NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC
Nội dung nghiên cứu
❖ Nghiên cứu tổng quan về các máy, dây truyền sản xuất vận chuyển và cấp phôi ở Việt Nam và Thế Giới
❖ Nghiên cứu kết quả các công trình về sản xuất đã được công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước
❖ Thiết kế và lựa chọn những cơ cấu đã có để cải tiến cho phù hợp với từng nhiệm vụ
❖ Chế tạo các cụm máy tự động nhằm thay thế các công đoạn thủ công tránh gây lãng phí thời gian nhằm nâng cao năng suất.
Phương pháp nghiên cứu
❖ Qua sách báo, giáo trình, internet, … chọn lọc các thông tin kiến thức tổng quan về các hệ thống máy đã có
❖ Kết hợp giữa nghiên cứu, thiết kế và tính toán lý thuyết và thực nghiệm để lựa chọn kết cấu phù hợp
❖ Tiến hành phân tích, lựa chọn, xác định nguyên lý cấu tạo thiết bị và nghiên cứu sẵn làm cơ sở xác định hướng nghiên cứu
Nghiên cứu các kết quả về máy móc, phương pháp lắp ráp và đo lực từ các tác giả trong và ngoài nước thông qua sách, giáo trình và bài báo Một số thiết bị và cụm máy đã được ứng dụng thực tiễn Chúng tôi kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu về tự động hóa và các công trình khoa học đã được công bố.
❖ Sử dụng phần mềm Solidworks để mô phỏng phân tích lựa chọn ra các thiết bị và cơ cấu phù hợp
Kế thừa có chọn lọc các kết quả nghiên cứu của tác giả trong và ngoài nước về tự động hóa, cùng với các công trình khoa học và ứng dụng đã được công bố, là một phương pháp hiệu quả để phát triển kiến thức và cải tiến công nghệ trong lĩnh vực này.
Dựa trên việc tìm hiểu công nghệ, thiết bị và kinh nghiệm chuyên môn, việc tiếp thu có chọn lọc những ưu nhược điểm sẽ hỗ trợ cho quá trình nghiên cứu, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí, đồng thời nâng cao hiệu quả nghiên cứu.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trên thị trường hiện nay, có nhiều thiết bị vận chuyển thanh nhôm với các ưu và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại nhôm, kích thước và biên dạng cố định Các máy này sử dụng cơ cấu kẹp nhả và đẩy phôi để di chuyển thanh nhôm hiệu quả.
Các máy hiện có trên thị trường không đáp ứng được yêu cầu vận chuyển thanh nhôm tại công ty Dưới đây là một số hình ảnh về các loại máy này, được tìm thấy qua internet, sách báo và sự hướng dẫn của giáo viên.
Hình 2 1 Máy vận chuyển nhôm
Kích thước thanh nhôm vận chuyển: 6000mm
2.3.2 Máy vận chuyển, cắt nhôm tổng hợp [13]
Hình 2 2 Máy vận chuyển, cắt nhôm tổng hợp
Kích thước thanh nhôm vận chuyển: 4100mm
2.3.3 Máy vận chuyển, cắt nhôm [14]
Hình 2 3 Máy vận chuyển, cắt nhôm
Kích thước thanh nhôm vận chuyển: 2500mm
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
Phương án thiết kế
Nhóm nghiên cứu đã khảo sát thị trường máy vận chuyển và nhận thấy hầu hết các máy chỉ thích hợp cho việc vận chuyển các loại nhôm tròn, vuông, có độ dài và khối lượng nhỏ Các máy này sử dụng cơ cấu kẹp và đẩy phôi, không phù hợp với các thanh nhôm dài, khối lượng lớn và nhiều biên dạng khác nhau Do đó, máy có sẵn trên thị trường không đáp ứng được nhu cầu vận chuyển của công ty Để khắc phục vấn đề này, công ty đề xuất chế tạo máy bán tự động cho khâu vận chuyển, nhằm nâng cao năng suất và tiết kiệm chi phí cũng như nhân lực.
Sau khi tiến hành khảo sát tại công ty về biên dạng và kích thước của thanh nhôm, nhóm đã tham khảo các loại máy hiện có trên thị trường và ý kiến từ giáo viên hướng dẫn Từ đó, nhóm đã phát triển ý tưởng thiết kế máy vận chuyển thanh nhôm hộp bằng phần mềm Solidworks cho công ty.
Hình 3 1 Mô hình thiết kế máy vận chuyển thanh nhôm
Yêu cầu kỹ thuật
Thiết kế và chế tọa máy vận chuyển thanh nhôm đáp ứng những yêu cầu sau:
- Hệ thống vận chuyển thanh nhôm bán tự động
- Máy vận chuyển được 3 biên dạng nhôm
- Máy vận chuyển được 2 kích thước nhôm từ 5400mm và 6000mm
- Tốc độ hoàn thành vận chuyển thanh nhôm 20-30 giây
- Có khả năng dừng khẩn cấp và reset lỗi trong quá trình hoạt động
- Thao tác, vận hành máy dễ dàng
3.2.1 Cơ sở thiết kế Để hình thành nên ý tưởng cho các cơ cấu của máy vận chuyển thanh nhôm thì nhóm đã liên hệ trực tiếp công ty để trao đổi các vấn đề như sau:
- Quy trình sản xuất tại công ty LIXIL
- Đối tượng nghiên cứu là thanh nhôm có chiều dài 5400mm và 6000mm
- Khoảng cách di chuyển thanh nhôm là 800-1000mm
- Thanh nhôm tại công ty có 3 biên dạng
- Khối lượng thanh nhôm lớn nhất là 60000g
- Mong muốn của công ty về cách thức vận hành
- Những yêu cầu cần chú ý về vật liệu chế tạo của các cơ cấu
- Những yêu cầu cần chú ý về thiết bị điện điều khiển
Dựa trên những yêu cầu đã nêu, nhóm sẽ lựa chọn thiết bị phù hợp với nhu cầu của công ty Thiết bị điều khiển này đóng vai trò quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành của máy móc.
Thanh nhôm 2 kích thước 5400mm và 6000mm và có 3 biên dạng
Hình 3 2 Thanh nhôm tại công ty Hình 3 3 Biên dạng nhôm tại công ty
10 Để thuận tiện trong việc thiết kế máy vận chuyển nhôm Nhóm đã sử dụng thanh nhôm có biên dạng 220x120 với chiều dài 6000m trong thiết kế.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Dựa trên yêu cầu kỹ thuật và khảo sát thực tế, nhóm đã phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế máy phù hợp Sau khi xác định cơ cấu thích hợp, nhóm sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế, mô phỏng và tính toán các cơ cấu Dưới đây là mô hình tổng quát của hệ thống máy vận chuyển thanh nhôm.
➢ Tổng quan về máy vận chuyển thanh nhôm:
Hình 3.4 Tổng quan về máy vận chuyển thanh nhôm
(1) Cụm máy vận chuyển thanh nhôm
Vì 2 cụm máy đặt đối xứng và có chung thiết kế nên nhóm chỉ thiết kế một bên cụm máy
➢ Cấu tạo máy vận chuyển thanh nhôm [3]
Hình 3 5 Cấu tạo máy trong quá trình thiết kế
(2) Cơ cấu dò vị trí, di chuyển thanh nhôm
(3) Cơ cấu nâng hạ thanh nhôm
3.3.2 Nguyên lý hoạt động của máy
➢ Máy vận chuyển nhôm hoạt động theo trình tự như sau:
1 Công nhân chuẩn bị xe nhôm có thang nhôm gồm thanh nhôm đặt lên bàn nâng
2 Công nhân nhấn Start để chạy máy
3 Bàn nâng, nâng thang nhôm lên đến khi cảm biến laser nhận được thanh nhôm
4 Cơ cấu dò vị trí, di chuyển trở về vị trí ban đầu
5 Cơ cấu dò vị trí, di chuyển sẽ dò vị trí thanh nhôm, tính vị trí tâm của thanh nhôm và di chuyển đến vị trí tâm thanh nhôm
6 Cơ cấu nâng hạ thanh nhôm tiến hành nâng thanh nhôm lên khỏi thang nhôm
7 Cơ cấu dò vị trí, di chuyển sẽ di chuyển thanh nhôm đến băng tải con lăn hạ thanh nhôm xuống băng tải và quay ban đầu
➢ Lưu đồ giải thuật của máy vận chuyển nhôm được tóm gọn như sau:
Hình 3 6 Lưu đồ giải thuật của máy vận chuyển nhôm
Thiết kế cơ khí
Thanh trượt vuông, hay còn gọi là ray trượt vuông, là thiết bị dẫn hướng quan trọng trong các dây chuyền sản xuất và máy móc Thiết bị này hoạt động dựa trên chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và thanh trượt vuông, giúp cải thiện hiệu suất hoạt động của các cơ cấu máy.
Với khả năng đáp ứng cao, hệ thống máy có độ cứng vững và ít ma sát, mang lại độ chính xác tối ưu Điều này giúp cho việc chuyển động tiến, lùi trở nên dễ dàng và êm ái, phù hợp với nhiều mục đích sử dụng khác nhau Nhóm nghiên cứu đã ứng dụng thanh trượt và con trượt vào máy vận chuyển nhôm, nâng cao độ cứng vững và khả năng chịu tải trọng lớn, đáp ứng yêu cầu của công ty Cụ thể, ứng dụng này được triển khai trong ba cơ cấu: di chuyển, dò vị trí và nâng hạ thanh nhôm.
Tại công ty, thanh nhôm được sử dụng trong sản xuất có hai kích thước chủ yếu là 5400mm và 6000mm Để đảm bảo phù hợp với kích thước nhôm này, nhóm thiết kế đã quyết định lắp đặt cơ cấu trên hệ thống ray trượt vuông.
Hình 3 7 Tổng thể máy khi đặt cùng thanh nhôm
Hệ thống máy được thiết kế với cơ cấu nâng, hạ và dò vị trí cho thanh nhôm, cho phép di chuyển tịnh tiến theo trục Ox với chiều dài thanh nhôm 5400mm hoặc 600mm trong quá trình sản xuất Ngoài ra, khóa ray thao tác bằng tay giúp giữ cố định vị trí, đảm bảo phù hợp với kích thước từng loại nhôm.
3.4.2 Cơ cấu nâng, hạ thanh nhôm
Trong quá trình sản xuất, biên dạng thanh nhôm thay đổi theo yêu cầu của khách hàng, điều này gây khó khăn trong việc chọn cơ cấu kẹp chặt Khối lượng thanh nhôm cũng biến đổi tùy thuộc vào biên dạng, khiến việc lựa chọn cơ cấu kẹp trở nên không khả thi Sau khi xem xét các biên dạng nhôm có sẵn, nhóm đã quyết định tập trung vào phần rỗng để nâng hạ thanh nhôm một cách hiệu quả.
14 bên trong thanh nhôm Có thể chọn cách đưa tay nâng vào bên trong và nâng thanh nhôm lên khỏi bàn nâng
➢ Với các kích thước thanh nhôm như sau:
Hình 3 9 Kích thước bên trọng của 3 biên dạng nhôm
Hình 3 10 Bản vẽ tay nâng [4], [5]
Nhóm đã đề xuất giải pháp thiết kế tay nâng nhôm với chiều ngang 95mm, có khả năng lắp đặt vào phần rỗng bên trong thanh nhôm với kích thước tối thiểu 104mm và tối đa 228mm.
Khi thiết kế tay nâng có kích thước nhỏ hơn chiều ngang của thanh nhôm lớn nhất, cần chú ý đến việc xác định chính xác tâm của thanh nhôm trong quá trình hoạt động Việc đặt tay nâng không đúng tâm có thể dẫn đến tình trạng nghiêng, đổ ngã hoặc rơi thanh nhôm, do đó việc đưa tay nâng vào đúng vị trí là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.
Cơ cấu nâng hạ thanh nhôm sử dụng xi lanh khí nén có hành trình 300mm để đưa tay nâng vào bên trong phần rỗng của thanh nhôm.
Để nâng thanh nhôm lên khỏi bàn nâng, nhóm đã chọn phương án sử dụng xi lanh khí nén có hành trình 400mm kết hợp với hệ thống tay trượt, nhằm tăng cường độ cứng vững cho cơ cấu.
3.4.2.1 Tính toán, lựa chọn xi lanh cơ cấu nâng, hạ thanh nhôm [7]
- Khối lượng thanh nhôm lớn nhất m = 60kg
- Chia đều hai bên máy m = 30kg
- Áp xuất nguồn khí P = 5bar = 500000Pa
- Hành trình xi lanh s = 400mm = 0,4m
- Lực do gia tốc trọng trường gây nên:
- Tổng lực đẩy xi lanh cần để nâng vật:
- Lực chuyển động trên pít tông được tính theo công thức:
- Vậy đường kính xi lanh tính được là:
Trên thị trường, có các loại xi lanh với đường kính 30mm, nhưng để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành, nhóm thiết kế đã quyết định chọn xi lanh có đường kính lớn hơn Cụ thể, nhóm đã lựa chọn xi lanh Airtac SC-40x400 với đường kính 40mm.
3.4.3 Cơ cấu dò vị trí, di chuyển thanh nhôm
Sau khi thiết kế tay nâng với chiều ngang 95mm, nhóm đã điều chỉnh biên dạng nhôm trong quá trình sản xuất để tránh tình trạng đổ ngã khi tay nâng không được đặt vào tâm của thanh nhôm Phương án dò cạnh nhôm đã được lựa chọn để xác định vị trí thanh nhôm trên bàn nâng, đồng thời tính toán vị trí ở giữa phần rỗng của thanh nhôm để đưa tay nâng vào bên trong Cạnh nhôm có kích thước nhỏ 3mm và 6mm được sử dụng để đảm bảo tính chính xác trong quá trình lắp đặt.
17 đặt trên bàn nâng không cố định Không thể sử dụng cảm biến từ để phát thanh nhôm vì không có điểm đặt cảm biến
Hình 3 12 Kích thước cạnh thanh nhôm
Nhóm đã đề xuất giải pháp sử dụng cảm biến laser để phát hiện cạnh nhôm, khi có thanh nhôm xuất hiện, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển PLC để xử lý.
Nhóm đã quyết định sử dụng động cơ servo có hộp số giảm tốc cho cơ cấu di chuyển trục Oy, nhằm tăng momen và khả năng tải nặng hơn Để xác định vị trí thanh nhôm trong quá trình điều khiển, động cơ cần được trang bị Ecoder Việc sử dụng động cơ AC hoặc DC có Ecoder sẽ chiếm nhiều diện tích và yêu cầu bộ điều khiển tốc độ Kết hợp với thanh răng và bánh răng trụ thẳng, giải pháp này mang lại hiệu suất làm việc cao, khả năng chịu tải lớn và độ bền lâu dài cho hệ thống dẫn động.
18 sử dụng thanh ray với kích thước 20mm hành trình 1200mm giúp tăng sự ổn định đứng vững khi chịu lực lớn tác động vào
Hình 3 15 Động cơ servo Để giải quyết vấn đề nhận biết khi hết hành trình ray trượt Nhóm đã lắp thêm 2 cảm biến từ mỗi đầu
Hình 3 16 Cơ cấu dò vị trí, di chuyển thanh nhôm
3.4.3.1 Tính toán, lựa chọn động cơ [1],[2]
- Khối lượng thanh nhôm lớn nhất m = 60kg = 600N
- Chia đều hai bên máy m = 300N
- Lực ma sát bằng 5% lực tác động:
- Công suất tải được tính theo công thức:
𝜂ol: hiệu suất một cặp ổ lăn
𝜂br: hiệu suất bộ chuyền bánh răng
𝜂kn: hiệu suất khớp nối
- Công suất cần thiết được tính theo công thức:
- Chọn tỷ số truyền của toàn bộ hệ thống: ut=uh.un = 5.1 = 5
Tỉ số truyền của hộp giảm tốc bánh răng nên được chọn trong khoảng từ 3 đến 5, và trong trường hợp này, chúng ta chọn uh = 5 Đối với bộ truyền đai, do không có bộ truyền này, tỉ số truyền un sẽ bằng 1.
- Động cơ thỏa mãn điều kiện sau đây
- Chọn động cơ có công suất 0.2kW
- Nhóm chọn động cơ Servo Mitsubishi HF-KN23
➢ Tính xung Ecoder cho động cơ:
- Vòng quay của động cơ AC servo có Ecoder 17 bit là 131072 xung/vòng
- PLC Mitsubishi FX3U có ngõ ra phát xung max 100000hz thấp hơn số xung của động cơ servo nên cần cài đặt hộp số điện tử Servo – Electronic Gear
- Tỉ số truyền động của hộp số giảm tốc 1/5: f = 131072.5 = 655360 (xung/vòng)
- Cài đặt hộp số điện tử cho servo sử dụng phần mềm MR Configurator 2:
Hình 3 17 Cài đặt hộp số điện tử CMX và CDV cho động cơ servo
- Số xung cần cho một vòng quay bánh răng sau khi qua hộp số giảm tốc: f = 655360.100/1024 = 64000 xung/vòng
- Với đường kính bánh răng 50mm, 18 răng, bước răng 7.85mm
- Vậy một vòng quay bánh răng di chuyển được 141.3mm
Thiết kế phần điều khiển
3.5.1 Lựa chọn phương án Để đáp ứng yêu cầu của công ty, cũng như đẩm bảo theo chuẩn công nghiệp Đứng trước một dự án hay một kế hoạch, đầu tiên các doanh nghiệp quan tâm tới vấn đề giá thành, lợi nhuận cũng như chất lượng sản phẩm Điều đó đặt ra cho nhóm nghiên cứu phải lựa chọn phương án nào có tính khả thi nhất, mang lại hiệu quả cao nhất cho công ty.Và từ những ưu, nhược điểm trên đồng thời để đáp ứng được yêu cầu của hệ thống nhóm nghiên cứu quyết định lựa chọn phương án điều khiển bằng PLC
➢ Nhóm đã lựa chọn các thiết bị như sau cho hệ thống điều khiển:
- Bộ điều khiển PLC – Mitsubishi FX3U – 48MT
Hình 3 18 PLC PLC Mitsubishi FX3U - 48MT
❖ Thông số kỹ thuật của PLC Mitsubishi FX3U - 48MT:
Hình 3 19 Driver Mitsubishi MR-JN-20A
❖ Thông số kỹ thuật của Driver Mitsubishi MR-JN-20A:
• Điện áp ngõ vào: 1 pha 220VAC
• Điện áp ngõ ra: 3 pha 170VAC
❖ Ngoài ra còn một số thiết bị khác như:
3.5.2 Sơ đồ thiết kế phần điều khiển
3.5.2.1 Sơ đồ kết nối điện của hệ thống:
Hình 3 20 Sơ đồ kết nối điện
3.5.2.2 Sơ đồ kết nối khí nén điều khiển xi-lanh [6]
Hình 3 21 Sơ đồ kết nối khí nén A Hình 3 22 Sơ đồ kết nối khí nén A
Phương pháp điều khiển
➢ PLC điều khiển máy vận chuyển nhôm hoạt động theo trình tự như sau:
1 Đầu tiên sau khi nhấn nút Start Cơ cấu dò vị trí, di chuyển nhôm sẽ về vị trí home ban đầu tại băng tải con lăn có cảm biến từ nhận biết vị trí
2 Reset biến lưu số xung về bằng 0, reset biến D0, D10, D50, D60 về bằng 0
3 Xuất xung điểu khiển 2 động cơ chạy về phía thanh nhôm
4 Khi cảm biến laser máy 1 nhận biết cạnh thanh nhôm lần 1 Lưu giá trị xung PLC đã xuất vào biến D1 Tương tự với máy 2 lưu giá trị xung PLC đã xuất vào D3
5 Khi cảm biến laser máy 1 nhận biết cạnh thanh nhôm lần 2 Lưu giá trị xung PLC đã xuất vào biến D2 Tương tự với máy 2 lưu giá trị xung PLC đã xuất vào D4
6 PLC tính vị trí giữa thanh nhôm máy 1 D0+(D10-D0)/2 Máy 2 D50+(D60-D50)/2
7 PLC xuất xung điều khiển Cơ cấu dò vị trí, di chuyển thanh nhôm đến vị trí giữa thanh nhôm
8 Cơ cấu nâng hạ thanh nhôm sẽ nâng thanh nhôm lên khỏi bàn nâng
9 Di chuyển thanh nhôm về vị trí home ban đầu
10 Hệ thống họa động lại theo trình tự từ bước 2
Hệ thống máy được lắp đặt hoàn chỉnh
Hình 3.23 Hệ thống máy được lắp đặt hoàn chỉnh
KẾT QUẢ
Kết quả đạt được
Máy vận chuyển nhôm được thiết kế và chế tạo theo yêu cầu của công ty TNHH Sản Xuất Toàn Cầu LIXIL Việt Nam, nhằm hỗ trợ công việc vận chuyển nhôm một cách hiệu quả Đây là loại máy bán tự động, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc tại công ty.
Máy vận chuyển nhôm có tính ổn định cao, làm việc không biết mệt mỏi, có kế hoạch dự phòng khi nhận được đơn đặt hàng quy mô lớn
Hình 4 1 Máy vận chuyển nhôm được đưa vào sản xuất tại công ty Lixil
Hình 4 2 Hóa đơn chuyển giao máy cho công ty Lixil
Hiệu quả kỹ thuật
Máy sau khi hoàn thành đã tiến hành thử nghiệm và được đánh giá là ổn định
− Giảm được thời gian vận chuyển thanh nhôm còn 25s
− Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân
− Tăng tính an toàn trong quá trình làm việc của công nhân
− Máy hoạt động chính xác, không phụ thuộc nhiều vào công nhân.
Hiệu quả kinh tế
Máy vận chuyển nhôm tại công ty TNHH Sản Xuất Toàn Cầu LIXIL Việt Nam hoạt động ổn định, giúp giảm thời gian vận chuyển và tiết kiệm chi phí nhân công Thiết kế của máy đơn giản và dễ sử dụng, mang lại hiệu quả cao cho quy trình sản xuất.
[1] Lưu Đức Bình (2002), Giáo trình công nghệ chế tạo máy, khoa Cơ Khí, Trường ĐH Bách Khoa Đà Nẵng
[2] Nguyễn Hữu Lộc (2016), Giáo trình cơ sở thiết kế máy, Trường đại học Bách Khoa
[3] Nhà xuất bản Thời Đại Solidworks Essentials 2010
[4] Trần Hữu Quế (chủ biên) (2007), Vẽ kỹ thuật cơ khí (tập 1), Nxb Giáo dục
[5] Trần Hữu Quế (chủ biên) (2007), Vẽ kỹ thuật cơ khí (tập 2), Nxb Giáo dục
[6] Nguyễn Ngọc Phương (1999), Hệ thống điều khiển bằng khí nén, NXB Giáo dục
[7] Jagadeesha T (2015), Pneumatics Concepts design and applications
[8] MISUMI (2008), STANDARD COMPONENTS FOR PRESS DIES 2007.9 – 2008.8
[11] https://lixilvina.com.vn/san-pham/oem/
[12] https://tckt.lhu.edu.vn/623/36459/Thiet-ke-va-che-tao-may-van-chuyen-nhom- cho-cong-ty-lixil-viet-nam.html
[13] https://www.aluminum-machine.com/products/Aluminum-Composite-Panel- Grooving-and-Cutting-Machine-KT-971.htm
[14] https://www.aluminum-machine.com/products/Cutting-Machine-KT-328C.htm
