TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN ĐỒ ÁN II Đề tài Tìm hiểu và lập trình điều khiển PLC cho mô hình máy ép nhựa dùng PLC FX 3U Giáo viên hướng dẫn TS Nguyễn Danh Huy Sinh viên thực hiện N.
Tổng quan về công nghệ ép phun
Công nghệ ép phun là quy trình phun nhựa nóng chảy vào khuôn để tạo hình sản phẩm Sau khi nhựa nguội và đông cứng, khuôn sẽ được mở ra và sản phẩm được đẩy ra ngoài nhờ hệ thống đẩy, mà không xảy ra bất kỳ phản ứng hóa học nào trong quá trình này.
Nhựa là một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, từ các dụng cụ học tập đơn giản như thước và bút, đến các sản phẩm phức tạp như bàn ghế và máy tính Sản phẩm nhựa không chỉ đa dạng về màu sắc và hình dáng mà còn mang lại sự tiện nghi cho cuộc sống Công nghệ ép phun đã giúp sản xuất ra những sản phẩm nhựa với tính chất vượt trội như độ dẻo dai, khả năng tái chế và không phản ứng hóa học với không khí ở điều kiện bình thường Nhờ vào những ưu điểm này, nhựa ngày càng thay thế các vật liệu truyền thống như sắt, nhôm và gang, vốn đang dần cạn kiệt Hiện nay, nhiều loại máy ép phun hiện đại như TM-250G và WL1680 đã được phát triển để phục vụ cho công nghệ ép phun.
Hình 1 1 : Máy ép phun TM- 250
Hình 1 2 : Máy ép phun WL1680
+ Tạo ra những sản phẩm có hình dáng phức tạp tùy ý
Sản phẩm có thể có hình dáng khác nhau giữa mặt trong và mặt ngoài, điều này tạo ra lợi thế so với các công nghệ sản xuất nhựa khác.
+ Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính lặp lại cao
+ Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc rất phong phú và độ nhẵn bóng bề mặt cao nên không cần gia công lại
+ Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc (trong trường hợp đặc biệt) Phân loại máy ép phun: a) Phân loại máy ép phun theo kết cấu:
- Theo lực đóng khuôn: 50 ÷ 10000 tấn
- Theo khả năng một lần phun tối đa
- Theo kiểu cơ cấu cấu tạo phun
- Theo kiểu bố trí bộ phận phun b) Phân loại máy ép phun theo quá trình phát triển:
- Máy ép phun có trục dẻo hóa sơ bộ
- Máy ép phun trục vít
Giới thiệu về công nghệ ép phun
hình dạng của sản phẩm Sau khi được định hình và làm nguội trong khuôn, hành trình mở khuôn được thực hiện để lấy sản phẩm
- Đặc điểm của công nghệ ép phun là quá trình sản xuất diễn ra theo chu kỳ
- Thời gian chu kỳ phụ thuộc vào trọng lượng của sản phẩm, nhiệt độ của nước làm nguội khuôn và hiệu quả hệ thống làm nguội khuôn
- Chất lượng và năng suất của sản phẩm phụ thuộc vào chất lượng máy ép phun, chất lượng của khuôn mẫu.
Cấu tạo chung của máy ép nhựa
Máy ép phun có cấu tạo chung gồm các bộ phận như sau:
Hệ thống hỗ trợ phun ép phun
1.3.1 Hệ thống hỗ trợ ép phun
Là hệ thống giúp vận hành máy ép phun Bao gồm 4 hệ thống nhỏ:
- Hệ thống thủy lực (Hydraulic system)
- Hệ thống làm nguội (Cooling system)
Hình 1 5: Hệ thống hỗ trợ ép phun
+ Thân máy: Liên kết các hệ thống trên máy lại với nhau
Hệ thống thủy lực đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp lực để đóng và mở khuôn, duy trì lực kẹp, cũng như điều khiển chuyển động của trục vít và các bộ phận khác như chốt đẩy và lõi mặt bên Thành phần chính của hệ thống này bao gồm bơm, motor, ống dẫn và thùng chứa dầu, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định.
Hệ thống điện cung cấp năng lượng cho motor điện và điều khiển các băng nhiệt, đồng thời đảm bảo an toàn cho người vận hành thông qua các công tắc Hệ thống này bao gồm tủ điện, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và bảo vệ thiết bị.
(electric power cabiner) và hệ thống dây dẫn
Hệ thống làm nguội sử dụng nước hoặc dung dịch ethyleneglycol để làm mát khuôn và dầu thủy lực, ngăn chặn việc nhựa thô ở cuống phễu bị nóng chảy Khi nhựa ở cuống phễu bị nóng chảy, việc chuyển nhựa thô vào khoang chứa liệu sẽ gặp khó khăn Nhiệt độ trao đổi cho dầu thủy lực thường dao động từ 90-120℉ Bộ điều khiển nhiệt nước cung cấp nhiệt, áp suất và dòng chảy thích hợp để làm nguội nhựa nóng trong khuôn.
Hệ thống phun nhựa là quá trình đưa nhựa vào khuôn thông qua các bước như cấp nhựa, nén, khử khí, làm chảy và phun nhựa lỏng để định hình sản phẩm Hệ thống này bao gồm nhiều bộ phận quan trọng.
+ Phễu cấp liệu: Chứa vật liệu nhựa dạng viên để cấp vào khoang trộn
Khoang chứa phễu là nơi chứa nhựa và cho phép vít trộn di chuyển qua lại bên trong Khoang trộn được gia nhiệt bằng các băng cấp nhiệt, giúp cung cấp từ 20 đến 30% nhiệt độ cần thiết để làm cháy lỏng vật liệu nhựa.
Băng gia nhiệt là thiết bị quan trọng giúp duy trì nhiệt độ trong khoang chứa, đảm bảo nhựa luôn ở trạng thái chảy dẻo Trên một máy ép nhựa, thường có hơn ba băng gia nhiệt được cài đặt với các mức nhiệt độ khác nhau, tạo ra các vùng nhiệt độ phù hợp cho quá trình ép phun hiệu quả.
+ Trục vít: Có chức năng nén, làm chảy dẻo và tạo áp lực để đẩy nhựa chảy dẻo vào lòng khuôn
Hình 1 8: Cấu tạo trục vít
Bộ hồi tự hở (non-return Assembly) bao gồm vòng chắn hình nêm và đầu trục vít, có chức năng tạo ra dòng nhựa bắn vào khuôn.
Hình 1 9: Bộ hồi tự hở
Khi trục vít lùi, vòng chắn hình nệm di chuyển về phía vòi phun, cho phép nhựa chảy về phía đầu trục vít Ngược lại, khi trục vít tiến về phía trước, vòng chắn hình nệm sẽ di chuyển về phía phễu, đóng kín với seat, ngăn không cho nhựa chảy ngược.
Vòi phun đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối khoang trộn với cuống phun, cần có hình dạng đảm bảo kín khít với khuôn Nhiệt độ tại vòi phun nên được cài đặt cao hơn nhiệt độ chảy của vật liệu Trong quá trình phun nhựa lỏng vào khuôn, vòi phun phải được căn chỉnh chính xác với bạc cuống phun, và đầu vòi phun nén phải được lắp kín với phần lõm của bạc cuống phun thông qua vòng định vị, nhằm ngăn chặn tình trạng nhựa phun ra ngoài và giảm thiểu mất áp suất.
Hình 1 10: Vị trí vòi phun trong 1 hệ thống phun
Hệ thống này có chức năng đóng và mở khuôn, tạo lực kẹp giữ khuôn trong quá trình làm nguội, đồng thời đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn khi kết thúc chu kỳ ép phun Các bộ phận của hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất.
- Cụm đẩy của máy (Machine ejector)
- Tấm di động (moverable platen)
- Tấm cố định (Stationary platen)
- Những thanh nối (Tie bars)
Các bộ phận trong hệ thống kẹp:
Cụm đẩy của máy, bao gồm xilanh thủy lực, tấm đẩy và cân đẩy, có vai trò quan trọng trong việc tạo ra lực đẩy để đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn.
Cụm kìm (Clamp cylindero) bao gồm hai loại chính: loại sử dụng cơ cấu khuỷu và loại sử dụng xilanh thủy lực Hệ thống này có vai trò quan trọng trong việc cung cấp lực để đóng mở khuôn và giữ khuôn đóng trong suốt quá trình phun.
Tấm di động (moverable platen) là một tấm thép lớn với bề mặt có nhiều lỗ thông kết nối với tấm di động của khuôn, cho phép cần đẩy tác động lực lên khuôn Ngoài ra, trên tấm di động còn có các lỗ ren để kẹp tấm di động của khuôn, giúp đảm bảo sự ổn định trong quá trình ép phun Tấm này di chuyển tới lui dọc theo 4 thanh nối, đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất.
Hình 1 12: Tấm di động và vị trí của nó trên máy ép phun
Tấm cố định là một tấm thép lớn với nhiều lỗ thông, bao gồm 4 lỗ dẫn hướng và các lỗ có ren để kẹp tấm cố định của khuôn Ngoài ra, tấm cố định còn được trang bị lỗ vòng định vị, giúp định vị chính xác tấm cố định của khuôn và đảm bảo sự thẳng hàng giữa cần đẩy và cụm phun.
Những thanh nối (Tie bars) có khả năng co giãn, giúp chống lại áp suất phun khi kìm tạo lực, đồng thời cũng đóng vai trò quan trọng trong việc dẫn hướng cho tấm di động.
Hình 1 13: Vị trí các thanh nối trên máy
Mô hình máy ép phun nhựa tại phòng thí nghiệm
Hình 1 21: Bản vẽ mô hình máy ép phun nhựa tại phòng thí nghiệm
1 Phễu chứa nhựa 7 Vòng gia nhiệt
2 Buồng chứa nhựa 8 Xi lanh đóng/mở khuôn (A)
4 Xi lanh tiến/lùi bệ (C) 10 Khuôn tĩnh
5 Động cơ (E) 11 Xi lanh đẩy/lùi chốt (B)
6 Xi lanh lùi/tiến đầu phun (nạp nhựa/đẩy nhựa) (D)
Hình 1 22: Mô hình thực tế tại phòng thí nghiệm
Khi nhựa được cho vào phễu và gia nhiệt, nó sẽ được làm nóng chảy Sau đó, nhựa lỏng được ép phun vào khuôn tạo hình Khi khuôn được lấp đầy, áp suất được duy trì ổn định, và khi khuôn mở ra, sản phẩm sẽ được đẩy xuống thùng hoặc băng tải phía dưới.
Sau khi chọn chế độ Auto và nhấn nút Start, hệ thống sẽ kiểm tra các điều kiện hoạt động như khuôn mở, đầu phun lùi, lùi bệ phun, cửa an toàn và nhiệt độ
Xi lanh A đẩy khuôn động vào khuôn tĩnh và tác động lên cảm biến đóng khuôn A1, cần đảm bảo áp lực đủ lớn để giữ cho khuôn luôn được đóng trong suốt quá trình.
Khi cảm biến đóng khuôn A1 được kích hoạt, động cơ E quay trục vít để chuyển hạt nhựa về phía đầu phun Trong quá trình này, nhựa được gia nhiệt trong buồng chứa, làm cho khối vật liệu nóng lên và chuyển dần sang dạng keo khi đến đầu trục vít.
Sau khi nạp nhựa, Xi lanh C sẽ tiến vào vị trí phun, đảm bảo vòi phun thẳng hàng và kín với bạc cuống phun qua vòng định vị, ngăn chặn nhựa bị phun ra ngoài và kích hoạt cảm biến tiến đài phun C0 Khi cảm biến C0 được kích hoạt, xi lanh D sẽ đẩy đầu phun, tạo áp suất để đưa nhựa lỏng vào vùng tạo khuôn Khi vùng tạo khuôn đã đầy nhựa, quá trình tạo hình và làm nguội sẽ bắt đầu.
Sau khi quá trình làm mát hoàn tất, xi lanh C sẽ lùi bệ phun và kích hoạt cảm biến lùi bệ phun C1 Đồng thời, xi lanh D sẽ lùi đầu phun, tách đầu phun khỏi vùng chứa nhựa lỏng nóng chảy, dẫn đến việc cảm biến nạp nhựa D1 được kích hoạt Khi D1 nhận tín hiệu, xi lanh A sẽ lùi và mở khuôn Khi cảm biến mở khuôn A0 hoạt động, xi lanh sẽ tiếp tục thực hiện các bước tiếp theo.
B đi ra đẩy sản phẩm xuống thùng chứa, đồng thời cảm biến đẩy chốt B1 được tác động sẽ lùi chốt và tiến hành chu trình tiếp theo
Khi đã đủ sản phẩm hoặc muốn dừng máy ép phun nhựa ta có thể nhấn nút Stop, máy sẽ chạy hết chu trình rồi sẽ dừng lại
Trong quá trình máy ép phun nhựa hoạt động, cửa an toàn luôn phải được đóng để đảm bảo an toàn Cảm biến tiệm cận sẽ phát hiện trạng thái của cửa an toàn, và hệ thống sẽ ngừng hoạt động ngay khi cửa được mở.
Khi PLC hoặc các đầu nối gặp sự cố, ta có thể chuyển sang chế độ Manual để điều khiển bằng tay trong lúc đợi sửa chữa hệ thống
Khi có sự cố khẩn cấp trong khi hệ thống vẫn đang làm việc thì ta có thể nhấn nút EStop, hệ thống sẽ dừng mọi hoạt động.
Thiết bị động lực
Aptomat là thiết bị điện quan trọng giúp tự động đóng cắt mạch điện và bảo vệ khỏi quá tải, ngắn mạch và sụt áp Ngoài ra, aptomat còn được sử dụng để điều khiển các mạch làm việc ở chế độ bình thường Một trong những sản phẩm nổi bật là aptomat Huyndai mã HiBD63, với các thông số kỹ thuật đáng chú ý.
Bảng 2 1 Thông số Aptomat Huyndai
Dòng định mức(A) 5-10-15-25-50-63A Dòng ngắn mạch(KA) 6 KA Điện áp định mức(V) 220V, 415V
Trong mô hình này, các thiết bị như màn hình HMI, điện áp đầu vào ra của PLC, nút bấm, relay trung gian và van điện tử đều yêu cầu sử dụng nguồn 24V.
Vì vậy ta dùng khối nguồn biến đổi từ 220VAC/50Hz thành 24VDC
Hình 2 2 Bộ nguồn meanwell DR-60-24
Bảng 2 2 Thông số bộ nguồn
Thương hiệu Meanwell Công suất định mức 60W Điện áp đầu vào 110V-220V Điện áp đầu ra 24V
Cấu tạo của rơ le trung gian:
Hình 2 3 Cấu trúc của rơ le trung gian
Thiết bị nam châm điện bao gồm các thành phần chính như lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây, với cuộn dây có thể là cuộn cường độ, cuộn điện áp hoặc cả hai Lõi thép động được gắn bằng lò xo và được định vị thông qua một vít điều chỉnh Cơ chế tiếp điểm của thiết bị này bao gồm cả tiếp điểm thuận và tiếp điểm nghịch.
Nguyên lí làm việc của rơ le trung gian:
Khi dòng điện chạy qua rơ le, nó tạo ra từ trường hút bên trong cuộn dây, tác động lên đòn bẩy để đóng hoặc mở các tiếp điểm điện, thay đổi trạng thái của rơ le Số lượng tiếp điểm điện thay đổi có thể là 1 hoặc nhiều, tùy thuộc vào thiết kế Rơ le hoạt động với 2 mạch độc lập: một mạch điều khiển dòng điện qua cuộn dây, xác định trạng thái ON hoặc OFF của rơ le, và một mạch kiểm soát dòng điện cần kiểm tra có qua được rơ le hay không dựa vào trạng thái này.
Cách lựa chọn rơ le trung gian:
Chọn số tiếp điểm cần dùng
Chọn loại cuộn dây ( AC hay DC )
Chọn điện áp cuộn dây
Chọn vật liệu của tiếp điểm
Mô hình này sử dụng relay trung gian MY2N của OMRON
Bảng 2 3 Thông số của rơ le OMRON MY2N
Hình 2 4 Rơ le trung gian LY2N
Dòng định mức 5A Điện áp hoạt động lớn nhất AC110/220 Đế cắm PYF08A-N
Tiếp điểm Bạc Điện áp 24VDC Điện trở cuộn dây 650
Dòng điện định mức qua cuộn dây là 36,9 mA, còn được gọi là pen khí nén Đây là các thiết bị cơ học tạo ra lực, thường kết hợp với chuyển động, và được cung cấp năng lượng bởi khí nén từ máy nén khí thông thường.
Do em chỉ thiết kế mô hình trong phòng thí nghiệm nên chỉ cần điều kiện:
- Đủ lực truyền động cho tải
Mô hình này bao gồm 4 xi lanh với các chiều dài hành trình khác nhau: xi lanh đẩy/lùi chốt dài 5cm, xi lanh phun/nạp nhựa dài 10cm, và cả xi lanh đóng/mở khuôn cùng xi lanh tiến/lùi đài phun đều có chiều dài 15cm.
Hình 2 7 Xi lanh AIRTAC – 16x50 Bảng 2 4 Thông số 3 loại xi lanh
Hãng sản xuất AIRTAC Đường kính piston 32mm 16mm 16mm
Chế độ hoạt động 2 chiều 2 chiều 2 chiều
Dải áp suất hoạt động 1-10 bar 1-10 bar 1-10 bar
Dải nhiệt độ môi trường -20÷80 o C -20÷80 o C -20÷80 o C
Lực rút về áp suất 6 bar 103.7N 103,7N 103,7N
Lực đẩy ra áp suất 6 bar 120.6N 120,6N 120,6N
Kiểu lắp Ren cái Ren cái Ren cái
Chiều dài piston 150mm 100mm 50mm
Van tiết lưu khí nén giúp điều chỉnh tốc độ dòng chảy trong mạch khí nén, làm giảm tốc độ truyền động Chức năng chính của van tiết lưu là kiểm soát lưu lượng, cho phép điều chỉnh tốc độ và thời gian hoạt động của cơ cấu vận hành.
Trong phòng thí nghiệm, việc sử dụng áp suất nguồn khí nén và hành trình xi lanh không đổi đòi hỏi phải có van tiết lưu để điều tiết lưu lượng.
Mô hình sử dụng van phân phối điều khiển khí nén bằng điện từ, một thiết bị cơ điện giúp kiểm soát dòng chảy chất khí Van điện từ hoạt động dựa trên nguyên lý đóng mở do tác động của cuộn dây điện từ.
Máy ép phun nhựa là loại máy cỡ lớn, cần tạo ra lực lớn để giữ khuôn trong quá trình phun nhựa Để điều khiển hành trình xi lanh, người ta thường sử dụng hệ thống thủy lực Hệ thống van khí nén cần van phân phối 5/3 để thực hiện việc dừng và đẩy/lùi xi lanh, với cấu tạo gồm 5 cửa và 3 vị trí.
Nguyên lí hoạt động của van 5/3 :
Ở trạng thái không bị tác động, cuộn hút không có điện và trục van được giữ ở vị trí giữa nhờ hai lò xo Cổng 2 được kết nối với cổng 3, cổng 4 nối với cổng 5, trong khi cổng 1 ở trạng thái khóa.
Trạng thái trung gian (mid-position) là một trạng thái ổn định, được duy trì bởi các lò xo hồi khi không có tín hiệu điều khiển nào tác động.
Hình 2 9 Van 5/3 ở vị trí trung gian
- Nếu cuộn hút bên trái được tác động, trục van bị đẩy sang phải Cổng 1 nối với
4 (cấp khí), cổng 2 nối với 3 ( xả khí ), cổng 5 khóa
Hình 2 10 Van 5/3 ở vị trí bên trái
- Nếu cuộn hút bên phải được tác động, trục van bị đẩy sang trái Cổng 1 nối với
2 (cấp khí), cổng 4 nối với 5 (xả khí), cổng 3 khóa
Hình 2 11 Van 5/3 ở vị trí bên phải
Máy nén khí trong phòng thí nghiệm sử dụng áp suất P= 8 Bar nên ta lựa chọn van điện từ có áp suất nằm trong khoảng từ 0.15~0.8MPa
Trong mô hình ta sử dụng 4 xi lanh nên ta sẽ chọn 4 van phân phối điều khiển bằng điện – khí nén loại 5/3, điều khiển 2 phía
Bảng 2 5 Thông số van AIRTAC 4V230-08
Loại van 5 cửa 3 vị trí
Nguồn 1 cuộn 24V Áp suất làm việc 0.15-0.8MpaKích thước cổng 1/4’’
Cách điện bảo vệ lớp dây IP65 Điện áp chịu đựng +/- 10%
Tần số hoạt động lớn nhất 3 cycle/sec
Hình 2 12 Van phân phối 5/3 AIRTAC 4V230-08
Cảm biến từ là một thiết bị nhận diện đối tượng bằng kim loại mà không cần tiếp xúc
Khi được cấp nguồn, cuộn dây cảm biến phát ra trường điện từ từ bề mặt cảm biến, với đường kính cảm biến lớn hơn giúp tạo ra trường điện từ mạnh hơn Khi một vật thể kim loại tiến lại gần, nó sẽ xâm nhập vào vùng trường điện từ, tạo ra các dòng điện xoáy trên bề mặt vật thể Nếu vật thể tiến lại gần hơn, dòng điện xoáy sẽ gia tăng và biên độ từ trường sẽ giảm Khi biên độ trường điện từ giảm đến một mức nhất định, cảm biến sẽ kích hoạt và thông báo đã phát hiện mục tiêu.
Trong hệ thống khí nén, cảm biến điện từ được lắp đặt ở đầu và cuối mỗi xi lanh Khi piston hoạt động, cảm biến sẽ gửi tín hiệu đến PLC để thực hiện lệnh điều khiển.
Mô hình này sử dụng 7 công tắc hành trình cho 4 xi lanh
Ta chọn cảm biến từ AIRTAC CS1-U
Bảng 2 6 Thông số cảm biến từ AIRTAC CS1-U
Loại STSP Điện áp làm việc 5-240V AC/DC
Nhiệt độ hoạt động -10~70°C Tiêu chuẩn bảo vệ IC67
Hình 2 13 Cảm biến từ AIRTAC CS1-U
Cảm biến tiệm cận là thiết bị có khả năng phát hiện sự hiện diện của các vật thể ở gần mà không cần tiếp xúc vật lý, với khoảng cách phát hiện chỉ vài mm.
Sơ đồ bố trí các thiết bị
Hình 3 1 Sơ đồ panel điều khiển
Hình 3 2 Sơ đồ bố trí các thiết bị
Hình 3 3 Sơ đồ mạch lực
3.3 Sơ đồ mạch khí nén
Xy lanh khuôn Xy lanh chốt Xy lanh bệ Xy lanh nạp nhựa
Hình 3 4 Sơ đồ mạch khí nén
3.4 Lập trình điều khiển hệ thống máy ép phun nhựa:
Bảng 3 1 Phân cổng vào ra PLC
STT Địa chỉ Ký hiệu Đầu vào Đầu ra
5 X004 Cảm biến cửa an toàn x
11 X012 Cảm biến tiến đầu phun (B0) x
12 X013 Cảm biến lùi đầu phun (nạp nhựa) (B1) x
Sơ đồ mạch khí nén
Xy lanh khuôn Xy lanh chốt Xy lanh bệ Xy lanh nạp nhựa
Hình 3 4 Sơ đồ mạch khí nén
Lập trình điều khiển hệ thống máy ép phun nhựa
Bảng 3 1 Phân cổng vào ra PLC
STT Địa chỉ Ký hiệu Đầu vào Đầu ra
5 X004 Cảm biến cửa an toàn x
11 X012 Cảm biến tiến đầu phun (B0) x
12 X013 Cảm biến lùi đầu phun (nạp nhựa) (B1) x
