Nghiên cứu thiết kế đồ gá hàn một trục quay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LƯƠNG VĂN HƯỞNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ ĐỒ GÁ HÀN MỘT TRỤC QUAY Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ HÀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS.TS BÙI VĂN HẠNH Hà Nội – Năm 2013 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận văn cơng trình nghiên cứu thực cá nhân, thực hướng dẫn khoa học PGS.TS Bùi Văn Hạnh Các số liệu, nghiên cứu trình bày luận văn trung thực chưa công bố hình thức Tơi xin chịu trách nhiệm nội dung luận văn Học viên Lương Văn Hưởng MỤC LỤC Trang phụ bìa……………………………………………………………………… LỜI CAM ĐOAN Mục lục…………………………………………………………………… … MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài .1 Mục đích nghiên cứu .1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu Kết cấu luận văn .2 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ SỬ DỤNG TRONG LĨNH VỰC HÀN .3 1.1 Giới thiêu chung đồ gá hàn 1.2 Phân loại đồ gá hàn 1.2.1 Phân loại theo quy mô sản xuất .4 1.2.2 Phân theo khả tự làm việc 1.2.3 Phân loại theo trạng thái làm việc phôi hàn 1.3 Đồ gá hàn trục quay khả ứng dụng 1.4 Tính cấp thiết chế tạo đồ gá hàn .9 KẾT LUẬN CHƯƠNG I 11 CHƯƠNG II TÍNH TỐN THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA ĐỒ GÁ HÀN MỘT TRỤC QUAY 12 2.1 Chọn phương án thiết kế đồ gá hàn trục quay 12 2.2 Thiết kế khung đồ gá hàn trục quay .12 2.2.1 Chọn vật liệu chế tạo khung đồ gá .12 2.2.2 Thiết kế thân đồ gá 13 2.3 Thiết kế cấu chuyển động tịnh tiến đầu hàn .15 2.3.1 Tính tốn chọn động hộp giảm tốc 15 2.3.2 Thiết kế kết cấu khí 17 2.4 Thiết kế cấu chuyển động quay phôi 21 2.4.1 Tính tốn chọn động hộp giảm tốc 21 2.4.2 Thiết kế kết cấu khí 23 2.5 Thiết kế cấu nâng hạ đầu hàn 26 2.5.1 Tính tốn chọn xy lanh nâng hạ đầu hàn 26 2.5.2 Thiết kế kết cấu khí 28 KẾT LUẬN CHƯƠNG II .31 CHƯƠNG III.THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 32 3.1 Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống điều khiển .32 3.1.1 Lý sử dụng điều khiển khả lập trình PLC 33 3.1.2 Cấu tạo chức thiết bị hệ thống điều khiển .36 3.1.2.1 Bộ điều khiển lập trình PLC CPM2A 36 3.1.2.2 Biến tần 40 3.1.2.3 Cảm biến .42 3.1.2.4 Encoder 44 3.1.2.5 Rơ le 46 3.1.2.6 Động làm việc 47 3.2 Thiết kế bảng điều khiển 48 3.3 Thiết kế mạch điều khiển 49 3.3.1 Thiết kế mạch điều khiển quay phôi 50 3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển tịnh tiến đầu hàn 50 3.3.3 Thiết kế mạch nâng hạ đầu hàn 51 KẾT LUẬN CHƯƠNG III .52 CHƯƠNG IV XÂY DỰNG THUẬT TOÁN, VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN VÀ KẾT NỐI VỚI HỆ THỐNG HÀN TỰ ĐỘNG 53 4.1 Giới thiệu phần mềm SYSWIN 53 4.2 Lập trình với SYSWIN 53 4.3 Thuật tốn lập trình điều khiển đồ gá .68 4.3.1.Bài toán giả thiết 68 4.3.2.Xây dựng thuật toán .68 4.3.2.1 Sơ đồ khối thuật toán 69 4.3.2.2.Phân tích sơ đồ .69 4.3.3.Chương trình điều khiển 71 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV .76 CHƯƠNG V MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỒ GÁ HÀN MỘT TRỤC QUAY .777 5.1 Mô trình hàn theo chu vi ống .77 5.2 Mơ q trình hàn theo đường sinh ống .78 KẾT LUẬN CHƯƠNG V .80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 Kết luận: .81 Kiến nghị: .82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2-1 Thành phần hóa học thép ……………………… 13 Bảng 2-2 Cơ tính thép ……………………………………… 13 Bảng 2-3 Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc RV20E…………… 16 Bảng 2-4 Thông số ren thang hệ mét…………………………… 18 Bảng 2- Kích thước ổ lăn……………………………………… 20 Bảng 2- Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc RV40E…………… 23 Bảng 2-7 Bảng thông số số mâm cặp……………………… 23 Bảng 3-1 Bảng trạng thái, chức PLC…………………… 37 Bảng 3-2 Bảng đặc điểm điều khiển lập trình PLC………… 38 Bảng 3-3 Các loại biến tần……………………………………… 41 Bảng 3-4 Bảng quy định ký hiệu công suất động cơ………… 42 Bảng 3-5 Bảng ký hiệu cảm biến……………………………… 42 Bảng 4-1 Bảng phân chia đầu vào:………………………… 70 Bảng 4-2.Bảng phân chia đầu ra:…………………………… 70 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1- Robot kết nối với đồ gá hàn sản xuất .3 Hình 1-2 Robot kết nối với đồ gá hàn Hình 1-4 Đồ gá hàn trục quay dùng để hàn nối ống với mặt bích Hình 1-5 Mộ số đồ gá hàn tự động Hình 1-6 Robot hàn làm việc với đồ gá hàn trục quay .8 Hình 1- Đồ gá hàn trục quay A2PB252 - E OTC DAIHEN Hình 2-1 Sơ đồ thiết kế đồ gá hàn trục quay 12 Hình 2-2 Một số chi tiết đồ gá hàn 14 Hình 2-3 Thân đồ gá hàn 15 Hình 2-4 Thông số kỹ thuật ren thang .17 Hình 2-5.Trục vít me 18 Hình 2-6 Chi tiết khớp nối trục động với trục vít .19 Hình 2-7 Chi tiết trục vít me – đai ốc 19 Hình 2-8 Chi tiết dẫn hướng 20 Hình 2-9 Gối đỡ hai đầu trục vít 21 Hình 2-10 Tổng thể cấu tịnh tiến 21 Hình 2- 11 Mâm cặp 23 Hình 2-12 Tấm vách .25 Hình 2-13 Kết cấu bệ đỡ 25 Hình 2-14 Tấm gá mâm cặp .26 Hình 2-15 Tấm gá động hộp giảm tốc 26 Hình 2- 16 Một số loại xylanh 27 Hình 2-17 Xylanh bàn trượt .28 Hình 2-18 Cơ cấu nâng hạ mỏ hàn 29 Hình 3- Sơ đồ khối tổng thể đồ gá hàn 32 Hình 3-2 Sơ đồ động học đồ gá hàn trục quay 33 Hình 3-3 Hình ảnh PLC CPM2A .36 Hình 3-4 Sơ đồ kết nối PLC .38 Hình 3-5 Biến tần 3G3JV 40 Hình 3-6 Sơ đồ đấu nối biến tần 41 Hình 3-7 Cảm biến từ .42 Hình 3-8 Cảm biến HYP 44 Hình 3-9 Encoder .44 Hình 3-10 Bản vẽ kích thước Encoder .45 Hình 3-11 Sơ đồ nối dây Encoder 46 Hình 3-12 Rơ le 46 Hình 3-13 Sơ đồ nguyên lý Rơle 47 Hình 3-14 Bản vẽ động 47 Hình 3-15 Động điện 48 Hình 3-16.Bảng điều khiển .49 Hình 3-17 Sơ đồ mạch đấu nối .49 Hình 5-1 Thao tác kẹp phôi 77 Hình 5-2 Mỏ hàn xuống .77 Hình 5-3 Quá trình hàn 78 Hình 5-4 Kết thúc đường hàn theo chu vi đường tròn .78 Hình 5-5 Quá trình hàn 79 Hình 5-6 Kết thúc đường hàn theo chu vi đường tròn .79 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài - Trên thực tế, có nhiều dạng kết cầu, chi tiết với đường hàn phức tạp, biên dạng đặc biệt mà đơn người công nhân dù tay nghề cao khó khơng thực Vấn đề đồ gá hàn thực với nhiệm vụ: “Ln đưa chi tiết hàn vị trí thuận lợi để thực hàn” Dùng đồ gá, nâng cao chất lượng sản phẩm mà cịn mang lại suất lao động cao - Thiết kế đồ gá hàn trục quay kết nối với máy hàn bán tự động trở thành hệ thống hàn tự động, đường hàn thực với chất lượng suất cao - Ở nước ta nay, hầu hết công ty, xí nghiệp sử dụng đồ gá hàn có kết cấu đơn giản Đồ gá đại có tính tự động nằm nhà máy, cơng ty nước liên doanh với nước Bởi nay, đồ gá đại có đơn giá cao, tương đương với thiết bị (robot) Không đồ gá lại không đễ dàng mua Để giải vấn đề cần có đầu tư đáng kể cho công việc nghiên cứu, chế tạo sử dụng đồ gá hàn nội địa Mục đích nghiên cứu - Thiết kế hệ thống khí để gia cơng gá kẹp chi tiết tiến hành hàn - Thiết kế hệ thống điều khiển, phân tích xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển - Xây dựng thuật tốn viết chương trình điều khiển cho hệ thống - Sử dụng phần mềm mô Solidworks để xây dựng mơ chuyển động q trình hàn chi tiết dạng ống theo chu vi theo đường sinh ống Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Các chi tiết hàn dạng ống với đường hàn theo chu vi, theo đường sinh đường xoắn ốc Phạm vi nghiên cứu: Tự động hóa q trình hàn ống theo chu vi theo đường sinh ống máy hàn bán tự động MIG/MAG Kết cấu luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận danh mục tài liệu tham khảo, luận văn bao gồm chương: Chương I:Tổng quan đồ gá lĩnh vực hàn Chương II: Tính tốn, thiết kế kết cấu khí đồ gá hàn trục quay Chương III: Thiết kế hệ thống điều khiển đồ gá Chương IV: Xây dựng thuật tốn, viết chương trình điều khiển kết nối với hệ thống hàn Chương V: Mô hoạt động đồ gá hàn trục quay 4.3.2.1 Sơ đồ khối thuật toán Bắt đầu Chọn chế độ (Tự động/Bằng tay) Ấn nút Start Đầu hàn xuống Yes Quay phôi/ tịnh tiến đầu hàn Phôi quay thuận Tiến đầu hàn Lùi đầu hàn Nâng đầu hàn Hạ đầu hàn No Đầu hàn Dừng PLC điều khiển nâng đầu hàn lên Cảm biến từ, Encoder điều khiển Bắt đầu trình hàn encoder đếm xung Yes Phôi quay nghịch Kết thúc No Số xung≤5000 4.3.2.2.Phân tích sơ đồ Có chế độ điều khiển Chế độ chạy tự động chế độ điều khiển tay Nếu chế độ điều khiển tay có nút để điều khiển động quay thuận 69 quay nghịch nâng hạ đầu hàn Khi chuyển sang chế độ chạy tự động bấm nút “Chạy” điều khiển cầm tay đồ gá hoạt động theo chương trình nạp vào PLC Động quay phôi bắt đầu quay thuận đến PLC nhận tín hiệu cảm biến từ phát gửi tín hiệu dừng động đồng thời gửi tín hiệu đến cho động tịnh tiến đầu hàn quay hệ thống khí nén hạ đầu hàn xuống bắt đầu trình hàn Quá trình hàn kết thúc PLC đếm đủ số xung đặt trước theo yêu cầu PLC điều khiển động tịnh tiến đầu hàn dừng lại nâng đầu hàn lên Kết thúc chương trình Bảng 4-1 Bảng phân chia đầu vào: Địa Chức 000.00 Nhận tín hiệu từ encoder 000.01 Nhận tín hiệu từ cảm biến từ 000.02 Nút chạy (start) chế độ tự động 000.03 Nút dừng(stop) chế độ tự động 000.04 Công tắc chuyển sang chế độ tự động 000.05 Công tắc chuyển sang chế độ tay 000.06 Nút bật động quay thuận 000.07 Nút bật động quay nghịch 000.08 Nút bật động quay thuận 000.09 Nút bật động quay nghịch 000.10 Hạ đầu hàn 000.11 Nâng đầu hàn Bảng 4-2.Bảng phân chia đầu ra: Địa Chức 010.00 Role điều khiển phanh động biến tần làm động quay 010.01 thuận 010.02 Role điều khiển phanh động biến tần làm động quay 70 010.05 nghịch 010.03 Role điều khiển phanh động biến tần làm động quay thuận 010.04 Role điều khiển phanh động biến tần làm động quay nghịch 010.05 Điều khiển hệ thống khí nén nâng/hạ đầu hàn 4.3.3.Chương trình điều khiển 71 72 Chương trình STL LD 253.13 MOV 248 DM0000 LD 253.13 MOV 249 DM0001 LD 000.07 OR TIM000 OUT 252.00 LD 000.06 OUT TRO 10 AND NOT 220.00 11 CMP 248 #0125 12 LD TRO 13 AND 255.05 14 LD TRO 15 AND 255.06 16 OR LD 17 AND NOT 220.00 18 OUT 200.00 19 LD 000.06 20 OUT TRO 21 AND NOT 220.00 73 22 CMP 248 #00000 23 LD TRO 24 AND 255.07 25 LD TRO 26 AND 255.06 27 OR LD 28 AND NOT 220.00 29 OUT 200.01 30 LD 000.06 31 LD 000.04 32 OR 010.00 33 AND LD 34 AND NOT 200.00 35 AND NOT 000.05 36 LD 000.07 37 AND 000.08 38 AND NOT 220.00 39 OR LD 40 OUT 010.00 41 LD 000.06 42 LD 000.04 43 OR 010.02 44 AND LD 45 AND NOT 200.00 46 AND NOT 000.05 47 LD 000.07 48 AND 000.10 49 AND NOT 220.00 50 OR LD 74 51 OUT 010.02 52 LD 000.06 53 AND 000.02 54 AND NOT 200.01 55 AND NOT 000.05 56 LD 000.07 57 AND 000.09 58 AND NOT 220.00 59 OR LD 60 OUT 010.01 61 LD 000.06 62 AND 000.02 63 AND NOT 200.01 64 AND NOT 000.05 65 LD 000.07 66 AND 000.11 67 AND NOT 220.00 68 OR LD 69 OUT 010.05 70 LD TIM000 71 OUT 010.03 72 LD 010.02 73 TIM 000 #0020 75 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV Trong chương IV, tác giả hoàn thành nội dung sau: Lựa chọn phần mềm dùng để lập trình điều khiển đồ gá hàn phần mềm SYSWIN phần mềm lập trình cho PLC OMRON dạng Ledder Diagram thực thụ chạy WINDOW Giới thiệu phương pháp bước tiến hành lập trình phần mềm SYSWIN Xây dựng sơ đồ thuật tốn, phân tích sơ đồ thuật toán điều khiển đồ gá hàn tiến hành lập trình điều khiển đồ gá hàn trục dựa phần mềm SYSWIN 76 Chương V MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỒ GÁ HÀN MỘT TRỤC QUAY 5.1 Mơ q trình hàn theo chu vi ống Sử dụng phần mềm mô Solidworks mô chuyển động đồ gá trình hàn nối hai ống theo chu vi Hai ống có chiều dày mm đường kính Ø100 cắt với chiều dài 250 mm gá đính sẵn ngồi Hai phôi hàn định vị kẹp chặt nhờ mâm cặp chấu có độ đồng tâm cao Hình 5-1 Thao tác kẹp phôi Sau phôi hàn kẹp chặt vào mâm cặp, lúc píttơng đẩy mỏ hàn xuống Điều chỉnh mỏ hàn vị trí cách bề mặt vật hàn khoảng cách định theo yêu cầu Hình 5-2 Mỏ hàn xuống 77 + Quá trình hàn tiến hành lúc hồ quang phát sinh mỏ hàn, mâm cặp bắt đầu quay, tốc độ quay mâm cặp phù hợp với tốc độ hàn Hình 5-3 Quá trình hàn Khi hàn hết vịng trịn mỏ hàn nhận tín hiệu từ cảm biến từ, lúc hồ quang hàn tắt pit tông đẩy mỏ hàn lên Quá trình hàn kết thúc Hình 5-4 Kết thúc đường hàn theo chu vi đường trịn 5.2 Mơ q trình hàn theo đường sinh ống Quá trình kẹp chặt phôi hàn pit tông đẩy mỏ hàn xuống giống q trình hàn theo chu vi đường trịn + Quá trình hàn tiến hành lúc hồ quang phát sinh mỏ hàn, động gắn trục vít quay, tốc độ quay động phù hợp với tốc độ hàn (tốc độ quay điều chỉnh thông qua núm chiết áp biến tần) 78 Hình 5-5 Quá trình hàn Khi hàn hết chiều dài phơi Encoder đếm số vịng quay truyền tín hiệu lên mạch điều khiển Lúc hồ quang hàn tắt pitong đẩy mỏ hàn lên khỏi vị trí hàn Kết thúc đường hàn Hình 5-6 Kết thúc đường hàn theo chu vi đường tròn 79 KẾT LUẬN CHƯƠNG V Trong chương tác giả hoàn thành nội dung sau: Thiết kế dạng ống đường hàn ống phần mềm Solidworks Đã mơ tồn trình hàn chi tiết dạng ống theo chu vi theo đường sinh ống phần mềm mô Solidworks Bao gồm thao tác: Kẹp phơi lên đồ gá, mỏ hàn xuống, q trình hàn theo chu vi(quá trình hà theo đường sinh), tháo phôi khỏi đồ gá 80 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Sau thời gian làm luận văn hướng dẫn nhiệt tình thầy giáo, PGS.TS Bùi Văn Hạnh với nỗ lực thân, đến em hoàn thành xong luận văn tốt nghiệp với kết nghiên cứu sau: * Về mặt lý thuyết: - Đã nghiên cứu, thiết kế hệ thống khí, bao gồm phần khung, cấu quay phôi hàn, cấu tịnh tiến mỏ hàn, cấu nâng hạ đầu hàn - Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống điều khiển cho đồ gá hàn trục quay sử dụng điều khiển khả lập trình PLC để điều khiển đồ gá hàn (bao gồm điều khiển chuyển động quay phôi hàn, chuyển động tịnh tiến đầu hàn, chuyển động nâng hạ đầu hàn) - Đã xây dựng thuật toán điều khiển, thuật toán đảm bảo tính khả thi - Đã viết chương trình điều khiền tích hợp PLC, chương trình điều khiển ngắn gọn đảm bảo đầy đủ tính u cầu - Đã mơ thành cơng hoạt động hệ thống đồ gá hàn trục quay hàn ống theo chu vi theo đường sinh ống * Về mặt thực tiễn: - Các kết nghiên cứu ứng dụng để chế tạo chi tiết dạng ống có chất lượng tốt với thời gian ngắn cách sử dụng PLC, từ góp phần nâng cao suất chất lượng sản phẩm hàn cho doanh nghiệp sản xuất Mặt khác thay mỏ hàn mỏ cắt tự động q trình cắt dễ dàng, đồng thời cho suất chất lượng mép cắt cao Việc nghiên cứu, ứng dụng đề tài có ý nghĩa lớn Nhà trường sinh viên ngành khí, điện tử, góp phần làm cho học viên có thêm tính trực quan tự động hóa q trình hàn, thúc đẩy học sinh Nhà trường say mê tìm hiểu nghiên cứu khoa học 81 Kiến nghị: Việc nghiên cứu kết cấu khí cần sâu để tiến hành sản xuất hàng loạt hệ thống đồ gá hàn bán thị trường với chi phí thấp giá thành cạnh tranh Việc xây dựng thuật tốn, viết phần mềm điều khiền phần mơ cần phải nghiên cứu sâu để có phương án điều khiển đồ gá hàn cách linh hoạt Với kết cho phép tiếp tục nghiên cứu phát triển, chế tạo hệ thống hàn tự động khác PLC Muốn vậy, cần phải có thêm thời gian đầu tư nghiên cứu mức độ cao Rất mong góp ý kiến xây dựng Thầy bạn đồng nghiệp để đề tài hồn thiện hơn, kinh nghiệm, tri thức quý báu giúp em công việc thực tế sau Một lần em xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Bùi Văn Hạnh trực tiếp hướng dẫn bảo tận tình em hồn thành luận văn 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Trịnh Chất– TS Lê Văn Uyển - Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí - NXB Giáo dục – 2005 [2] Trần Văn Địch, Đồ gá khí tự động hóa, NXB KHKT, Hà Nội 2005 [3] Nguyễn Trọng Hiệp, Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy – NXB giáo dục 2006 [4] Lê Hòa Quốc, Chung Tấn Lâm, Bộ điều khiển lập trình vận hành ứng dụng – NXB KHKT 2008 [5] Ngô Lê Thông , Công nghệ hàn điện nóng chảy – tập 1, NXB KHKT, Hà Nội 2004 [6] Ngô Lê Thông , Công nghệ hàn điện nóng chảy – tập 2, NXB KHKT, Hà Nội 2007 [7] Mai Xuân Vũ, Sổ tay hướng dẫn lập trình PLC, NXB Trẻ, 2004 [8] Bộ mơn Cơng nghệ Chế tạo máy - Cơ sở công nghệ chế tạo máy NXB Khoa học kỹ thuật - 2008 [9] Control Technics, SK Getting started guide, Catalogue [10] Nguồn tài liệu khai thác qua Internet: http://www.omron.com/ 83 ... KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA ĐỒ GÁ HÀN MỘT TRỤC QUAY 2.1 Chọn phương án thiết kế đồ gá hàn trục quay Đồ gá hàn trục quay thiết kế theo sơ đồ hình 2-1, bao gồm phận : Khung đồ gá Cơ cấu chuyển động quay. .. nghiên cứu, tính tốn, thiết kế kết cấu khí phận đồ gá hàn trục quay: Khảo sát, nghiên cứu phương án thiết kế kết cấu đồ gá hàn trục quay Tính tốn chọn vật liệu chế tạo đồ gá kích thước thân đồ gá hàn. .. Robot hàn làm việc với đồ gá hàn trục quay .8 Hình 1- Đồ gá hàn trục quay A2PB252 - E OTC DAIHEN Hình 2-1 Sơ đồ thiết kế đồ gá hàn trục quay 12 Hình 2-2 Một số chi tiết đồ gá hàn