QUAN
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền kinh tế cần phải tăng theo để đáp ứng Trong đó ngành công nghiệp cơ khí, mà điển hình là ngành công nghiệp tạo phôi đóng một vai trò quan trọng Đây là khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí, một số phương pháp tạo phôi như kéo, nén, cắt gớp phần tạo ra các sản phẩm, vật dụng trong ngành cơ khí.
Thép tấm hầu như được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp kể trên.
Kích thước thép tấm cán nóng: Độ dày: 3 ly ,4 ly, 5 ly, 6 ly, 8 ly, 10 ly, 12 ly, 15 ly, 20 ly, 25 ly, 30 ly, 40 ly.
Chiều ngang: 750 mm, 1000mm, 1250 mm, 1500 mm, 1800 mm, 2000 mm.
Kích thước thép cán nguội: Độ dày: 1 ly, 1.2 ly, 1.6 ly, 1.8ly, 2 ly.
Chiều ngang: 914 mm, 1000 mm, 1200 mm, 1250mm.
Thép tấm được sản xuất theo hình dáng từng miếng để đáp ứng nhu cầu về các ngành:
- Trong ngành ngành xây dựng, những thép hình cỡ lớn trong những dầm cầu được hình thành từ nhiều tấm thép tấm dày cắt nhỏ, chúng được dùng để liên kết với nhau để tạo thành kết cấu thép bền vững hơn, chúng có thể liên kết với nhau bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán.
Hình 1-1 Kết cấu thép tấm trong xây dựng(Nguồn: Thép Hình - Thép Bắc Hà (thepbacha.com.vn))
- Trong ngành chế biến, thép tấm cũng được sử dụng rộng rãi, nó thường được dùng để chế tạo các bể chứa, thùng chứa, các chai, hộp để đóng gói.
- Trong ngành điện, thép tấm lại được dùng để tạo ra các sản phẩm như là các lá thép trong stato bơm nước hay quạt điện, các thép tấm mỏng hơn dùng để ghép lại trong chấn lưu đèn ống, máy biến thế.
Hình 1-2 Sản phẩm thép tấm sử dụng trong ngành điện (Nguồn: Vỏ tủ điện trong nhà - Sản xuất theo yêu cầu - Bền đẹp - Giá tốt (ieec.vn))
- Trong ngành cơ khí chế tạo, thép tấm được sử dụng trong thân máy của các máy cắt kim loại, trong khung sườn xe máy.
- Thép tấm dùng làm vỏ của những kết cấu khung tàu thuyền trong ngành đóng tàu biển.
Hình 1-3 Thép tấm sử dụng trong ngành đóng tàu biển (Nguồn: Thép tấm chống trượt (thephinhducgiang.com))
- Trong ngành cơ khí ô tô, thép tấm hầu như rất quan trọng, những tấm thép được dùng làm các khung sườn, gầm, che kín thùng xe, lót sàn xe ô tô, và các bộ phận che kín khác. sản phẩm dân dụng phục vụ đời sống hằng ngày hoặc trong ngành công nghiệp hàng không thì dùng để che chắn, cửa của máy bay, nắp đậy thân.
Với nhu cầu sử dụng hiện tại của thép tấm cần phải có các máy móc, thiết bị để cắt các loại thép tấm phục vụ trong lĩnh vực cơ khí chế tạo.
Lý do chọn đề tài
Hiện tại có rất nhiều phương pháp và kỹ thuật cắt thép tấm khác nhau Những sản phẩm đều được tạo ra với mục đích đáp nhu cầu của người sử dụng Từ máy cắt thép tấm bằng tay, chạy bằng điện hay đến máy cắt bằng thủy lực Loại máy nào cũng có các ưu và nhược điểm nhất định, sẽ phù hợp với từng nhu cầu sử dụng riêng. Đối với mô hình nhỏ như hộ gia đình, người ta thường sử dụng máy cắt thép tấm cầm tay mini chạy bằng động cơ điện.
* Ưu điểm của các sản phẩm này bao gồm:
- Thiết kế nhỏ gọn → Dễ dàng di chuyển
- Ít thao tác khi vận hành → Dễ dàng sử dụng.
- Chi phí thấp → Phù hợp với kinh tế vừa và nhỏ.
Hình 1-4 Máy cắt cầm tay mini (Nguồn: Máy Mài Góc Bosch GWS 7-100T 720W (khoanbosch.com.vn)) Tuy ưu điểm là vậy nhưng những loại máy này cũng có một số hạn chế nhất định.
- Khả năng bảo vệ người dùng → Chưa có loại máy cắt cầm tay nào thật sự đáp ứng được vấn đề bảo đảm an toàn cho người vận hành máy.
- Độ chính xác khi cắt → Đây cũng là một vấn đề của dạng máy cắt cầm tay, mặc dù đã có cải tiến theo thời gian, nhưng độ chính xác vẫn còn quá phụ thuộc vào tay nghề của người vận hành máy.
- Cuối cùng là khả năng cắt liên tục.
Hình 1-5 Máy cắt thép tấm bằng tay (Nguồn: Máy cắt , Gấp tôn bằng tay (katavietnam.com)) Đối với mô hình lớn như các xí nghiệp, nhà máy Nhu cầu cũng cần được thay đổi, khi họ phải cắt thép ở một số lượng lớn hơn, nhanh hơn, và chính xác hơn Máy cắt bằng tay hầu như không thể đáp ứng được những yêu cầu đó nữa Từ đó máy cắt thép tấm thủy lực ra đời.
Hình 1-6 Máy cắt thép tấm tự động(Nguồn: Guillotine Shears | Durma North America)Sản lượng được tạo ra bởi máy cắt thủy lực cao hơn rất nhiều so với trước đây,hơn nữa chất lượng sản phẩm cũng rất cao nhờ công nghệ kỹ thuật vượt trội giúp hạn chế sai sót trong thi công hàn và đảm bảo tính đồng nhất Đồng thời công cụ này cũng tiết kiệm thường là 40% thời gian sản xuất so với các dụng cụ thủ công và dự đoán con số này sẽ còn tăng hơn với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay Không chỉ có thế, máy cắt thép tấm tự động còn đảm bảo an toàn lao động cho đội ngũ công nhân vận hành và giảm các chi phí chăm sóc sức khỏe nhân công cho doanh nghiệp.
* Ưu điểm của các giải pháp cắt tự động:
- Năng suất cao, thời gian nghỉ giữa các lần được rút ngắn Có khả năng hoạt động liên tục, bền bỉ với công suất lớn, chịu áp lực ổn định Có thể làm việc ở nhiều môi trường khác nhau.
- Cho phép cắt chính xác vị trí cần thiết trên các vật liệu kim loại, hợp kim Tạo ra các sản phẩm đạt chất lượng.
- Đáp ứng được yêu cầu của khách hang.
- Dễ sử dụng, không tiêu tốn nhiều thời gian và công sức, không đòi hỏi người lao động phải có tay nghề cao Máy cắt sử dụng công nghệ để cắt tự động và được điều khiển thông qua chương trình được lập trình sẵn, được tự động hóa để phù hợp cho các doanh nghiệp, cơ sở kinh doanh nhỏ.
- Bảo vệ được sức khỏe người lao động tốt nhất có thể do không trực tiếp tiếp xúc với quá trình cắt.
- Tiết kiệm thời gian cắt, giảm chi phí sản xuất, tối ưu lợi nhuận so với việc sử dụng các công cụ cắt thủ công.
Chính vì lý do đó, nhóm chúng em quyết định thực hiện nghiên cứu, tính toán và tạo ra máy cắt tấm thép tự động.
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
Thiết kế và chế tạo máy cắt thép tấm tự động sử dụng trong phòng thực hành.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài “Thiết kế và chế tạo máy cắt thép tấm tự động bằng thủy lực” là tập trung tìm hiểu về phương pháp cắt nói chung và cắt tự động nói riêng, nghiên cứu và thiết kế hệ thống cơ khí, xây dựng thuật toán xử lý và điều khiển Nhằm chế tạo máy cắt thép tấm tự động có thể đáp ứng tốt được cho nhu cầu dạy và học trong phòng thực hành.
Nhóm đã nghiên cứu và thiết kế dựa trên lý thuyết và thực nghiệm.
- Tham khảo các tài liệu, nguồn thông tin, hình ảnh có liên quan về cơ khí, thủy lực và kỹ thuật điện tử.
- Đọc, tìm hiểu các bài báo, tạp chí về các sản phẩm máy cắt kim loại.
- Nghiên cứu và tính toán động lực học của máy, sức bền kết cấu.
- Lựa chọn vật liệu, thi công khung máy.
- Lựa chọn thiết bị cơ cấu chấp hành phù hợp.
- Dự trù kinh phí trong việc chế tạo và vận hành máy.
- Chạy thực nghiệm và so sánh với những thuật toán đã sử dụng.
- Rút kinh nghiệm và khắc phục.
Giới hạn đề tài
Dựa vào số liệu cụ thể ban đầu, nhóm quyết định tính toán và thiết kế máy cắt thép dùng để sử dụng trong phòng thực hành Vì vậy nhóm chỉ thi công máy có kích thước nhỏ sử dụng những những kiến thức về thủy lực và lập trình PLC đã được học để điều khiển.
- Cắt thép tấm chiều dày 2 mm.
Bố cục đề tài
Lý do chọn đề tài, đối tượng nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và giới hạn đề tài.
KẾ CƠ KHÍ
Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Biến dạng dẻo của kim loại
Khi bị tác dụng của bởi ngoại lực, kim loại sẽ bắt đầu biến dạng theo từng giai đoạn sau: biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và bị phá hủy Tùy theo cấu trúc tinh thể của mỗi kim loại, các giai đoạn trên có thể xảy ra ở các mức độ khác nhau tùy thuộc vào ngoại lực và tải trọng tác dụng.
Hình 2-1 Biểu diễn quá trình biến dạng kéo của kim loại
Khi tải trọng tác dụng nhỏ hơn P p thì biến dạng của kim loại tăng theo dạng đường bậc nhất, được gọi là giai đoạn biến dạng đàn hồi Biến dạng mất đi sau khi khử bỏ tải trọng (vùng I).
Khi tải trọng tăng từ P p → P max thì độ biến dạng cũng tăng nhanh, đây là giai đoạn biến dạng dẻo, kim loại bị biến đổi kích thước, hình dạng sau khi bỏ tải trọng tác dụng lên nó (vùng II).
Khi tải trọng đạt đến giá trị cực đại thì trong kim loại dần xuất hiện vết nứt, ở tại đó ứng suất tăng nhanh và kích thước vết nứt tăng lên, cuối cùng kim loại bị phá hủy Đó là giai đoạn phá hủy, tinh thể kim loại bị đứt rời (vùng III).
Trong kim loại đơn tinh thể, các nguyên tử kim loại được sắp xếp theo một trật tự xác định, và các nguyên tử luôn luôn dao động quanh vị trí cân bằng của nó.
Hình 2-2 Biểu diễn các loại biến dạng trong đơn tinh thể kim loại
Khi ta cắt kim loại bằng áp lực hay khi tác dụng một lực vào kim loại, lúc đó mạng tinh thể sẽ bị biến dạng Khi lực tác dụng chưa đủ lớn, ứng suất bên trong kim loại được sinh ra chưa vượt quá giới hạn đàn hồi, các nguyên tử kim loại dịch chuyển một khoảng nhỏ và vẫn giữ liên kết mạng, khi ngừng tác dụng lực thì các nguyên tử trở về vị trí ban đầu, mạng tinh thể phục hồi nguyên trạng.
Từ lý thuyết và thực nghiệm cho ta thấy trượt là điều kiện chủ yếu gây ra biến dạng dẻo trong kim loại khi tác dụng một lực quá lớn lên nó sinh ra ứng suất lớn hơn giới hạn đàn hồi nhưng chưa vượt ứng suất phá hủy hay ứng suất giới hạn bền của vật liệu Đây chính là giai đoạn thứ hai của quá trình cắt kim loại, điều này xảy ra trước khi kim loại bị phá hủy hay quá trình kim loại bị cắt đứt.
2.1.2 Sự thay đổi tính chất của thép trong gia công
Tính chất của thép bị thay đổi khi bị cắt, vì trong quá trình cắt thì biến dạng dẻo nguội sẽ làm cấu trúc tinh thể thay đổi, tỷ lệ khuyết tật tăng lên mạnh mẽ dẫn đến độ bền kim loại tăng, kích thước và hình dạng các hạt kim loại cũng như hướng của trục tinh thể thay đổi từ đó sinh ra ứng suất dư và những mặt trượt kích thích quá trình hóa già của kim loại cũng bắt đầu xuất hiện.
2.1.2.1 Sự hóa già của kim loại do biến dạng
Kết quả của sự hóa già kim loại là tính dẻo giảm (độ giãn dài tỷ đối giảm) và nâng cao tính bền của kim loại (trở lực biến dạng, giới hạn chảy và độ cứng tăng). Quá trình hóa già biến dạng xảy ra không đều, đầu tiên nó làm tăng độ cứng của kim loại tại các nơi có mật độ các nguyên tử nitơ và cacbon cao, chủ yếu là ở mặt trượt, tại đây đặc biệt có nhiều lệch. Đối với thép cacbon thấp thì sự hóa già do biến dạng xảy ra mãnh liệt hơn sau khi biến dạng dẻo nguội Các yếu nhiệt độ, môi trường, thời gian cùng với mức độ biến dạng cũng ảnh hưởng đến nó theo tỷ lệ thuận.
Mặt trượt là toàn bộ những dấu vết vật lý tạo ra từ biến dạng dẻo cục bộ Mặt trượt xuất hiện tại vùng gần mép cắt, làm giảm độ nhẵn bóng của bề mặt Các mặt trượt xuất hiện có sự liên quan đến những đặc điểm cơ học không đồng đều của phôi Sự không đồng đều này do sự hóa già trong quá trình biến dạng gây ra Trên bề mặt này sau khi cắt ta có thể quan sát thấy các phần lòi lõm tương ứng với các mặt trượt.
2.1.2.3 Quá trình phát sinh hiên tượng ăn mòn
Trong lúc quá trình biến dạng dẻo nguội xảy ra thì kim loại cũng bắt đầu quá trình hóa bền Quá trình đó cùng với một số hiện tượng khác làm giảm đi khả năng chống ăn mòn của kim loại Vì những điều kiện không giống nhau nên sự thay đổi của các phôi kề nhau về hình dạng sau khi cắt sẽ sinh ra những ứng suất dư tế vi.Những ứng suất dư đó khi bắt đầu ăn mòn sâu vào các tinh thể sẽ làm liên kết ở biên giới giữa các hạt yếu đi và từ đó có thể gây ra những mầm giòn tự phát của các sản phẩm kim loại hoặc kim loại bán thành phẩm.
2.1.3 Nguyên lý biến dạng khi cắt kim loại
* Quá trình cắt có hai giai đoạn:
- Giai đoạn ép vào kim loại: hai lưỡi dao tỳ vào bề mặt kim loại làm xô lệnh các thớ kim loại nhưng chưa làm đứt chúng.
- Giai đoạn cắt kim loại: hai lưỡi dao vẫn tiếp tục áp sát vào nhau cho đến khi các thớ kim loại bị trượt và tách khỏi nhau. Để tìm hiểu về nguyên lý biến dạng, ta cần biết nguyên công cắt chia và cắt phôi, từ đó xác định các thông số cần thiết cho việc tính toán công nghệ.
Trong quá trình tách một phần kim loại này khỏi phần kim loại khác có thể chia thành các giai đoạn riêng biệt. Ở đầu giai đoạn của quá trình cắt, biến dạng dẻo tập trung ở mép làm việc của lưỡi dao sau đó biến dạng bao quanh lưỡi dao (Hình 2.3a).
Giai đoạn hai bắt đầu khi có sự chuyển dịch tương đối giữa phần này với phần kia của tấm (Hình 2.3b) Lúc này nó tạo ra một bề mặt phẳng nhẵn và bóng được san phẳng bởi lực ma sát F hướng theo mặt bên của lưỡi dao.
Hình 2-3 Biểu diễn các giai đoạn của quá trình cắtKhi các lưỡi cắt tiến lại gần nhau thì mức độ biến dạng tăng lên và khi đó tính dẻo của kim loại bị mất đã tiến đến giai đoạn 3 Các vết nứt xuất hiện, phát triển và phá hủy kim loại cho đến khi kết thúc quá trình tách phần vật liệu này ra khỏi phần vật liệu khác của tấm (Hình 2.3c).
Sự phá hủy kim loại xảy ra ở phía trước mép làm việc của lưỡi dao, vì vậy các vết nứt gọi là các vết nứt phá vỡ trước.
Các phương pháp cắt thép tấm
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều phương pháp cắt kim loại truyền thống như máy cắt cầm tay, máy cắt mini Các phương pháp này chỉ cắt được các tấm thép có chiều dày bé, tiết diện nhỏ và cũng không đem lại hiệu quả kinh tế cao nên chủ yếu dùng cho các xưởng gia công cơ khí nhỏ lẻ Chính vì thế, những đơn vị hay xưởng sản xuất thường dùng các phương pháp hiện đại hơn như: cắt bằng Oxi-gas, cắt Lazer và cắt Plasma.
Phương pháp cắt kim loại bằng khí Oxi-gas đã được sử dụng rất lâu Đây là một phương pháp cắt thép tấm đơn giản và hiệu quả với giá thành thấp.
Hình 2-7 Minh họa khi cắt bằng Oxi-gas Cắt bằng Oxi-gas có khả năng cắt được những tấm thép rất dày Tùy theo độ dày của tấm kim loại mà ta cần điều chỉnh van khí oxi cho phù hợp Phương pháp này có thể cắt được thép tấm dày 1000 mm đến 1500 mm và sản phẩm cắt có bề mặt cắt đẹp, cạnh vuông Tuy nhiên, nếu cắt các tấm kim loại dày thì bề mặt bị vát chéo và góc vát càng nhiều khi kích thước tấm kim loại càng lớn.
Phương pháp cắt kim loại bằng Lazer tuy xuất hiện trên thị trường chưa lâu nhưng đã nhanh chóng được đánh giá là một trong những phương pháp cắt hiệu quả nhất Máy cắt laser dùng tia Lazer để cắt hoặc khắc trên bề mặt vật liệu và khi hoạt động máy cắt Lazer sẽ tạo ra chùm tia Lazer có lực cắt lớn và đường cắt hẹp.
Máy cắt Lazer có thể cắt thép có độ dày lớn lên đến 31,75 mm Khi cắt kim loại có độ dày lớn hơn 25,4 mm thì bề mặt cắt đẹp, không răng cưa và loại bỏ xỉ bám Để đạt được chất lượng tốt nhất cần phải đảm bảo đúng quy trình cắt, chất lượng của chùm tia, độ tinh khiết của khí Gas và vòi phun.
Hình 2-8 Minh họa cắt bằng Lazer
Về công nghệ cắt kim loại thì phương pháp cắt thép tấm bằng phương phápPlasma là bước phát triển vượt bậc Phương pháp cắt này có thể cắt dễ dàng trên nhiều bề mặt kim loại với tốc độ cắt rất nhanh, ít xỉ, bề mặt cắt đẹp với độ chính xác cao Máy cắt Plasma cắt được những tấm kim loại có độ dày không quá 30 mm.
Khi cắt tấm kim loại với kích thước dày thường để lại các vết cắt, vết xỉ và độ vát cạnh Do phải thường xuyên thay thế các chi tiết nên phương pháp cắt Plasma cũng có chi phí khá cao.
2.2.4 Phương pháp cắt bằng áp lực lưỡi cắt
2.2.4.1 Máy căt dao thẳng song song
2.2.4.1.1 Công dụng và các thông số cơ bản
Hình 2-10 Sơ đồ cắt thép bằng dao thẳng song song
1 Bộ phận cố định phôi 2.Gá phôi trên 3.Bộ phận cố định phôi
4 Phôi cắt 5.Gá dao dưới 6 Dao dưới
Máy cắt dao thẳng song song dùng để cắt các loại phôi và sản phẩm có tiết diện vuông, chữ nhật, tròn ở trạng thái nóng từ C Máy thường đặt sau máy cán phôi, cán hình cỡ lớn có tiết diện sản phẩm là đơn giản Ngoài nhiệm vụ là cắt bỏ phần đầu và phần đuôi của vật cán, máy còn dùng để phân loại vật cán khi quá dài và cắt sản phẩm theo chiều dài quy định.
Máy có các lưỡi dao thẳng đặt song song cho nên có tên gọi như trên Khi làm việc mặt phẳng chuyển động của dao là luôn luôn không đổi Ngoài ra máy còn được sử dụng để cắt các chi tiết nhỏ có tiết diện đơn giản.
* Các thông số cơ bản của máy cho trên hình
H - Chiều cao vận hành dao.
J h - chiều dày của vật cắt b - chiều rộng của vật cắt Δ - Độ trùng của dao, = (10 20)mm l - Chiều dài lưỡi dao. cho những máy có p = (60 260) tấn l = (2 2, 5)b cho những máy có p = (100 1600) tấn
- Loại có dao di động trên.
- Loại có dao di động dưới. l = (3 4)b
Hiện nay các máy cắt đều được chế tạo theo tiêu chuẩn Khi thiết kế một chiếc máy mới ta phải tính lực cắt sao cho máy đảm bảo làm việc an toàn và không được xảy ra sự cố đáng tiếc.
Dù dùng loại máy cắt nào thì quá trình cắt cũng chia làm 3 thời kỳ dù rằng quá trình cắt chỉ xảy ra trong nháy mắt Ba thời kì đó là:
Hình 2-11 Thời kì cặp của dao thẳng song song Đây là thời kỳ mà lưỡi dao ăn vào kim loại, lúc này lực cắt của dao thay đổi dần ( P cap tăng từ P 0 → P max ) Để đặc trưng cho độ nhanh hay chậm của quá trình, người ta sử dụng thông số tỷ số chiều sâu cắt tương đối ε 1
Z 1 – là chiều sâu kim loại được cắt h – chiều dày vật cắt
* Thời kì cắt (Hình 2.12): Đây là thời kỳ mà lực cắt giảm dần xuống theo tiết diện của vật cắt.
P giảm dần từ P max → P min
Hình 2-12 Thời kì cắt của dao thẳng song song
Hình 2-13 Biểu đồ biểu diễn lực cắt theo thực nghiệm (A) và và theo đường lý thuyết (B) Đây là thời kỳ kim loại tự đứt Để đặc trưng cho độ nhanh chậm của thời kỳ đứt, người ta cũng đưa ra khái niệm về độ sâu đứt tương đối 2 và nó đặc trưng bởi công thức sau:
Z 2 - là chiều sâu kim loại kim loại ở cuối hành trình cắt để sang thời kì tự đứt. h – là chiều dày lúc đầu của vật cắt.
Qua thực tế và các thí nghiệm, người ta nhận thấy lực cắt cực đại P max là ở cuối thời kỳ cặp và đầu thời kỳ cắt và P max được tín theo công thức sau:
P max = max F = k 1 b F Trong đó: k = max = 0, 6 0, 7
F là diện tích tiết diện được cắt, F = F 1 = h 1.b b là chiều rộng vật cắt. h 1 là chiều dày còn lại: h 1 = h − Z 1 = h.(1 − 1 )
Thay các giá trị trên vào ta có:
(2.11) k 2 hệ số kể đến sự tăng lực khi dao bị cùn, k 2 = (1,1 1, 2) cho cắt nóng và k 2 = (1,15 1, 25) cho cắt nguội. k 3 là hệ số xét đến ảnh hưởng về khe hở của hai lưỡi dao, k 3 = (1,15 1, 25) cho cắt nóng và k 3 = (1, 2 1, 3) cho cắt nguội. b, h là chiều rộng và chiều dày vật cắt. σ b là giới hạn bền của vật liệu bị cắt.
2.2.4.2 Máy cắt kiểu chấn động
Hình 2-14 Máy cắt chấn động
Trang 22 xuống rất nhanh ( 2000 3000 lần/phút) với khoảng hành trình ngắn 4mm
Máy này có thể cắt các tấm có chiều rộng bất kỳ, có thể cắt các đường cong hoặc thẳng.
2.2.4.3 Máy cắt có lưỡi dao đĩa
Các cơ cấu khác
Ngoài ra để máy có thể tự động cắt phôi thì ta cần có một cơ cấu cắt, cơ cấu kẹp và cơ cấu cấp phôi.
Chuyển động cắt của dao có thể nhờ vào chuyển động của các cơ cấu sau:
- Chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu hình sin.
- Chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu tay quay con trượt.
- Chuyển động tịnh tiến nhờ hệ thống thủy lực.
2.3.1.1 Chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu hình sin
Nguyên lý: Cơ cấu này khi tay quay A quay tròn làm cho con trượt trong khi chuyển động tịnh tiến nhờ gắn lên cần B.
Hình 2-17 Cơ cấu hình sin
2.3.1.2 Chuyển động tịnh tiến nhờ cơ cấu tay quay con trượt
Nguyên lý: Cơ cấu này có tác dụng biến chuyển động quay của tay quay thành chuyển động tịnh tiến của con trượt.
Hình 2-18 Cơ cấu tay quay con trượt
1 Tay quay 2 Thanh truyền 3 Con trượt
2.3.1.3 Chuyển động tịnh tiến nhờ hệ thống thủy lực
Hình 2-19 Cơ cấu cắt bằng thủy lực Hiện nay, truyền lực dầu ép được sử dụng rộng rãi trong ngành cơ khí, đặc biệt là cho các loại máy cắt gọt kim loại như máy điều khiển chương trình, các loại máy gia công kim loại áp lực như máy đột, máy ép, máy cắt thép tấm.
Nguyên lý: Bể dầu sẽ cung cấp dầu qua các van điều khiển áp suất, lưu lượng rồi đến van phân phối Từ van phân phối dầu sẽ được đưa vào xi lanh tạo chuyển động lên xuống của piston từ đó hình thành lực cắt của dao.
Chuyển động Chuyển động tịnh Chuyển động tịnh tiến nhờ cơ tiến nhờ cơ cấu tay tịnh tiến nhờ hệ cấu hình sin quay con trượt thống thủy lực
Cơ cấu đơn giản - - + Ổn định, chính xác - + +
Lực cắt và công suất lớn - + +
Rút ngắn khâu sản xuất - - +
Bảng 2-2 Phân tích ưu nhược điểm của các phương án cắt Sau khi so sánh ưu nhược điểm cho từng phương án, nhóm quyết định chọn phương pháp cắt nhờ vào chuyển động tịnh tiến của hệ thống thủy lực.
Cơ cấu kẹp phôi có thể nhờ vào chuyển động của các cơ cấu sau:
- Kẹp phôi bằng trọng lực của một khối kim loại.
- Kẹp phôi bằng các lò xo chịu nén gắn lên lưỡi dao trên.
- Kẹp phôi bằng hệ thống thủy lực.
2.3.2.1 Kẹp phôi bằng trọng lực của một khối kim loại
Nguyên lý: Khi dao trên bắt đầu di chuyển xuống, khối lượng của vật kẹp cũng đi sẽ trượt lòng không nằm trong rãnh gắn vào khung dao, khi khối kim loại bắt đầu trượt thì tấm thép đã được kẹp cố định và lực kẹp là lớn nhất.
Hình 2-20 Kẹp phôi bằng trọng lực của một khối kim loại
1 Phôi cắt 2 Dao trên 3 Rãnh trượt
4 Khối kim loại kẹp 5 Dao dưới
2.3.2.2 Kẹp phôi bằng các lò xo chịu nén gắn lên lưỡi dao trên
Nguyên lý: Sử dụng lực đàn hồi của lò xo để lò xo chịu nén và làm lực kẹp phôi. Trong quá trình cắt, dao trên đi xuống mang theo lò xo gắn chặt trên khung gá dao. Dao trên tiếp tục đi xuống để tạo thành lực kẹp phôi.
Hình 2-21 Kẹp phôi bằng các lò xo chịu nén
1 Dao trên 2 Lò xo 3 Gá dao dưới 4 Phôi cắt
2.3.2.3 Kẹp phôi bằng hệ thống thủy lực
Nguyên lý: Dầu được đưa từ bơm qua van đảo chiều rồi theo đường ống qua bộ phận làm điều khiển lưu lượng vào buồng trên của xi lanh đẩy piston đi xuống kẹp chặt phôi trước khi cắt Khi cắt xong đảo chiều van làm cho dầu đi vào buồng dưới của xi lanh đẩy piston đi lên nhả phôi ra.
Hình 2-22 Kẹp phôi bằng hệ thống thủy lực
1 Phôi cắt 2 Gá dao trên 3 Xi lanh 4 Piston 5 Gá dao dưới
Kẹp phôi bằng Kẹp phôi bằng các Kẹp phôi trọng lực của một lò xo chịu nén gắn bằng hệ thống khối kim loại lên lưỡi dao trên thủy lực
Kết cấu và khối lượng
- + + máy Ổn định, cứng vững - + -
Lực kẹp dễ thay đổi - + +
Bảng 2-3 Phân tích ưu nhược điểm của các phương án kẹp phôi Sau khi so sánh ưu nhược điểm của từng phương pháp nhóm kết hợp hai phương pháp là kẹp tấm thép bằng trọng lượng của một khối kim loại với lò xo chịu nén Do kết cấu này có cơ cấu đơn giản, dễ gia công, chi phí rẻ và có thể khắc phục được nhược điểm của các cơ cấu trên.
2.3.3 Sơ đồ nguyên lý máy
Hình 2-23 Sơ đồ nguyên lý máy
1 Xi lanh 6 Van 1 chiều 11 Lọc dầu
2 Ống dẫn dầu 7 Động cơ 12 Dao cắt
Thiết kế tính toán động học máy
2.4.1 Thiết kế các bộ phận của máy
Hình 2-24 Khung máy Khung máy được làm bằng thép hộp 40mmx40mm Độ dày của thép hộp đa dạng từ
1 3 mm Chiều dài thường từ 6 12 m.
Trên thị trường có 2 loại sản phẩm thép vuông 40mmx40mm là thép mạ kẽm và thép hộp đen.
* Ưu điểm vượt trội của thép hộp:
- Tuổi thọ cao, khả năng chịu tải, độ bền và chịu lực cao.
- Khả năng bảo vệ chống ăn mòn và oxi hóa cực cao.
- Dễ tạo hình và di chuyển.
- Thích hợp cho hàn và cắt.
- Phần lớn có thể tái chế sau khi sử dụng.
Thép hộp được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như xây dựng, công nghiệp ô tô, xe máy.
Khung của máy cắt thép tấm có kích thước 700mm x 700mm x 1200mm (Hình 2.24).
Thép hình chữ U là một loại thép kết cấu có tiết diện mặt cắt hình chữ U, phần mặt phẳng dưới được gọi là thân, hai phần kéo dài được gọi là cánh ở trên và dưới.
- Do được cán nóng với các góc bên trong đạt độ chuẩn xác cao, vật liệu lý tưởng cho các kết cấu cơ khí, chế tạo, sản xuất và sửa chữa.
- Khả năng chống xoắn ở thân tốt.
Thanh thép chữ U kích thước 12x120mm, chiều dài 700mm được khoan 8 lỗ dùng để cố định hai xi lanh tạo nên chuyển động cắt (Hình 2.25).
2.4.1.3 Thanh thép tấm hai bên khung máy
Thép tấm là loại thép được sản xuất bởi các thành phần chính là sắt và cacbon để nhằm mục đích tăng độ cứng Thêm một số loại chất hoa học khác giúp cho thép tăng bền và khiến quá trình sản xuất diễn ra một cách dễ dàng hơn.
Phân loại theo quy trình sản xuất thép tấm được chia làm 2 loại chính: thép tấm cán nóng và thép tấm cán nguội.
Hình 2-26 Tấm thép cố định khung máy
- Bảo quản dễ dàng, có độ bền lớn, chịu được những tác động của môi trường.
- Có nhiều kích thước khác nhau, phù hợp với nhiều loại công trình.
- Khả năng chịu tải trọng lớn, ít bị công vênh khi sử dụng.
Hai thanh thép tấm kích thước 5x100x400mm được hàn vào khung máy có tác dụng tạo độ cứng vững tránh cho phần khung phía trên không bị công vênh do tác động của lực cắt lớn (Hình 2.26).
Hình 2-27 Rãnh trượt chữ U
Rãnh trượt có tác dụng dẫn hướng chuyển động cho khung dao di chuyển lên xuống tạo nên chuyển động cắt và giúp máy móc hoạt động ổn định với độ chính xác cao Đồng thời nó cũng giúp sự di chuyển lên xuống của khung dao trơn tru, ma sát ít và giảm được tiếng ồn.
Ray dẫn hướng có kích thước: 10x15x150mm.
2.4.1.5 Cụm cơ cấu chuyển động cắt
Hình 2-28 Cụm cơ cấu chuyển động cắt Trong đó:
1 Xi lanh thủy lực 3 Gá dao
Hình 2-29 Xi lanh thủy lực chất lỏng thủy lực thành động năng để tạo ra lực ở đầu cần piston từ đó thực hiện những công việc: nén, kéo, đẩy, cắt theo yêu cầu.
Xi lanh thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp chế tạo xe tải, xe cơ giới, máy nén khí hay ngành xử lý chất thải và chế biến gỗ.
- Áp suất thông thường tối đa: 140bar.
- Đường kính ngoài xi lanh: 50mm.
2.4.1.5.2 Khớp nối xi lanh với khung dao
Chi tiết này gồm 1 trục ren và 1 lỗ trục ở dưới Trục lỗ ren ở trên được nối vào đầu ty xi lanh còn lỗ trục dưới thì được lắp vào khung dao thông qua chốt.
Hình 2-30 Khớp nối xi lanh và chốt
Khung gá dao gồm 2 phần: Khung gá dao trên và khung gá dao dưới.
Mặt bích của khung dao được ghép với dao qua các vít Tại các vị trí lỗ lắp dao được gia công chính xác.
Hình 2-31 Khung gá da trên
Hình 2-32 Khung gá dao dưới
Vật liệu chế tạo dao: Phần gá dao dùng thép C45, còn lưỡi dao ta dùng thép hợp kim làm dao cắt.
* Đặc điểm và điều kiện làm việc:
Phần lưỡi dao có nhiệm vụ tách phoi khi cắt, sau làm nhiều lần cắt ta thấy dao làm việc trong điều kiện hết sức khắc nghiệt, nguyên nhân là:
- Do bề mặt dao tiếp xúc với chi tiết sinh ra ma sát và nhiệt độ cao.
- Dao cắt phải chịu tải trọng đột ngột.
Từ những yêu cầu trên, ta chọn vật liệu dao là thép cacbon dụng cụ CD70, sau khi đem tôi có thể đạt độ cứng 63 HRC.
- Chiều dài của dao: 510mm.
- Bề dày của dao: 10mm.
- Chiều cao của dao: 90mm.
2.4.1.6 Cụm cơ cấu kẹp phôi
Cụm cơ cấu kẹp phôi này gồm khối kim loại (1) trượt lòng trong khối kim loại
(2) và giữa hai chi tiết được giữ bởi phe gài trục (3), lò xo (3) được lòng bên ngoài khối trụ (1).
Khi dao cắt đi xuống thì cụm cơ cấu này cũng đi xuống làm cho lò xo chịu nén tạo lực kẹp phôi nhờ vào phần đế của chi tiết (1).
Hình 2-33 Cụm cơ cấu kẹp phôi
2.4.1.7 Cụm chi tiết cấp phôi
Hình 2-34 Cụm chi tiết cấp phôi Gồm một thanh đẩy phôi và trục vít me.
Thanh đẩy phôi được làm bằng thép chữ L, dày 3mm, chiều dài 700mm.
* Thông số trục vít me:
- Chất liệu: thép, độ cứng HR45.
2.4.2 Xác định các thông số máy
2.4.2.1 Tính toán sơ bộ chiều dài lưỡi dao và độ vận hành của dao trên
2.4.2.1.1 Tính sơ bộ chiều dài lưỡi dao
Theo kinh nghiệm chiều dài của lưỡi dao L:
Trong đó: b – chiều rộng lớn nhất của tấm thép đem cắt, , b max = 450 mm Do đó: L = 450 + 50 = 500(mm)
2.4.2.1.2 Xác định độ vận hành của dao nghiêng
Hình 2-35 Độ vận hành dao nghiêng Gọi y là chiều cao mở cực đại từ phía dưới của lưỡi dao trên tới mặt trên của tấm thép đem cắt có chiều dày h chọn y = 6. Δ là độ trùng dao để đảm bảo cắt hết chiều rộng tấm thép, Δ= (10÷20) mm.
→ Chọn Δ = 10mm h - chiều dài lớn nhất của tấm thép đem cắt. b – chiều rộng lớn nhất của tấm thép đem cắt, b max = 450mm L – chiều rộng dao,
2.4.2.2 Xác định vận tốc và thời gian cắt của đầu dao trên
Khi cắt thép tấm với chiều dày h = 2 mm là khá nhỏ, vì vậy vận tốc nằm trong khoảng từ 5 ÷ 100 mm/s, chọn v = 21 mm/s.
Thời gian đi xuống của đầu dao trên: t = H
→ Vậy thời gian cắt của dao trên là 2 (s).
Khi cắt thép tấm bằng dao nghiêng thì lực cắt không nằm trên toàn bộ diện tích của vật cắt như khi cắt phôi thép tấm bằng dao song song.
Hình 2-36 Sơ đồ biểu diễn quá trình cắt bằng dao nghiêng một phía và các thông số cơ bảnDiện tích kim loại bị cắt sẽ theo tiết diện tam giác ABC
Thực tế khi dao làm việc thì diện tích kim loại bị cắt sẽ là hình thang ABDE còn tam giác DEC là phần tự đứt, do đó ở phần đỉnh tam giác dọc theo cạnh DE trở về phía AB xuất hiện sự cắt kim loại.
Z là đại lượng đặc trưng cho chiều sâu rãnh cắt. ε 2 là tỉ số biểu thị độ sâu tương đối của vật cắt, nó phụ thuộc vào độ dẻo tương đối của kim loại và còn đặc trưng cho quá trình nhanh chậm của sự cắt của kim loại. δ là hệ số giãn dài tương đối khi thí nghiệm kéo đứt kim loại.
P = tb F τ tb là ứng suất tiếp trung bình theo diện tích hình thang ABED.
F là diện tích hình thang ABED.
Từ thực nghiệm tính được mối quan hệ giữa τ tb và τ max 2
Thay các giá trị của công thức 2.21, Ta có:
KẾ ĐIỆN
Lựa chọn thiết bị điều khiển
❖ Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống
* Tổng quan về sơ đồ khối của hệ thống gồm:
- Khối nguồn và bảo vệ 1 pha có chức năng cung cấp nguồn cho bộ điều khiển và các xi lanh và động cơ, khối bảo vệ có chức năng bảo vệ ngắn mạch cho hệ thống.
- Máy tính dùng để lập trình và nạp chương trình vào trong PLC, giúp người dùng có thể thiết kế và theo dõi quá trình hoạt động của từng đoạn code.
- Bảng điều khiển nằm trên mặt tủ điện bao gồm màn hình HMI và các nút nhấn có giúp cho người vận hành cài đặt thông số và giám sát thông số, điều khiển Manual bằng nút nhấn. hiệu điều khiển đến các khâu có liên quan để điều khiển động cơ, bơm, và các xi lanh để hoàn thành sản phẩm.
- Tủ điện điều khiển chứa các thiết bị điều khiển bên trong, các nút nhấn và màn HMI nằm bên ngoài.
- Van có nhiệm vụ nhận tín hiệu đóng ngắt tử Controller để đảo chiều cho xi lanh thông qua relay trung gian.
- Nguồn thủy lực có nhiệm vụ phân phối dầu cho van, xi lanh.
Trong khi thiết kế mạch điều khiển với những chức năng ta mong muốn, thì song song với đó chúng ta cũng cần quan tâm tới vấn đề an toàn của bản thân và các linh kiện trong quá trình sử dụng, vì vậy việc lựa chọn những linh kiện phù hợp là điều cực kỳ quan trọng.
Dựa theo yêu cầu ban đầu của máy, chúng em đã lựa chọn các thiết bị như sau:
Stt Vai trò Thiết bị lựa chọn
1 Điều khiển chính PLC Mitsubishi FX3U-14MT-6AD-2DA
2 Điều khiển phụ Driver TB6600
3 Điều khiển trung gian Relay Omron LY2N DC24
4 Bảo vệ Aptomat SINO VANLOCK 2P/C32
5 Giao diện người dùng Nút nhấn, Màn hình LCD
Bảng 3-1 Lựa chọn thiết bị
Máy biến áp Contactor Relay trung gian Aptomat
Bảng 3-2 Khả năng an toàn Như bảng trên ta thấy được phần nào khả năng đảm bảo an toàn cho hệ thống của mạch điều khiển, và tất nhiên việc đóng mạch điện khi có sự cố xảy ra cũng ở khoảng thời gian rất ngắn, giảm thiểu tối đa thiệt hại cho người dùng, từ đó tạo nên sự yên tâm trong khi sử dụng.
3.1.1 Lựa chọn hệ thống điều khiển
Hiện nay, việc điều khiển hệ thống bằng PLC thay cho việc sử dụng relay và contactor như trước đã được phổ biến rộng rãi và tiếp cận gần với người dùng hơn, bởi những ưu điểm sau đây:
- Đầu tiên là linh kiện ít, dẫn đến dây dẫn cũng ít hơn rất nhiều, và kích thước cũng sẽ nhỏ gọn hơn.
- Công suất tiêu thụ giảm nhiều so với hệ thông cũ.
- Dễ dàng thay đổi quy trình của hệ thống bằng cách nạp và sửa chương trình PLC thông qua phần mềm được lập trình trên máy tính hoặc máy lặp trình Đây cũng là ưu điểm đặc biệt nhất của hệ thống PLC.
- Vì có tích hợp các công nghệ vi xử lý và công nghệ bán dẫn nên tốc độ phản ứng và nhận tín hiệu của hệ thống PLC được tăng lên rất nhiều so với hệ thống cũ.
- Xét về độ bền hay độ tin cậy đều nằm ở mức cao.
- Linh kiện giảm, tiếp điểm giảm dẫn tới việc giá thành cũng được giảm theo, và quả trình bảo trì cũng được thực hiện dễ dàng hơn.
- Cuối cùng là việc lập trình cho hệ thống cũng khá là đơn giản và dễ tiếp cận với người dùng, có thể sử dụng rộng rãi.
3.1.1.2 PLC Mitshubishi FX3U-14MT 6AD-2DA
Trước tiên ta cần dựa theo yêu cầu cần thiết của hệ thống để tính toán và lựa chọn thiết bị phù hợp về mặt kỹ thuật và kinh tế.
- Độ ổn định ở mức cao.
- Dễ dàng lắp đặt và sử dụng, ngôn ngữ lập trình đơn giản.
- Số lượng ngõ ra ngõ vào phù hợp với hệ thống cần thiết kế.
- Không phải sử dụng thêm Modul I/O.
- Nhỏ gọn, phù hợp với những hệ thống vừa và nhỏ.
Ngõ vào/ra 8 vào / 6 ra
Ngõ ra Transistor: 24VDC/5A (Khuyến cáo sử dụng 1A)
Ngõ vào analog 6 ngõ vào analog, độ chính xác 12bit, A0-AD2: 0-
10V, A3-AD5: 0-20mA; Đọc cấu trúc lệnh RD3A.
Ngõ ra analog 2 ngõ ra analog, độ chính xác 12bit, ngõ ra vôn: 0-
10V, ngõ ra analog với cấu trúc lệnh WR3A
Phát xung 100KHz (khuyến cáo 40KHz)
107mmx120mmx43mm (Dài*Rộng*Cao)
Bộ đếm tốc độ cao Bộ đếm 6 kênh mặc định 8k (Đếm 1 chiều hoặc 2 chiều).
Giao tiếp HMI Có thế kết nối hầu hết các loại HMI RS232 (1
Cổng)/ RS485 (1 Cổng) Phần mềm lập trình GX Developer – GX-Work 2
Cổng lập trình DP9/RS232 tốc độ 38.4kbs
Khả năng bảo vệ Chống ăn mòn – chống ẩm – chống tĩnh điện
Bảng 3-3 Thông số kỹ thuật PLC
❖ Sơ đồ chân của bộ điều khiển:
Hình 3-3 Sơ đồ chân của bộ điều khiển
Stt Tên biến Chức năng
2 X1 Điều khiển 2 xi lanh lên ON (Manual)
3 X2 Điều khiển 2 xi lanh xuống ON (Manual)
5 X4 Điều khiển 2 xi lanh lên OFF (Manual)
6 X5 Điều khiển 2 xi lanh xuống OFF (Manual)
Bảng 3-4 Bảng chức năng chân Input
Stt Tên biến Chức năng
2 Y1 Chân đảo chiều quay động cơ
3 Y2 Kích 2 xi lanh đi lên
4 Y3 Kích 2 xi lanh đi xuống
Bảng 3-5 Bảng chức năng chân Output
3.1.2 Lựa chọn các phần còn lại của hệ thống
Dựa theo những yêu cầu đặt ra, ta chọn OUKEDA Motor OK57STH56 – 3004AD8 để sử dụng trong hệ thống.
Hình 3-4 OUKEDA Motor OK57STH56 – 3004AD8 Động cơ bước lai lưỡng cực loại OUKEDA Motor OK57STH56 – 3004AD8 momen xoắn cao có góc bước là 1.8° (200 bước/vòng) Mỗi pha tiêu thụ 3A, với momen xoắn 1,2 Nm. Động cơ có bốn dây được đánh mã màu đen, xanh lá cây, đỏ và xanh lam để kết nối các cuộn dây với các cực của bộ điều khiển.
- Hoạt động trơn tru ổn định.
- Hiệu suất tăng tốc tốt.
Kiểu động cơ Động cơ bước lưỡng cực
Kiểu máy OK57STH56 – 3004AD8
Kích thước 56x56x55mm Điện áp định mức 12 - 24VDC
Dòng điện định mức 3A/Pha
Momen xoắn giữ 120Nm hoặc 1,2Ncm
Góc bước 1,8 độ Điện trở/Pha 0,8 Ohm Độ tự cảm 4,7 mH
Bảng 3-6 Thông số kỹ thuật động cơ
Dựa vào thông sô kỹ thuật của động cơ đã chọn, ta chọn được Driver phù hợp đó là Driver Motor A Pasos 4A Cnc Nema Tb6600.
Hình 3-5 Driver Motor A Pasos 4A Cnc Nema Tb6600
- Tương thíc với động cơ Nema23.
- Mạch cầu H lưỡng cực truyền dòng điện ổn định.
- Tích hợp bảo vệ nhiệt độ và bảo vệ quá dòng.
- Tối ưu hóa tiếng ồn động cơ.
- Kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm không gian.
Nhiệt độ hoạt động -10 – 45ºC
Nhiệt độ bảo quản -40 – 70ºC
Bảng 3-7 Biểu diễn thông số kỹ thuật của Driver TB6600
- DC+ : Cấp nguồn một chiều, điện áp nguồn từ 12 – 48V, dòng điện tối đa 5A.
- DC- : Cấp nguồn DC âm.
- A+ A – B+ B – : Để đấu nối vào 2 cặp cuộn dây của động cơ.
- PUL + : Cấp tín hiệu xung với tần số cố định (+5V) cho TB6600.
- PUL – : Cấp tín hiệu xung với tần số cố định (-) cho TB6600.
- DIR + : Cấp tín hiệu xung đảo chiều (+5V) cho TB6600.
- DIR – : Cấp tín hiệu xung đảo chiều (-) cho TB6600.
- ENA+ và ENA- : khi ta cấp tín hiệu cho cặp chân này thì động cơ sẽ không còn lực momen giữ và lực momen quay nữa.
- Có thể đấu tín hiệu dương (+) hoặc tín hiệu âm (-) chung.
Cài đặt cường độ dòng điện
Bảng 3-8 Cài đặt cường độ dòng điện
Cài đặt vi bước cho Driver
Micro Pulse/Re SW1 SW2 SW3
Bảng 3-9 Cách cài đặt bước cho Driver
Dựa vào nguồn cấp và nhu cầu sử dụng, ta chọn được Relay trung gian để sử dụng cho hệ thống là Relay Công suất LY2N 24DC.
Hình 3-6 Relay Công suất LY2N 24DC
- Có trang bị rào cản hồ quang để làm gián đoạn hồ quang.
- Chịu được điện áp lên đến 2000V.
- Làm việc được ở môi trường khắc nghiệt.
Contactor là công tắc được điều khiển bằng tín hiệu điện, sử dụng để chuyển mạch điện, gần giống như relay nhưng nó có dòng điện định mức cao hơn Vì vậy có thể gọi Contactor là bộ phận trung gian để đóng ngắt nguồn điện cho tải (động cơ, bơm hoặc cấp nguồn…) bằng chế độ Manual (qua hệ thống nút bấm) hoặc chế độ Auto. Để chọn Contactor, ta cần chọn theo điện áp diều khiển và dòng điện phù hợp Vì mạng lưới điện Việt Nam thông thường sử dụng điện áp 220V nên ta chọn U"0V.
Cos : Hệ số công suất 0.75
Từ công thức trên ta sẽ tính được:
Tính theo đơn vị (kW) sẽ được:
Từ đó suy ra dòng điện của Contactor:
→ Vậy ta sẽ chọn Contactor có dòng tải lớn hơn tính toán → Chọn Contactor HDC3
Dòng điện định mức 32A Điện áp định mức 220/230VAC 50/60Hz
Tiếp điểm phụ 1NO+1NC Điện áp cách điện định mức 690V
Nhiệt độ môi trường -5 - 40ºC Độ cao hoạt động 2000m
Bảng 3-10 Thông số kỹ thuật Contactor
Hình 3-7 Contactor HDC3 3P 32A 18.5KW 3.1.2.5 Lựa chọn MCCB (Aptomat)
Aptomat là linh kiện đóng vai trò quan trọng trong một hệ thống điện, chức năng chính của Aptomat là bảo vệ mạch điện, ngăn chặn các trường hợp quá tải, sụt áp, ngắn mạch, truyền công suất ngược, chống rò, chống giật, bảo vệ theo từ nhiệt.
3.1.2.6 Màn hình HMI và nút nhấn
Hình 3-9 Màn hình OP320-A Những phần quan trọng của hệ thống chúng ta đã lựa chọn xong, còn lại màn hình và nút nhấn được gắn trên tủ điện để theo dỗi và điều khiển Manual cũng không cần quá cầu kì.
Ta chọn sử dụng màn hình HMI hiển thị văn bản OP320-A 3.7inch hổ trợ cổng giao tiếp S485/RS232 dành cho PLC.
- OP320-A có giao diện người dung nhỏ, chủ yếu được sử dụng với nhiều loại PLC (hoặc bộ điều khiển thông minh có cổng giao tiếp).
- Giám sát và sửa đổi các giá trị và trạng thái của các thanh ghi bên trong hoặc rơle của PLC dưới dạng văn bản hoặc đèn báo để người vận hành có thể tự do điều khiển thiết bị.
- Tạo ảnh trên máy tính bằng phần mềm chỉnh sửa TP200CN, tự do nhập các ký tự và đặt địa chỉ PLC, sử dụng giao tiếp nối tiếp để tải xuống màn hình.
- Giao thức truyền thông và dữ liệu hiển thị được tải xuống màn hình mà không cần
PLC ghi chương trình truyền thông.
Kích thước màn hình 3.7inch Độ phân giải 192x64 pixel
Nhiệt độ vận hành 0 – 50ºC
Nhiệt độ bảo quản 20 – 70ºC
Cấu hình bảo mật IP65F
Bảng 3-11 Thông số kỹ thuật màn hình
3.1.2.7 Cáp kết nối board FX3U và màn hình HMI
Dây cáp này kết nối cổng COM của board FX3U với màn hình HMI qua chuẩn kết nối RS232.
Thiết kế giao diện
Giao diện người dùng cơ bản dành cho máy cắt thép tấm có những phần sau đây:
* Hiển thị trên màn hìn HMI: - Số lượng sản phẩm cắt được.
- Tốc độ của động cơ.
- Kích thước sản phẩm cần cắt.
- Clear số lượng đã cắt được.
* Tạo khối cho màn hình:
Khởi động chương trình OP20 Edit Tool
Hình 3-18 Màn hình khởi dộng của OP20 Edit ToolSau đó vào File/New Project chọn mã màn hình HMI và dòng PLC cần kết nối
Hình 3-19 Lựa chọn mã màn hình HMI và dòng PLC Sau khi hoàn tất việc chọn mã màn hình HMI và dòng PLC cần kết nối thì hộp thoại thiết kế sẽ xuất hiện.
Hình 3-20 Hộp thoại thiết kế của OP20 Edit Tool
Từ các biểu tượng chức năng bên phải hộp thoại ta có thể thiết kế những yêu cầu cơ bản của máy về số lượng, kích thước và tốc độ.
Hình 3-21 Tạo khối Text cơ bản
KẾT QỦA VÀ THỰC NGHIỆM
Kiểm nghiệm thiết kế
Bước đầu khảo sát, nhóm đã nghiên cứu thị trường và nhu cầu của khách hàng. Được xí nghiệp gia công cơ khí Metech tạo điều kiện để thực tập và tham quan xưởng để có nhiều dữ liệu và trang thiết bị phục vụ công việc đồ án và sự chỉ dạy nhiệt tâm từ giáo viên hướng dẫn Từ đó em đã chắt lọc nhiều dữ kiện quan trọng mà khách hàng yêu cầu khi lưạ chọn sản phẩm.
* Các yêu cầu và độ quan trọng:
- Độ chính xác khi cắt → Giảm tỷ lệ phế phẩm.
- Máy hoạt động ổn định → Hạn chế sửa chữa và bảo trì.
- Thời gian hoạt động liên tục → Tăng năng suất sản phẩm.
- Giá thành thấp → Tiết kiệm chi phí.
- Khả năng bảo vệ và an toàn cao → Giảm thiểu tai nạn lao động.
- Kích thước nhỏ gọn → Tiết kiệm không gian hoạt động tạo sự thoải mái khi vận hành.
Hình 4-1 Góc chính diện của máy
Hình 4-2 Góc sau của máyQua quá trình mày mò thiết kế và chế tạo “ Máy cắt thép tấm tự động” bước đầu đi vào kiểm tra, đánh giá và điều chỉnh thông số để có thể đưa vào thực tế hoạt động.
Thực nghiệm
Sau tất cả những gì đã làm, chúng ta đi đến việc vận hành thực tế để kiểm tra xem độ chính xác và tin cậy của máy Trước tiên là kiểm tra tĩnh, ước tính các thông số khi máy chưa hoạt động như trọng lượng, kích thước, độ cứng Sau đó là kiểm tra động, ở đây có nghĩa là vận hành máy khi máy không tải và khi máy có tải, ước tính và kiểm tra công suất của máy trong lúc làm việc.
Từ kết quả kiểm tra ở trên sẽ cho ta một cái nhìn tổng quan về máy: cơ khí,điện tử, và bộ điều khiển có hoạt động ổn định hay không, và đặc biệt là máy có vận hành tốt như ta mong đợi hay không.
Kích thước bàn cắt phôi 70x70 (cm)
Hành trình tối đa của thanh đẩy phôi 40 (cm)
Bảng 4-1 Số liệu kiểm tra tĩnh Khi chưa có điện, động cơ bước hoạt động trơn tru, ta có thể quay tự do khi không có tín hiệu điện Khung sườn thép đỡ toàn bộ những cơ chế trên cũng chắc chắn và không có dấu hiệu rung lắc nhiều.
Tất cả các cơ chế khi máy ở thực tế cũng giống các cơ chế đã được thiết kế.
Dựa trên những thiết kế ban đầu, chúng tạo ra hệ thống điện từ bộ điều khiểnPLC, driver, ro-le, sensor, valve, step motor, màn hình, bàn phím đầy đủ các linh kiện như trong thiết kế.
Hình 4-3 Linh kiện hệ thống được lắp đặt trong tủ điện
Hình 4-4 Các mặt của tủ điện Tuy bộ nguồn và trình điều khiển động cơ khi hoạt động tạo ra nhiệt nhưng vì tủ điện khá rộng nên ta đặt chúng ở bên trong Dây điện cũng được để gọn bên trong để trông gọn gàng và thẩm mỹ hơn.
Nút Emergency Stop, Start, Up, Down được đặt trực tiếp trên tủ điện, ta có thể đặt tủ điện ở vị trí phù hợp để vừa thao tác trên tủ điện vừa quan sát hoạt động của máy.
* Kiểm tra máy trước khi cắt:
- Kiểm tra các bề mặt làm việc của máy, dao cắt, hệ thống thủy lực.
- Kiểm tra nút điều khiển, hệ thống cơ khí đã ở trạng thái ban đầu chưa.
- Bật công tắc mở máy lên, bật công tắc khởi động cho máy chạy, kiểm tra hệ thống điện.
Trước khi muốn tiến hành tổng kiểm tra khả năng vận hành của máy ở trạng thái không phôi và có phôi, ta cần kiểm tra từng khối có hoạt động ổn định và chính xác khi chúng ta vận hành máy hay không.
Cơ cấu đẩy phôi là bộ phận quyết định độ chính xác của phôi, bao gồm một động cơ bước, một trục vitme và một thanh ngang.
Hình 4-5 Cấu tạo khối đẩy phôi Bằng cách cho chạy thực tế (Auto) 5 lần không tải, mỗi lần chạy 10 đoạn 2cm, tổng chiều dài đi được là 20cm, và sử dụng công thức tính sai số: td = | A n − A |
Trong đó: td : là sai số tương đối.
A n : là kết quả của lần chạy thứ n.
A : là giá trị dự kiến
Sau khi chạy thực nghiệm và tính toán ta có được bảng số liệu sau:
Lần thử Kích thước mong muốn Kích thước thật Sai số nghiệm (cm) (cm) (%)
Bảng 4-2 Số liệu ghi lại vận hành của động cơ bước
Là khối quan trọng nhất, điều khiển hoạt động của máy dựa trên tín hiệu điện, bao gồm 3 relay dùng để chuyển mạch, 3 contactor điều khiển van và bơm, 1 Boar lập trình PLC, 1 driver Để biết được khối điều khiển có hoạt động tốt hay không, trước tiên ta kiểm tra thử tín hiệu từng linh kiện khi cấp điện và cấp tín hiệu vào thì có hoạt động bình thường hay không (đây là bước kiểm tra khả năng nhận tín hiệu).
Khối cắt phôi là khối quyết định độ đẹp của phôi (vết cắt) khi thanh phẩm, bao gồm hệ thống bơm thủy lực, 2 xi lanh thủy lực và dao.
Hình 4-6 Hệ thống bơm thủy lực và đường đi dây thủy lực
Hình 4-7 Dao và 2 xi lanh
❖ Chú ý trong khi cắt thép tấm:
- Luôn giữ khoảng trống phía sau máy, kiểm tra xung quanh máy trước khi khởi động.
- Phôi phải gá đúng và chắc chắn, không được để phôi bừa bãi.
- Không được cho tay vào giữa dao cắt trong khi máy đang làm việc Đồng thời không được dùng tay lấy chi tiết khi đang cắt.
Sau khi kiểm tra từng khối, chúng tối tiếp tục cho máy chạy ở chế độ Manual có phôi, và chế độ Auto có phôi Cùng một lúc kiểm tra độ thống nhất giữa các khối với nhau Từ đó thấy được độ bền và độ tin cậy của máy.
4.2.2.2 Chạy chế độ Manual khi có phôi
Hình 4-8 Thao tác đẩy phôi bằng tay
Ta cho máy vận hành để cắt tấm nhôm kích thước 1,5x30x50 mm, chế độ Manual, điều khiển xi lanh lên xuống cắt 5 lần, kích thước cắt mỗi lần là 2cm.
Loại Thời Kích Kích Sai số
Lần thử thước thước kích phôi gian nghiệm yêu cầu thật thước cắt cắt (s)
Bảng 4-3 Kết quả thực nghiệm máy chạy ManualDựa vào kết quả thực nghiệm ta thấy được khi thực hiện cắt bằng chế độ Manual thì sai số giữa các sản phẩm lớn, hầu như khó đặt được kích thước yêu cầu Ngoài ra việc thực hiện thao tác cắt cũng mất một khoảng thời gian rất dài do phải căng chỉnh vị trí phôi.
Hình 4-9 Kết quả phôi khi chạy Manual
Hình 4-10 Vết cắt tại mép phôi Qua nhiều lần cắt thử ta nhận thấy được những vết cắt khá đều và đẹp Nhưng do vẫn còn thiếu sót về mặt cơ khí, cụ thể là gia công lưỡi dao chưa chuẩn, rảnh trượt chữ U còn có khe hở, nên khi dao cắt xuống không thể giữ yên vị trí vuông góc 90 được, dẫn tới việc sản phẩm tạo ra vẫn còn ít ba via.
Hình 4-11 Biểu diễn thao tác đặt phôi lên bàn cắt
Hình 4-12 Mép phôi trước khi cắt Ở bước chạy thực nghiệm chế độ Auto này, chúng ta bố trí và cài đặt máy vận hành và cắt ở 2 kích thước phôi khác nhau là 2cm và 4cm, ở mỗi kích thước ta cắt 5 lần, sau đó kiểm tra sai số giữa các sản phẩm có cùng kích thước.
Trước khi chạy, ta cần dọn dẹp sạch sẽ trên máy và xung quanh máy, đảm bảo rằng máy có thể hoạt động bình thường và không bị cản trở. Đặt phôi cố định lên bàn cắt sao cho mép phôi chạm vào mép thanh đẩy của bộ phận đẩy phôi.
