.3.19. Xây dựng cấu trúc vòng lặp. 334
5.3.20. Đồng hồ thời gian thực. 334
5.3.21. Truyền thông trên mạng nhiều chủ. 335
5.3.22. Ngắt và xử lý ngắt. 336
5.3.23. Sử dụng ngắt truyền thông. 339
5.3.24. Sử dụng bộ đếm tốc độ cao. 339
5.3.25. Sử dụng hàm phát xung tốc độ cao. 342
VI. Chương trình điều khiển băng tải (dùng S7-200) 342