Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy tự động uốn thép xây dựng phục vụ cho hoạt động dạy học tại phân hiệu báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH MÁY TỰ ĐỘNG ́N THÉP XÂY DỰNG PHỤC VỤ CHO HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC TẠI PHÂN HIỆU Mã số: T2019-PHII-001 Chủ nhiệm đề tài: Văn Quốc Hữu Thời gian thực hiện: 1/2019-3/2020 TP Hồ Chí Minh, 3/2020 DÁNH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI VÀ ĐƠN VỊ PHỚI HỢP CHÍNH Thành viên tham gia chính: TS Nguyễn Hữu Chí II MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU - Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu - Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu - Cách tiếp cận - Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY TỰ ĐỘNG UỐN THÉP XÂY DỰNG TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 1.1 Tình hình nghiên cứu chế tạo sử dụng máy uốn thép nước giới 1.2 Đặc điểm kết cấu máy uốn thép thông số đặc trưng máy uốn CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY UỐN THÉP 2.1 Cơ sở lý thuyết phương pháp uốn thép 2.2 Thiết kế mơ hình đầu uốn 13 2.3 Thiết kế mơ hình cấu đẩy phơi 23 2.4 Thiết kế mơ hình cấu cắt phơi 24 2.5 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm 33 2.6 Kết nghiên cứu chương 39 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH MÁY TỰ ĐỘNG UỐN THÉP XÂY DỰNG 40 3.1 Chế tạo, lắp ráp mơ hình máy tự động uốn thép xây dựng 40 3.2 Tiến hành chạy thử máy 42 3.3 So sánh, đánh giá kết 42 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46 Kết luận 46 Kiến nghị 46 III TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM 49 IV DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT - α: góc uốn đai thép ϭ: độ bền vât liệu τ: ứng suất cắt thép δ: sai số cho phép chiều dài đai thép d: đường kính phơi thép Π: hệ số pi=3.14 ᵠ: góc quay 𝑑6𝑘𝑛 : đường kính pitong khí nén cắt phơi d=6 𝑑6𝑡𝑙 : đường kính pitong thủy lực cắt phơi d=6 𝑑8𝑘𝑛𝑛 : đường kính pitong khí nén cắt phơi d=8 𝑑8𝑡𝑙 : đường kính pitong thủy lực cắt phơi d=8 𝑄: lực cắt 𝐹: lực cần thiết pitong sinh 𝐿1 : chiều dài từ lực cắt đến tâm quay 𝐿2 : chiều dài từ lực pitong sinh đến tâm quay V DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Bảng tính vật liệu thép CT3 Bảng 2: Bảng thành phần hóa học thép CT3 Bảng 3: Bảng so sánh đường kính pitong khí nén thủy lực cấu cắt 14 VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Các loại máy uốn Hình 2: Máy uốn Việt Nam sản xuất Hình 1: Kích thước loại đai thép Hình 2: Cơ cấu uốn kiểu mâm quay Hình 3: Cơ cấu uốn kiểu tay kẹp Hình 4: Tiết diện phơi trịn Hình 5: Sơ đồ phân tích ứng suất 10 Hình 6: Vẽ lắp ráp chi tiết thành mô hình cấu 10 Hình 7: Khai báo bề mặt làm việc 11 Hình 8: Khai báo lực tác dụng 11 Hình 9: Quá trình chạy giải tính 12 Hình 10: Kết tính ứng suất phơi thép CT3 với góc uốn   450 12 Hình 11: Kết tính ứng suất phơi thép CT3 với góc uốn   900 12 Hình 12: Cơ cấu uốn góc uốn khơng (nhìn từ trái qua phải) 13 Hình 13: Cơ cấu uốn góc uốn khơng (nhìn từ phải qua trái) 13 Hình 14: Sơ đồ chịu lực cấu uốn 14 Hình 15: Phân tích lực uốn thẳng 15 Hình 16: Khai báo ràng buộc chốt pin 16 Hình 17: Khai báo ràng buộc mặt làm việc then 16 Hình 18: Đặt tải trọng tác dụng 16 Hình 19: Thực tính tốn 17 Hình 20: Kết ứng suất uốn uốn thẳng 17 Hình 21: Phân tích lực lên đầu cong 18 Hình 22: Khai báo ràng buộc quay quanh chốt pin 18 Hình 23: Khai báo ràng buộc không ma sát Fix 19 Hình 24: Đặt tải lên đầu cong 19 Hình 25: Kết ứng suất uốn đầu cong uốn 20 Hình 26: Phân tích lực lên trục trung gian 20 Hình 27: Khai báo ràng buộc không ma sát Friction less 21 Hình 28: Khai báo ràng buộc khơng ma sát Fix 21 Hình 29: Đặt tải trọng lên trục 22 Hình 30: Kết ứng suất xoắn trục trung gian 22 Hình 31: Ứng suất tập trung chủ yếu ngàm cần thẳng với trục trung gian 22 Hình 32: Các lăn xẻ rãnh 23 Hình 33: Truyền đồng liên kết với bánh đồng tốc 23 Hình 34: Con lăn đẩy chủ động bị động 24 Hình 35: Cơ cấu cắt phơi 24 Hình 36: Sơ đồ chịu lực cấu uốn 25 VII Hình 37: Khái báo ràng buộc quay quanh chốt pin 27 Hình 38: Khai báo ràng buộc không ma sát Frictionless 27 Hình 39: Khai báo ràng buộc không ma sát Fix 27 Hình 40: Đặt tải trọng tác dụng 28 Hình 41: Kết tính toán ứng suất dao cắt 28 Hình 42: trục đỡ dao cắt 29 Hình 43: Khai báo ràng buộc gắn cứng Fix 29 Hình 44: sơ đồ phân tích lực dao cắt 30 Hình 45: Đặt tải trọng tác dụng 30 Hình 46: Kết tính tốn ứng suất dao cắt 31 Hình 47: Lắp toàn cụm đế dỡ pitong dao cắt 31 Hình 48: Khai báo ràng buộc gắn cứng Fix 32 Hình 49: Đặt tải trọng tác dụng 32 Hình 50: Kết tính toán ứng suất dao cắt 33 Hình 51: Mạch adruino mega 33 Hình 52: Mạch giảm áp LM2596 34 Hình 53: hình LCD 35 Hình 54: keyboard 4x4 35 Hình 55: Bo mạch design 36 Hình 56: Van phân phối 5/2 điều khiển điện-điện 36 Hình 57: Pitong khí nén cá 37 Hình 58: Bình khí nén 300l 37 Hình 59: Các loại ống khí nén 38 Hình 60: Các đầu nối ống 38 Hình 61: Động bước 38 Hình 62: Hộp giảm tốc 39 Hình 1: Kết cấu toàn khung máy 40 Hình 2: Cơ cấu uốn 40 Hình 3: Cơ cấu đẩy phơi 41 Hình 4: Cơ cấu cắt đứt 41 Hình 5: Bộ điều khiển 41 Hình 6: Các loại đai 42 Hình 7: Mơ hình máy uốn hồn thiện 45 VIII Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 PHẦN MỞ ĐẦU - Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Ngày nay, loại đai thép sử dụng ngành xây dựng đa dạng phong phú, chúng có mặt hầu hết kết cấu cơng trình xây dựng Với số lượng sử dụng nhiều đa dạng chủng loại nên việc chế tạo chúng đòi hỏi xác, suất chất lượng cao Việc tính tốn hay chế tạo khơng kỹ thuật gây hư hỏng kết cấu cơng trình hình Hình 1: Một số kết cấu cơng trình bị hỏng thép đai Để chế tạo thép đai kỹ thuật, suất cao, chất lượng đảm bảo việc sử dụng loại máy uốn tự động điều cần thiết Ở nước phát triển với đời máy uốn thép tự động phần góp phần giải vấn đề đặt Tuy nhiên, việc chạy theo suất lợi nhuận nên nhà sản xuất thường tăng tốc độ uốn dẫn đến ứng suất sinh lớn gây tác hại đến chất lượng sản phẩm, tiền ẩn mối nguy hại vết nứt tế vi vị trí uốn gây ra, lâu dài ảnh hưởng đến tuổi thọ cơng trình Mặt khác, để nâng cao chất lượng đào tạo trang thiết bị thực hành cũng góp phần lớn Với điều kiện sở vật chất có, mặc dù đã nhà trường đầu tư lớn đặc thù Phân hiệu nên số thiết bị, dụng cụ dùng cho giảng dạy bị hạn chế Đặc biệt ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử Tự động hóa cịn thiếu số thiết bị để giảng dạy thực hành cho như: Lập trình gia cơng máy điều khiển số (CNC), lập trình PLC… làm cho việc học tập thực hành sinh viên gặp nhiều khó khăn Mặt khác, để đồng tự động hoá giai đoạn thi cơng xây dựng cơng trình theo xu hướng cơng nghệ BIM (Building Information Modeling) máy tự động gia công cốt thép cần nghiên cứu hồn thiện Vì lý trên, hướng nghiên cứu chế tạo mơ hình máy tự động uốn thép xây dựng cần thiết nhằm phục vụ cho hoạt động dạy học Phân hiệu sở cho việc nghiên cứu phát triển thiết bị theo công nghệ CNC để đồng với công nghệ BIM giai đoạn quản lý thi công xây dựng công trình CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 - Mục tiêu, đối tượng phạm vi nghiên cứu Mục tiêu đề tài nghiên cứu chế tạo máy uốn thép tự động uốn loại thép đai xây dựng Đối tượng nghiên cứu cấu máy uốn tự động, loại đai thép thường sử dụng xây dựng dân dụng Trong phạm vi kinh phí thời gian có hạn đề tài nghiên cứu chế tạo mơ hình máy uốn loại đai thép có đường kính d=6mm chủ yếu uốn đai thép hình chữ nhật hình vng - Cách tiếp cận Đề tài suất phát từ động tác uốn thép người công nhân cấu cần thiết thiết bị để uốn sau nghiên cứu chế tạo cấu thay động tác uốn công nhân đông thời nâng cao suất độ xác cảu sản phẩm - Phương pháp nghiên cứu Đề tài sử dụng phương pháp nghiên cứu tổng hợp, phân tích liệu tối ứu hóa trình uốn thép CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 * Thiết bị hiển thị (LCD): Hình 53: hình LCD VSS: tương đương với GND - cực âm VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V) Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng hình Register Select (RS): điều khiển địa ghi liệu Read/Write (RW): đọc (read mode) hay ghi (write mode) liệu Nó phụ thuộc vào gửi giá trị vào Enable pin: Cho phép ghi vào LCD * Bàn phím điều khiển Ma trận phím 4x4 gồm có 16 nút bấm xếp theo ma trận hàng, cột Các nút bấm hàng cột nối với nhau, ma trận phím 4x4 có tổng cộng ngõ Hình 54: keyboard 4x4 Ma trận phím 4x4 cho phép nhập chữ số, chữ cái, ký hiệu vào điều khiển qua dùng để điều khiển thiết bị ngoại vi Có thể mắc thêm trở treo (thông thường 10K) cho nút bấm để nút bấm hoạt CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 35 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 động ổn định Để giao tiếp với ma trận phím 4x4, dùng phương pháp "Quét" để kiểm tra xem nút bấm Hình 55: Bo mạch design * Các van khí nén Van điện từ khí nén hay cịn gọi van đảo chiều cấu điều chỉnh hướng điều chỉnh dịng khí nén qua van Van điện từ khí nén có tác dụng đóng ngắt dịng khí điều chỉnh hướng dịng khí Hiện hệ thống khí nén bao gồm nhiều thiết bị, phần tử cấu tạo nên hệ thống khí nén Việc nắm bắt rõ nguyên lý hoạt động phần tử khí nén nói chung van điện từ khí nén nói riêng giúp cho việc thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống khí nén cách dễ dàng, giảm chi phí phát sinh khơng đáng có đặc biệt giúp hệ thống hoạt động ổn định trơi chảy Hình 56: Van phân phối 5/2 điều khiển điện-điện * Pitong khí nén - Xi lanh tác động đơn: loại xy lanh mà sử dụng khí nén khơng khí để dịch chuyển xy lanh theo hướng định - Xi lanh tác động kép: Double Acting xi lanh (DAC) sử dụng lực lượng khơng khí di chuyển hai mở rộng rút lại đột quỵ Họ có hai cổng phép khơng khí trong, cho outstroke cho instroke CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 36 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 - Pitong cấu chấp hành, tạo lực nén cung cấp cho cấu uốn hay cấu cắt vận hành Pitong có nhiều chủng loại khác Hình 57: Pitong khí nén cá * Máy nén khí Máy giúp hút khơng khí từ mơi trường ngồi dự trữ bình hơi, áp suất khí bình lớn Từ bình hơi, khí đc phân phối đến công cụ khác súng phun để thổi bụi nước, đến loại máy có phận quay máy vít đinh, máy khoan, máy đánh nhám Trong loại máy có tuốc-bin nhỏ, cho dịng khí áp suất cao vào đẩy cánh quạt tuốc-bin quay, nhờ cấu truyền động thích hợp, máy hoạt động Thường khơng khí, dùng phổ biến để cung cấp lượng cho cơng cụ dùng khí nén máy khoan đường, bơm phun sơn máy khoan Hình 58: Bình khí nén 300l * Ớng dẫn khí Ống khí nén vật tư thiếu nhà máy Ống khí nén đường ống dùng để dẫn khí nén từ nguồn cấp khí nén đến vị trí cần sử dụng khí nén Ống khí nén dùng tất nhà máy sản xuất, từ nhà máy sản xuất nhỏ đến nhà máy sản xuất lớn Khí nén dùng cho loại van điện từ khí nén, xylanh khí nén, dùng cho súng xịt khí, dùng cho súng vặn vít, súng vặn bulong, máy mài khí nén Để sử dụng được, cần loại ống dẫn khí nén khác CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 37 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 Hình 59: Các loại ống khí nén * Các đầu nối - Dùng để liên kết ống lại với nhau, có nhiều kiểu đầu nối khác Hình 60: Các đầu nối ống *Động bước - Động bước sử dụng rộng rãi sống ngày, đặc biệt lĩnh vực Robot, tự động hóa cơng nghiệp, loại máy móc điều khiển cần có xác cao dùng để biến đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện rời rạc thành chuyển động góc quay Đối với thiết kế chế tạo máy uốn thép, động bước có vai trị đưa thép đến vị trị định theo yêu cầu từ việc lập trình Về cấu tạo động bước gồm stato, roto nam châm vĩnh cữu Hình 61: Động bước CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 38 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 *Hợp giảm tốc: - Cấu tạo hộp giảm tốc: Hộp giảm tốc có cấu tạo cũng đơn giản, chúng gồm bánh thẳng nghiêng ăn khớp với theo tỷ số truyền định, có nguồn điện cấp vào, thiết bị tạo nên vịng quay phù hợp với yêu cầu người sử dụng Tùy vào điều kiện làm việc tính tốn người ta thiết kế hộp giảm tốc phù hợp với công việc Hình 62: Hộp giảm tốc Hộp giảm tốc truyền lần truyền động gọi hộp giảm tốc loại cấp Tương tự ta có hộp số giảm tốc loại cấp, cấp Thường chế tạo hộp số giảm tốc, người ta thường chế tạo hộp nhiều cấp với tỉ số truyền cấp khoảng 3-5 2.6 Kết nghiên cứu chương Qua chương nội dung thiết kế, tính tốn mơ chi tiết cấu khí cấu máy uốn đã hoàn thành CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 39 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 CHƯƠNG CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM MƠ HÌNH MÁY TỰ ĐỘNG ́N THÉP XÂY DỰNG 3.1 Chế tạo, lắp ráp mơ hình máy tự động uốn thép xây dựng a Chế tạo lắp ráp phần khung máy - Khung máy chế tạo thép V50x50x5 V30x30x3 hàn liên kết lại với - Các lắp ghép ổ đỡ khung sườn nhờ mối ghép ren Hình 1: Kết cấu toàn khung máy b Chế tạo lắp ráp cấu uốn - Cơ cấu uốn bao gồm cong, thẳng, trục quay, gối đỡ pitong Hình 2: Cơ cấu uốn d Chế tạo lắp ráp cấu đẩy phôi Cơ cấu đẩy phôi gồm lăn để kẹp giữ phôi đẩy phôi CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 40 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 Hình 3: Cơ cấu đẩy phôi e Chế tạo lắp ráp cấu cắt đứt Cơ cấu cắt đứt gồm: dao cắt, trục xoay, gối đỡ pitong Hình 4: Cơ cấu cắt đứt f Chế tạo lắp ráp phận điều khiển Hình 5: Bộ điều khiển CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 41 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 3.2 Tiến hành chạy thử máy a Lựa chọn phôi Hiện thị trường có nhiều loại thép cuộn với đường kính khác nhau, để dễ tìm phù hợp với điều kiện đề tài ta chọn thép d=6, sau nắm thẳng thành sợi thép dài khoảng 10-15m, đưa vào máy uốn b Lựa chọn kiểu loại đai thực nghiệm Có kiểu loại đai sử dụng xây dựng chiếu khoảng 80% số lượng đai cần dùng Đó đai vng, tam giác, chữ nhật nên thực nghiệm uốn loại Hình 6: Các loại đai 3.3 So sánh, đánh giá kết a Đánh giá hiệu hoạt động máy Máy uốn làm việc êm, máy chạy ổn định Tốc độ cắt trạng thái trung bình gây rung động Máy ồn va đập cắt đứt đai thép lực cắt đứt lớn Các cấu máy cứng vững nên độ ổn định máy cao Hệ thống điều khiển chạy ổn định không chập chờn b Đánh giá suất uốn đai Nếu so với uốn tay thủ cơng máy uốn có suất từ 4-5 lần Và đạt độ xác cũng chất lượng đai ổn định CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 42 Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2019 Tùy theo loại đai mà suất đạt sau: + Nếu đai tam giác khoảng 5-7 đai/ phút + Nếu đai vng khoảng 4-6 đai/ phút + Nếu đai chữ nhật khoảng 3-5 đai/ phút Nếu so với loại máy uốn bán thị trường suất máy uốn 65-80% Vì máy uốn sử dụng khí nén nên lực sinh nhỏ tốc độ uốn cắt cũng hạn chế c Đánh giá chất lượng đai thép So với đai thép uốn thủ cơng tay đai thép uốn máy có độ ổn định độ xác cao máy hiệu chỉnh góc uốn nhờ cơng tác hành trình cữ chặn khí có độ xác độ cứng cao Việc máy chạy tuần hoàn theo chương trình lập trình sắn giúp giảm bớt sai số gia cơng Qua q trình thực nghiệm đánh gia đo đạc so sánh cho kết sau: + Độ sai lệch góc uốn khoảng 2-3% + Chiều dài đai thép không sai lệch nhiều khoảng 1-2% + Độ hở cạnh đai thép nằm giới hạn cho phép