GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Theo xu thế tự động hoá của xã hội hiện nay, cơ cấu cấp phôi hoặc rộng hơn nữa là hệ thống cấp phôi, là một trong những yêu cầu cần thiết để đảm bảo được quá trình sản xuất ổn định, chính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp đúng lúc và liên tục theo chu trình hoạt động của máy một cách đáng tin cậy Cơ cấu cấp phôi phải được ngihên cứu và giải quyết trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm mục đích nâng cao năng suất lao động, sử dụng và khai thác các máy móc, thiết bị một cách có hiệu quả nhất, nâng cao chất lượng sản phẩm
Cấp phôi là quá trình chuyển phôi từ cuộn phôi tới vị trí gia công, hệ thống cấp phôi tự động giúp thay thế sức người bằng máy móc để thực hiện nhanh chóng những công việc nặng nhọc, giúp các nhà máy, xí nghiệp trở nên hiêu quả hơn trong việc sử dụng năng lượng, nguyên liệu và nguồn nhân lực
Cơ cấu cấp phôi tự động mà nhóm thực hiện hoàn toàn có thể được lập trình để thực hiện các thao mới mà doanh nghiệp yêu cầu, không cần đào tạo hay hướng dẫn như người lao động, giúp quá trình sản xuất trở nên linh hoạt hơn rất nhiều, có thể giảm thiếu khả năng sảy ra các sai sót mà con người có thể gặp phải, chất lượng sản phẩm đồng đều hơn
Ngoài ra, do cạnh tranh trong nền kinh tế thị trường bắt buộc các nhà sản xuất phải cải tiến công nghệ, áp dụng tự động hoá cho các quá tình sản xuất để nâng cao năng suất và giảm chi phí sản xuất để giá thành thấp hơn Chính vì tất cả những lý do trên, cơ cấu/hệ thống cấp phôi là vô cùng cần thiết và phải được nghiên cứu, giải quyết trong các hệ thống sản xuất tự động
Trong thực tế hiện nay của các ngành sản xuất nói chung, người ta đang sử dụng khá rộng rãi các cơ cấu cấp phôi bằng cơ khí, hoặc phối hợp cơ khí – điện, cơ khí – khí nén Với sự phát triển mạnh của lĩnh vực điều khiển tự động và AI đã cho phép đưa vào các tay máy, người máy làm việc theo chương trình và dễ dàng thay đổi được chương trình một cách linh hoạt thích ứng với các kiểu phôi liệu khác nhau khi cần thay đổi các sản phẩm Đây là một trong những tính chất rất quan trọng mà nhờ nó có thể áp dụng công nghệ tiên tiến vào trong quá trình sản xuất dạng loạt nhỏ và loạt vừa mà vẫn có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao
Thực tế hiện nay tại Cty TNHH Sản xuất Cơ khí Tường Vy – đơn vị tài trợ và đồng hành cùng nhóm, việc gá đặt phôi đến vị trí gia công do con người thực hiện, họ yêu cầu cần một cơ cấu cấp phôi cho máy dập, cấp phôi liên tục và chính xác thay thế cho con người, giải phóng con người khỏi công việc nhàm chán cụ thể là gá phôi vào máy dập, tránh sai sót ảnh hưởng đến sức khoẻ, thậm chí là tính mạng của công nhân
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và cải tiến ra một cơ cấu, một hệ thống cấp phôi tự động là việc làm rất cần thiết trong thời đại công nghiệp hoá hiện đại hoá hiện nay Chế tạo được cơ cấu cấp phôi mang lại rất nhiều lợi ích, đặc biệt là đối với các doanh nghiệp sản xuất Thứ nhất, về mặt giá trị học thuật, hoàn thiện đề tài góp phần nâng cao năng lực người thiết kế, để giải được bài toán của đề tài cần tổng hợp kiến thức tất cả các môn như cơ kỹ thuật, sức bền vật liệu, nguyên lý chi tiết máy, dung sai kỹ thuật đo,… Thứ hai, về mặt giá trị kinh tế, giá thành của một cơ cấu cấp phôi được chế tạo trong nước vẫn rẻ hơn so với thiết bị nhập từ nước ngoài, nhưng vẫn đủ để đáp ứng được nhu cầu sản xuất Thứ hai, về mặt giá trị kỹ thuật, điều đó khẳng định được trình độ kỹ thuật và công nghệ của nước ta đang trên đà phát triển, và có thể càng phát triển hơn nữa Cụ thể hơn, hệ thống cấp phôi tự động có những ưu điểm nổi bậc như sau:
Nâng cao năng suất do giảm thời gian phụ (là thời gian gá đặt phôi và tháo sản phẩm sau khi gia công) Đảm bảo được năng suất gia công theo tính toán vì nó đảm bảo được chu kỳ cấp phôi chính xác, không bị ảnh hưởng đến các yếu tố về khách quan như tình trạng tâm sinh lý và trạng thái sức khoẻ của con người Đảm bảo độ chính xác gá đặt cao vì trước khi phôi đến vị trí để cấp cho máy công tác thì nó đã được định hướng chính xác trong không gian và đúng toạ độ theo yêu cầu, đồng thời tốc độ di chuyển của phôi đã được điều chỉnh để phù hợp với cơ cấu gá đặt
Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân: Giải phóng cho con người trong các công việc lao động phổi thông nhàm chán (như lặp đi lặp lại một động tác có tính đơn giản); Trong các công việc nặng nhọc (như di chuyển và gá đặt các phôi có kích thước lớn, khối lượng lớn); Các công việc gây sự mõi mệt cho công nhân như phải tập trung chú ý để tìm, chọn, phân loại và định hướng phôi Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các máy móc, thiết bị như: Có thể giảm thiểu sai số và khuyết tật sản phẩm để đảm bảo sự làm việc ổn định cho thiết bị; Tránh tình trạng máy bị quá tải do lượng dư quá lớn hoặc không đồng đều; Tránh được sự rung động và các tải trọng động có biên độ lớn trong quá trình gia công do các khuyết tật trên phôi
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
“Thiết kế, chế tạo cơ cấu cấp phôi cho máy dập Bcover02” mang mục tiêu chính là nhóm phải tổng hợp các kiến thức đã học được để giải quyết đề tài, tính toán thiết kế và chế tạo ra được cơ cấu, vì vậy cần ôn lại kiến thức các môn sau: Cơ kỹ thuật, Sức bền vật liệu, Mô hình hoá hệ thống cơ khí, Thiết kế mô phỏng hệ thống máy, Nguyên lý – chi tiết máy, Dung sai kỹ thuật đo,…
Ngoài ra, cơ cấu cấp phôi phải đạt được các yêu cầu từ phía Công ty TNHH Sản xuất Cơ khí Tường Vy:
- Nâng cao năng suất: 1.5giây/1 sản phẩm, giảm tổn thất về thời gian cấp phôi
- Dịch chuyển cấp phôi từ 20 đến 120mm, đảm bảo độ chính xác khi gá đặt sản phẩm, giảm tỉ lệ phế phẩm đến mức thấp nhất có thể
- Chuyển máy dập Bcover02 từ bán tự động trở thành tự động
- Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân: giải phóng con người trong các công việc nhàm chán, nặng nhọc và ô nhiễm tiếng ồn
- Đảm bảo an toàn cho người sử dụng và các máy móc thiết bị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Các đặc trưng cơ bản của một hệ thống cấp phôi tự động
Nghiên cứu các thiết bị cơ bản của hệ thống tự động bao gồm: cơ cấu chấp hành, các thiết bị điều khiển…
Nghiên cứu, tính toán, chế tạo cơ cấu cấp phôi tự động cho máy dập Bcover02, dạng phôi cần được cấp cho máy gia công là dạng phôi cuộn tấm mỏng, kế tiếp là thử nghiệm độ ổn định của máy, sau đó đưa vào sản xuất ở doanh nghiệp.
Phương pháp nghiên cứu
Tham khảo các nguồn tài liệu: giáo trình, tài liệu tham khảo,… xác định được các cơ cấu hoạt động, gia công cho cơ cấu
Tham khảo các công trình nghiên cứu về cơ cấu cấp phôi tự động đã có để nắm được tình hình, thực trạng hiện nay
Tham khảo tài liệu có liên quan đến việc tính toán, thiết kế cơ cấu cấp phôi tự động Nghiên cứu các nguyên lý áp dụng vào việc phan tích, tính toán khi thiết kế và điều khiển hệ thống
1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thế
Nghiên cứu tổng quan về lĩnh vực cấp phôi tự động và các thành phần của hệ thống cấp phôi tự động
Nghiên cứu, tính toán lực đẩy và các bộ phận cần thiết cho cơ cấu cấp phôi
Thiết kế cơ cấu cấp phôi từ cơ khí đến điều khiển, mô phỏng hoạt động của cơ cấu trên phần mềm chuyên dụng
Gia công chế tạo từng chi tiết của cơ cấu cấp phôi, chọn mua linh kiện phù hợp cho từng bộ phận và phù hợp với điều kiện thực tế tại nhà máy
Lắp ráp từng bộ phận, lắp ráp toàn bộ cơ cấu và chạy thử nghiệm Đánh giá sự ổn định của cơ cấu, khắc phục sai sót và hoàn thiện cơ cấu.
Kết cấu của ĐATN
ĐATN “Thiết kế, chế tạo cơ cấu cấp phôi cho máy dập Bcover02” bao gồm 5 chương: Chương 1: Giới thiệu
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về cơ cấu cấp phôi
Chương 5: Tính toán, thiết kế phần cơ khí
Chương 6: Thiết kế phần điều khiển
Chương 7: Chế tạo sản phẩm, thực nghiệm – đánh giá
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
Giới thiệu
2.1.1 Giới thiệu về cơ cấu cấp phôi tự động
Trong thời kỳ công nghệ đang từng bước hiện đại ngày nay, nhu cầu tự động hoá quy trình sản xuất là một điều tất yếu, và cơ cấu cấp phôi hay hệ thống cấp phôi đã không còn xa lạ gì đối với các nhà máy, xí nghiệp hiện nay
Cấp phôi chính là quá trình vận chuyển phôi từ ổ chứa, hay từ một vị trí bất kỳ nào khác đến vị trí gia công, cơ cấu cấp phôi là một phần vô cùng quan trọng trong cả hệ thống cấp phôi tự động, nó phải được đặt trong từng điều kiện làm việc cụ thể của từng máy móc, thiết bị và công đoạn sản xuất, vì vậy cho nên cơ cấu cấp phôi quyết định đến năng xuất và chất lượng của toàn bộ hệ thống Một cơ cấu cấp phôi tự động phải đảm bảo được việc cung cấp đủ về số lượng phôi cho máy công tác để hệ thống hoạt động một cách liên tục, cấp phôi đúng thời điểm với độ chính xác cao về vị trí và định hướng trong không gian có độ tin cậy cao
2.1.2 Phân loại các cơ cấu cấp phôi tự động
Sản phẩm gia công cơ khí rất đa dạng về kích cỡ, hình dạng, đặc tính vật liệu và một số tính chất khác Các phôi liệu về cơ bản cũng có hình dạng và kích thước gần giống với chi tiết, vì vậy nó cũng rất đa dạng Trong lĩnh vực gia công cơ khí thì các phôi liệu thường được chế tạo bằng cách đúc, rèn, dập, cán, hàn, cắt bằng khí đốt… Do vậy trước hết phải căn cứ vào dạng phôi để phân loại các kiểu cơ cấu cấp phôi tự động Theo đó, có thể phân thành 3 kiểu cấp phôi cơ bản: Cấp phôi dạng cuộn; Cấp phôi dạng thanh hoặc tấm; Cấp phôi dạng rời từng chiếc Mỗi kiểu cấp phôi mang tính đặc thù riêng và bản thân trong mỗi kiểu cũng đã bao hàm rất nhiều dạng khác nhau Tuỳ theo công nghệ sản xuất mà người ta có thể bố trí các cơ cấu, các hệ thống cấp phôi liên tục, cấp phôi gián đoạn theo chu kỳ, hoặc cấp phôi theo lệnh
Hình 2.1: Dạng phôi cuộn tấm mỏng
Hình 2.1: Dạng phôi cuộn tấm mỏng Đầu tiên, cấp phôi dạng cuộn thường được sử dụng trông công nghệ gia công bằng biến dạng dẽo như dập, cắt, đột lỗ, cuốn ống,… Các cuộn phôi thường được gá lên trên các trục được đặt trên các con lăn hay gối đỡ và có thể tự quay hoặc quay dưới tác dụng của lực kéo từ hệ thống công tác như hệ thống trục cán hoặc của cơ cấu kéo phôi được trang bị bên các máy cắt, máy dập… để thảo dần từng lớp một của cuộn phôi
Kế tiếp, đối với các loại phôi thanh có tiết diện ngang là hình tròn và được cán với độ chính xác khá cao như về dung sai của đường kính, độ chính xác về hình dáng hình học, về độ thẳng được dùng để cấp phôi cho các máy tiện tự động hoặc bán tự động Các ổ chứa phôi thường được bố trí ở phía sau đuôi của trục chính của máy và đường tâm của phôi sẽ phải trùng với đường tâm của trục chính Các phôi thanh thường được sếp dàn nằm vào phía trên cơ cấu định vị phôi và cung cấp lần lượt từng thanh một vào cơ cấu này khi có tín hiệu thông báo đã hết phôi trên cơ cấu định vị Khi máy làm việc thì trục chính mang luôn cả ổ phôi quay nên ổ chứa phôi phải có kết cấu thích hợp để thanh phôi có thể quay nhẹ nhàng và không dễ xảy ra tình trạng rung, lắc và dặc biệt là không được vung phôi gây nguy hiểm
Hình 2.3: Cấp phôi tự động cho máy tiện – Star SV-32 – NTK
Cuối cùng, dạng phôi rời là phổ biến nhất, cũng là dạng phôi được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống sản xuất tự động Hiện nay, các cơ cấu, hệ thống cấp phôi cho loại phôi này thường là phễu cấp phôi Để xác định vị trí cần định hướng của loại phôi này, trên cơ sở hình dáng của phôi, người ta có thể phân loại chúng thành 3 loại: Phôi có bề mặt dạng tròn xoay trong và ngoài; Phôi có các dạng bề mặt là mặt phẳng; Phôi có hình dạng phức tạp, là tập hợp của các bề mặt tròn xoay trong, ngoài, mặt phẳng và các bề mặt định hình Việc nghiên cứu quá trình cấp phôi là quan tâm đến việc định hướng chúng như thế nào và bằng cách gì để sau khi các phôi di chuyển đến khu vực của cơ cấu nắm bắt phôi thì vị trí của nó trong không gian là đã được tự động sắp xếp một cách chính xác, không có sự nhầm lẫn hoặc sai sót nào xảy ra
Hình 2.5: Phễu rung cấp phôi tự động
Tóm lại, hiện nay có rất nhiều dạng cơ cấu, hệ thống cấp phôi tự động Dẫu vậy, đề tài
“Thiết kế, chế tạo cơ cấu cấp phôi cho máy dập Bcover02” có đối phượng cụ thể chính là thiết kế cơ cấu đối với dạng phôi cuộn tấm mỏng, và máy gia công cụ thể là máy dập Bcover02.
Ưu điểm chung của các cơ cấu cấp phôi tự động
Sử dụng cơ cấu cấp phôi tự động sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao vượt bậc trong sản xuất bởi các khó khăn như tổn thất về thời gian, thiếu chính xác trong gia công, lượng dư phôi quá lớn, tỉ lệ khuyết tật của sản phẩm không được đảm bảo… sẽ được khắc phục Người sản xuất cũng khhông cần mất thời gian cho công tác gá đặt phôi và tháo công cụ, thao sản phẩm sau khi hoàn thành gia công Năng suất gia công ổn định và được tính toán rõ ràng từ trước bởi chu kỳ cấp phôi của hệ thống luôn được đảm bảo, hoàn toàn không gặp phải các chướng ngại của ngoại cảnh như tình trạng tâm sinh lý, sức khoẻ hay thái độ và cường độ lao động của công nhân
Việc trang bị cơ cấu cấp phôi, rộng hơn nữa là hệ thống cấp phôi tự động sẽ giúp tăng năng suất lao động và ổn định được nhịp độ sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp Những công việc nhàm chán lặp đi lặp lại giờ đây đã thay thế bằng các phương tiện tự động Cơ cấu cấp phôi sẽ thay thế con người làm những công việc đòi hỏi nhiều sức lực như vận chuyển, gá đặt các loại phôi có trọng lợn không nhỏ; các hoạt động có tính nguy hiểm cao như làm việc với phôi có góc cạnh, nhọn và sắc như bavia, rìa mép của phôi…
Cuối cùng, cơ cấu cấp phôi sẽ góp phần tránh được tình trạng dây chuyền bị quá tải do số lượng phôi dư quá nhiều, bởi hành trình cấp phôi luôn được quy định sẵn trong chu trình nhất định và lặp lại.
Các thành phần cơ bản của một cơ cấu cấp phôi
Để đảm bảo yêu cầu của một cơ cấu cấp phôi tự động về năng suất, số lượng, chất lượng và độ chính xác cao, một cơ cấu cấp phôi tự động cho dạng phôi cuộn tấm mỏng cần có những thành phần cơ bản sau: Cơ cấu đỡ định hướng phôi; Cơ cấu kéo phôi; Cơ cấu cố định phôi; Cơ cấu điều chỉnh tốc độ phôi
Về cơ cấu đỡ và định hướng phôi: Vấn đề định hướng phôi là một trong những nội dung rất quan trọng Nguyên tắc chung khi lực chọn cơ cấu định hướng là căn cứ theo tiết diện cắt ngang của tấm phôi, từ đó xác định được vị trí chính xác của tấm phôi đến vị trí cần gia công ra sản phẩm
Hình 2.6: Ví dụ về cơ cấu định hướng phôi theo chiều ngang
Hình 2.7: Ví dụ về cơ cấu định hướng phôi theo chiều dọc
Về cơ cấu kéo phôi: Mục đích của cơ cấu này là dẫn và kéo phôi từ vị trí đã được định hướng chính xác từ đầu vào đến cơ cấu cố định phôi hoặc chuyển giao trực tiếp cho máy công tác, hành trình của cơ cấu dẫn phôi sẽ luôn được quy định cụ thể tuỳ theo kích thước của sản phẩm Chất lượng hoạt động của cơ cấu này mang tính quyết định đến khả năng làm việc chính xác và ổn định của cả hệ thống sản xuất Các cơ cấu thường được sử dụng là cơ khí, cơ khí – điện hay cơ khí – khí nén
Hình 2.8: Các ví dụ về cơ cấu kéo phôi
Về cơ cấu cố định phôi: để có thể thực hiện việc gá đặt phôi lên các máy công tác, cần thiết phải có cơ cấu cố định phôi Nhiệm vụ của cơ cấu này là tiếp nhận phôi và cố định nó cho máy công tác thực hiện gia công sản phẩm Để đảm bảo nhiệm vụ này, các cơ cấu cố định phôi phải có kết cấu và hình dáng của phần tiếp xúc với phôi phải phù hợp với hình dáng và kích thước phôi cần cố định, đảm bảo giữ chắc phôi nhưng không làm phôi bị hỏng như làm biến dạng dẻo hay làm hư lớp bề mặt bên ngoài của phôi
Hình 2.9: Các ví dụ về cơ cấu cố định phôi
Về cơ cấu điều chỉnh tốc độ phôi: Vấn đề của cơ cấu này là làm thể nào để tốc độ của phôi phải đồng bộ với tốc độ của cơ cấu cố định phôi và tốc độ của máy công tác Cơ cấu này phải đảm bảo được khi tiếp xúc với phôi đang di chuyển không được làm mất định hướng của phôi, không gây biến dạng hoặc hư hỏng bề mặt phôi và phải đảm bảo quá trình làm việc ổn định
Mỗi một thành phần của cơ cấu cấp phôi có một chức năng và nhiệm vụ nhất định và phải được bố trí đồng bộ với nhau trong một thể thống nhất về mặt không gian và thời gian Việc phân chia cơ cấu thành các thành phần nhỏ như trên cũng chỉ tương đối, vì các nhà sản suất hay người thiết kế có thể kết hợp một số thành phần trong chúng lại với nhau theo đặt điểm về hình dáng, kích thước của phôi để giảm được kích thước khuôn khổ của toàn hệ thống, làm cho việc thiết kế và chế tạo, lắp đặt đơn giản hơn…
Các cơ cấu cấp phôi có sẵn trên thị trường hiện nay
Hình 2.10: Băng tải cấp phôi tự động (Sản phẩm của Hà Anh Technology)
Băng tải cấp phôi tự động đã và đang được ứng dụng rộng rãi, và cung cấp giải pháp cấp phôi tối ưu cho nhiều loại máy móc như: máy phay, máy tiện,… hoặc được tích hợp vào dây chuyển sản xuất nhằm mục đích cấp sản phẩm, thiết bị, linh kiện cho dây chuyền lắp ráp, đóng gói và chế tạo Băng tải cấp phôi cho máy gia công chính vì thế dây chuyền sản xuất sẽ được
14 thực hiện một cách khép kín và nhanh chóng Đây cũng là một trong những giải pháp của việc thực hiện nhà máy thông minh
Hình 2.11: Dây chuyền máy cấp phôi tự động cho máy dập
Máy dập được sử dụng phổ biến trong công nghiệp nhưng đa phần hiện tại việc cấp phôi cho máy dập lại sử dụng phương pháp thủ công, tức là dùng sức người để chuyển phôi vào máy dập Việc này dẫn đến tăng chi phí sản xuất, chi phí nhân công mà sản lượng lại không đạt
Có nhiều loại máy cấp phôi tự động cho máy dập tùy thuộc vào sản phẩm của máy dập và hình dáng kích thước phôi là dạng cuộn, dạng tấm…
Hình 2.12: Máy cấp phôi tự động dạng tấm
Hình 2.13: Máy cấp phôi tự động dạng cuộn
Hình 2.14: Bộ cấp phôi tự động dạng cuộn
Hình 2.15: Bộ cấp phôi tự động dạng cuộn
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Encoder
Encoder hay còn gọi là bộ mã hoá quay hoặc bộ mã hoá trục, là một thiết bị cơ điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tính hiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số Encoder được dùng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển, tốc độ… của động cơ bằng cách đếm số vòng quay được của trục
Trong máy CNC, Encoder được dùng gia công cơ khí chính xác hoàn toàn tự động Điều khiển và xác định các góc quay của dao hoặc bàn gá, hiển thị trên máy tính là đường thẳng hoặc góc bao nhiêu độ Trong robot tự động, Encoder được dùng để xác định toạ độ cánh tay robot Ngoài ra, Encoder còn được gặp trong thang máy, máy cán tôn, máy cắt thép, máy dán tem sản phẩm, băng tải băng chuyền…
Encoder có các cấu tạo chính bao gồm:
- Đĩa quang tròn có rãnh nhỏ quay quanh trục: Trên đĩa được đục lỗ (rãnh), khi đĩa này quay và chiếu đèn led lên trên mặt đĩa thì sẽ có sự ngắt quãng xảy ra Các rãnh trên đĩa chia vòng tròn 360 độ thành các góc bằng nhau Và một đĩa có thể có nhiều dãy rãnh tính từ tâm tròn
- Bộ cảm biến thu (photosensor)
3.1.3 Mục đích đưa Encoder vào cơ cấu cấp phôi: Đo chiều dài phôi mỗi lần cấp phôi, nếu hành trình phôi đạt thì cho máy dập, còn nếu không đạt thì báo lỗi
3.1.4 So sánh cơ cấu trước và sau khi lắp Encoder:
Khi cơ cấu chạy không có sự kiểm soát của Encoder, nếu cơ cấu và cả máy công cụ gặp một trong các trường hợp như: cuộn phôi bị kẹt không nhả phôi, hết phôi, xy lanh kẹp di động hoặc xy lanh giữ cố định có vấn đề không kéo đúng hành trình mong muốn,… thì cơ cấu vẫn tự hoạt động dẫn đến các tình trạng nguy hiểm cho người cũng như máy
Sau khi lắpEncoder, nếu hành trình phôi không đạt thì Encoder báo lỗi bộ cấp phôi dừng ngay lập tức để xác định sự cố, đến khi nào reset lại mới được chạy.
PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay còn gọi là đầu vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào đầu ra của PLC Như vậy nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau
Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) được hình thành từ nhóm các kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm 1968, với ý tưởng ban đầu là thiết kế một bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu
- Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa
- Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường công nghiệp
Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :
- Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông
- Nhiều loại Module chuyên dùng hơn
Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn
Có thể phân loại PLC như sau:
- Theo hãng sản xuất: Các nhãn hiệu như Siemens, Omron, Mitsubishi, Schneider, Allen Bradley, ABB, Festo,…
- Theo version: PLC Siemens có các họ như Logo, S7-200, S7-300, S7-400, S7-1200,S7-
- Theo số lượng các đầu vào/ra:
+ Micro PLC là loại có dưới 32 kênh vào/ ra
+ PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ ra
+ PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ ra
+ PLC cỡ lớn có trên 1024 kênh vào/ra
Hình 3.2: Cấu trúc của PLC
- Phần đầu vào / đầu ra: Phần đầu vào hoặc mô-đun đầu vào bao gồm các thiết bị như cảm biến, công tắc và nhiều nguồn đầu vào thế giới thực khác Đầu vào từ các nguồn được kết nối với PLC thông qua đường ray đầu nối đầu vào Phần đầu ra hoặc mô-đun đầu ra có thể là một động cơ hoặc một solenoid hoặc một đèn hoặc một lò sưởi, có chức năng được điều khiển bằng cách thay đổi các tín hiệu đầu vào
- CPU: (Central Processing Unit) là đơn vị xử lý trung tâm Nó là một bộ vi xử lý mà có thể kết hợp với các hoạt động của hệ thống PLC CPU thi hành chương trình xử lý các tín hiệu I/O và được nối trực tiếp đến các thiết bị I/O thông qua các tuyến đường dây thích hợp bên trong PLC
- Thiết bị lập trình: Đây là nền tảng mà chương trình hoặc logic điều khiển được viết Nó có thể là một thiết bị cầm tay hoặc một máy tính xách tay hoặc một máy tính chuyên dụng
- Nguồn cung cấp: Nó thường hoạt động trên một nguồn cung cấp điện khoảng 24 V, được sử dụng để cung cấp năng lượng đầu vào và các đầu ra
- Bộ nhớ: Bộ nhớ được chia thành hai phần – Bộ nhớ dữ liệu và bộ nhớ chương trình Thông tin chương trình hoặc logic điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng hoặc bộ nhớ chương trình từ nơi CPU tìm nạp các lệnh chương trình Tín hiệu đầu vào và đầu ra và tín
21 hiệu bộ định thời và bộ đếm được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh đầu vào và đầu ra tương ứng
3.2.4 Hoạt động của một PLC
Về cơ bản, hoạt động của một PLC cũng khá đơn giản Đầu tiên, hệ thống các cổng vào/ra (Input/Output) (còn gọi là các Module xuất/nhập) dùng để đưa các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU (như các sensor, contact, tín hiệu từ động cơ …) Sau khi nhận được tín hiệu ở đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua môđun xuất ra các thiết bị được điều khiển
Hình 3.3: Hoạt động của một PLC
- Các nguồn đầu vào chuyển đổi tín hiệu điện tương tự thời gian thực sang tín hiệu điện kỹ thuật số phù hợp và các tín hiệu này được đưa đến PLC thông qua đường ray kết nối
- Các tín hiệu đầu vào này được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh bên ngoài PLC ở các vị trí được gọi là bit Điều này được thực hiện bởi CPU
- Logic điều khiển hoặc các lệnh chương trình được ghi lên thiết bị lập trình thông qua các ký hiệu hoặc thông qua các phép nhớ và được lưu trữ trong bộ nhớ người dùng
- CPU lấy các lệnh này từ bộ nhớ người dùng và thực thi các tín hiệu đầu vào bằng cách thao tác, tính toán, xử lý chúng để điều khiển các thiết bị đầu ra
- Kết quả thực hiện sau đó được lưu trữ trong bộ nhớ hình ảnh bên ngoài để điều khiển các thiết bị đầu ra
- CPU cũng giữ một kiểm tra trên các tín hiệu đầu ra và tiếp tục cập nhật nội dung của bộ nhớ hình ảnh đầu vào theo những thay đổi trong bộ nhớ đầu ra
- CPU cũng thực hiện chức năng lập trình nội bộ như cài đặt và đặt lại bộ hẹn giờ, kiểm tra bộ nhớ của người dùng
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ CƠ CẤU CẤP PHÔI
Các thông số thiết kế đầu vào
- Khối lượng cuộn phôi: m = 950 Kg
- Đường kính cuộn phôi: D = 1000 mm
- Hành trình cấp phôi: 20 ~ 120 mm
- Năng suất cần cấp phôi cho mấy dập: 1,5giây/1 sản phẩm
- Áp suất khí nén tại nhà máy sử dụng: 6 bar
- Hệ số an toàn: chọn K = 1,5
Phương hướng và các giải pháp thực hiện
Sơ đồ 4.1: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu cấp phôi (phương án 1)
5 Con lăn định hướng phôi
7 Để đỡ bộ truyền động đai
9 Bộ con lăn quay tự do
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu: Phôi ban đầu được đưa đến vị trí con lăn đỡ phôi để đi vào con lăn dẫn hướng Sau đó phôi đi qua bề mặt tiếp xúc giưuã 2 mặt con lăn, qua tấm đỡ và con lăn đỡ để đi vào máy công tác Cách truyền động phôi: phôi sau khi nằm cố định ở vị trí tiếp
2 cặp con lăn nhờ hệ thống lò xo nén ở phía trên 2 con lăn (2 con lăn phía trên chạy tự do) Khi nhận được tín hiệu hoạt động, động cơ được nối với trục 1 con lăn quay, qua hệ thống đai tỉ số truyền 1:1 làm cho con lăn 2 quay cùng chiều với con lăn 1 nhờ đó phôi được tịnh tiến theo chiều quay của cả 2 con lăn cho đến khi có tín hiệu dừng lại Chu trình trên được lặp đi lặp lại dựa vào tín hiệu hoạt động và kết thúc Encoder sẽ kiểm soát toàn bộ hành trình phôi được cấp, trong tình trạng phôi được cấp không đủ hành trình, hoặc cấp quá lượng phôi cần thiết thì Encoder sẽ báo lỗi cho máy công cụ, hạn chế tình trạng bị đùn phôi hoặc lượng dư quá nhiều
Sơ đồ 4.2: Sơ đồ nguyên lý cơ cấu cấp phôi (phương án 2)
6 Đế đỡ xy lanh đẩy
12 Cụm xy lanh cố định
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu: tấm phôi từ cuộn phôi sẽ được đỡ trên con lăn đỡ đến vị trí dẫn hướng, sau đó sẽ được xy lanh kẹp di động kẹp chặt và mang đến vị trí chính xác cho máy gia công nhờ sự trợ giúp của xy lanh đẩy bước, cuối cùng xy lanh kẹp cố định sẽ giữ chặt phôi trong suốt quá trình máy dập hoạt động, xy lanh di động sẽ trở về vị trí ban đầu chuẩn bị tiếp tục mang phôi cho chu kỳ tiếp theo Encoder sẽ theo dõi hành trình cấp phôi và báo lỗi cho máy công tác trong trường hợp phôi chưa được cấp chính xác.
So sánh và lựa chọn phương án
Bảng 4.1: So sánh các phương án của cơ cấu cấp phôi
NỘI DUNG PHƯƠNG ÁN 1 PHƯƠNG ÁN 2
1.Giải pháp cho cơ cấu cấp phôi
Cơ cấu cấp phôi sử dụng bộ truyền động đai
Cơ cấu cấp phôi sử dụng kết hợp giữa cơ khí và khí nén (xy lanh)
2.Các thànhphần cơ bản của cơ cấu cấp phôi
1 Cơ cấu đỡ và định hướng phôi: sử dụng con lăn và ổ lăn
2 Cơ cấu dẫn phôi: sử dụng bộ truyền động đai với tỉ lệ truyền 1:1 nhờ sự truyền động của động cơ
3 Cơ cấu cố định phôi: Bộ truyền dừng lại khi có tín hiệu và cố định tại vị trí cấp phôi
1 Cơ cấu đỡ và định hướng phôi: sử dụng con lăn và ổ lăn
2 Cơ cấu dẫn phôi: kết hợp hoạt động giữa xy lanh đẩy và xy lanh kẹp di động
3 Cơ cấu cố định phôi: sử dụng xy lanh cố định
4 Cơ cấu kiểm soát hành trình phôi: sử dụng Encoder 4 Cơ cấu kiểm soát hành trình phôi: sử dụng Encoder
3.Phương pháp điểu khiển toàn bộ quá trình cấp phôi
Lý do không sử dụng các phương pháp điều khiển khác: điều khiển bằng PLC có thể dễ dàng thay đổi thông số của hành tình cấp phôi (ví dụ như thời gian của một chu kỳ dập…), hơn nữa phía công ty có sẵn bộ mạch PLC, sau khi kiểm tra các thông số của mạch, nhóm đưa ra quyết định sử dụng PLC
1 Dễ chế tạo, giá thành thấp
2 Sử dụng bộ truyền động đai giúp cơ cấu làm việc êm, ít tiếng ồn
1 Sử dụng xy lanh nén khí đáp ứng được yêu cầu làm việc với năng suất cao của cơ cấu
2 Dễ dàng thay đổi các thông số cấp phôi tuỳ theo sản phẩm
1 Kích thước của bộ truyền đai khá lớn dẫn đến kích thước chung của cơ cấu lớn
2 Tuổi thọ tương đối thấp, nhất là khi làm việc với vận tốc cao
1 Việc sử dụng xy lanh nén khí dẫn đến cơ cấu tạo tiếng ồn khi vận hành
2 Không ổn định, có khả năng bị đùn phôi nếu các thời gian giữ phôi của các xy lanh phối hợp không nhịp nhàng
Sau khi phân tích ưu nhược điểm của từng phương án, nhóm đưa ra kết luận sử dụng cơ cấu cấp phôi phương án 2.
Trình tự côngviệc tiến hành
- Nghiên cứu, tham khảo các cơ cấu cấp phôi hiện có trên thị trường hiện nay để đưa ra hướng đi đúng đắn của đề tài “Nghiên cứu, ché tạo cơ cấu cấp phôi cho máy dập Bcover02”
- Đưa ra các phương án giải quyết vấn đề cấp phôi tự động cho máy dập theo đúng hành trình và năng suất từ phía công ty yêu cầu
- Tính toán, chọn thiết bị cho từng thành phần cơ bản của cơ cấu cấp phôi như sau:
+ Cơ cấu đỡ và định hướng phôi:
➢ Thiết kế con lăn đỡ phôi đầu vào, tính bền trục con lăn
➢ Chọn con lăn định hướng (ổ lăn), quyết định số ổ lăn được sử dụng với mục đích định hướng phôi
➢ Tính bền phần đế đỡ con lăn và ổ lăn
➢ Tính lực kéo phôi (cuộn phôi được gắn trên trục có trợ lực quay nhả phôi), từ đó tính và chọn xy lanh đẩy bước
➢ Tính bền tấm đỡ xy lanh
➢ Tính lực tác dụng lên đế đỡ xy lanh di động, tính bền phần đế xy lanh di động
➢ Chọn thanh trược và tính bề cho thanh trượt
+ Cơ cấu cố định phôi:
➢ Tính bền đế dỡ xy lanh cố định
➢ Tính lực kẹp của xy lanh cố định để không làm phôi bị biến dạng bề mặt
+ Cơ cấu kiểm soát hành trình phôi:
➢ Tính bền đế đỡ Encoder
+ Hệ thống điều khiển toàn bộ quá trình cấp phôi:
➢ Lập trình điều khiển bằng PLC cho toàn bộ cơ cấu cấp phôi
➢ Chọn các linh kiện điện cần thiết cho cơ cấu
- Thiết kế cơ cấu, lên bản vẽ 3D, xuất bản vẽ gia công để phía công ty tiến hành gia công chi tiết
- Tìm và chọn mua các linh kiện điện, linh kiện khí nén và các linh kiện khác
- Láp ráp cơ cấu cấp phôi và tiến hành chạy thử nghiệm Đánh giá kết quả và đưa ra các thông số của máy, chỉnh sửa các sai sót, các lỗi mà cơ cấu cấp phôi gặp phải, chỉnh sửa để phù hợp tình hình thực tế và yêu cầu từ phía công ty
- Hoàn thiện sản phẩm và bàn giao chương trình điều khiển cơ cấu cấp phôi cho phía công ty để dễ dàng thay đổi hành trình cấp phôi tuỳ theo từng loại sản phẩm
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ
Cơ cấu đỡ và định hướng phôi
Sơ đồ 5.1: Sơ đồ nguyên lý cụm cơ cấu đỡ và định hướng phôi
Mô tả nguyên lý hoạt động: Phôi từ cuộn phôi sẽ được đỡ trên con lăn đỡ đến vị trí các ổ lăn định hướng để đưa đến cụm cơ cấu tiếp theo
Vai trò của từng bộ phận:
- Con lăn đỡ: đỡ phôi, giảm bớt áp lực khi kéo phôi của các cụm cơ cấu chính của hệ thống, giảm tỉ lệ biến dạng bề mặt phôi,
- Ổ lăn định hướng: được điều chỉnh phù hợp với từng loại liệu cấp phôi, cụ thể là tiết diện ngang của từng loại phôi tấm được sử dụng tuỳ theo sản phẩm, hỗ trợ phôi đi đúng hướng để dễ dàng đi qua các chốt định vị trên khuôn dập sản phẩm
Dựa theo nguyên lý và vai trò của từng bộ phận, ta thiết kế sơ bộ được thành phần cơ bản đầu tiên của cơ cấu cấp phôi như sau:
Hình 5.1: Cơ cấu đỡ và định hướng phôi
2 Con lăn định hướng (ổ lăn)
5.1.1 Con lăn đỡ phôi đầu vào
Hình 5.2: Kết cấu con lăn đỡ phôi đầu vào
1 Bulong – dùng để bắt cố định trục chính của con lăn
2 Ổ lăn SKF 6003 – Số lượng ổ lăn được sử dụng: 02
4 Trục cố định – trục chính của con lăn
Bảng 5.1: Đặt tính kỹ thuật của ổ lăn SKF 6003
Tên gọi Bạc đạn SKF 6003 Đường kính trong 17 (mm) Đường kính ngoài 35 (mm) Độ dày 10 (mm)
Dòng Vòng bi cầu – Dòng có độ chịu tải nặng
Bảng 5.2: Thông số kỹ thuật của ổ lăn SKF 6003
Tốc độ giới hạn (RPM)
Tốc độ tham khảo (RPM)
➢ Tính toán độ bền trục:
Khảo sát thực tế khoảng cách từ cuộn phôi đến cơ cấu cấp phôi xa nhất 5m
Khối lượng tấm phôi là mphôi= Dphôi Vphôi
- Với Dphôi là khối lượng riêng của thép ( Dphôi= 7850Kg/m 3 )
- Vphôi là thể tích của miếng phôi
- S là diện tích tiết diện ngang ( Smax= amax.bmax )
Khối lượng chia đều cho 2 gối đở nên:
2Pphôi= 68,825 (N) Thông số các lực tác dụng lên con lăn
Ta có sơ đồ lực
Dựa theo sơ đồ ta có phương trình:
Sơ đồ 5.5: Sơ đồ lực của trục con lăn
Hình 5.3: Con lăn định hướng
3 Đai ốc trượt – Số lượng: 2
4 Đế đỡ ổ lăn Trên đế đỡ có 2 rãnh dài tạo điều kiện cho con trượt thay đổi vị trí tạo khoảng cách phù hợp với từng loại phôi cũng như từng loại sản phẩm
Cơ cấu dẫn phôi
Dựa theo sơ đồ nguyên lý chung của toàn bộ cơ cấu cấp phôi ở chương 3, ta xây dựng được nguyên lý của cơ cấu dẫn phôi như sau:
Sơ đồ 5.2: Sơ đồ nguyên lý cụm cơ cấu dẫn phôi
3 Tấm đỡ xy lanh đẩy
5 Đế đỡ xy lanh di động
Mô tả nguyên lý hoạt động: Phôi vào cơ cấu đỡ và định hướng sẽ được xy lanh di động
(4) kẹp chặt và di chuyển dựa trên con trượt (6) và thanh trượt (7), theo hành trình được lập trình sẵn dựa vào chuyển động của xy lanh đẩy bước (2)
Dựa vào nguyên lý trên, ta thiết kế sơ bộ cụm cơ cấu dẫn hướng phôi gồm các thành phần chính như sau:
Hình 5.4: Cơ cấu dẫn phôi
2 Cụm xy lanh kẹp di động
Hình 5.5: Kết cấu cụm xy lanh đẩy
➢ Tính toán chọn xy lanh:
+ Khối lượng cuộn phôi: m = 950 kg
+ Đường kính cuộn phôi: D = 1000 mm
+ Hành trình tối đa khi đẩy phôi: 120 mm
+ Áp suất khí nén sử dụng: 6 bar
Sơ đồ 5.3: Sơ đồ phân bố lực Áp dụng công thức moment cho hệ ta có
Với : Mp là moment quán tính quay của cuộn phôi
Mms là moment lực ma sát nghĩ ( với Mms =0,05 Mp)
Thời gian di chuyển của xilanh đẩy trong nửa chu trình là: t = 1,5
Vận tốc của xilanh là: v = 𝑠 t = 0,12
Vận tốc góc của cuộn phôi ở vị trí cuối hành trình: ω 1 = 𝑣
0,5 = 0,32 rad/s Vận tốc góc của cuộn phôi ở vị trí đầu hành trình: ω 0 = 0
Thời gian gia tốc để đạt vận tốc cố định v phụ thuộc vào tốc độ nạp khí của van tiết lưu, ở đây ta chọn thời gian dựa vào thực nghiệm trên máy với gia tốc nhỏ nhất ∆𝑡 = 0,16𝑠 Áp dụng vào công thức : 𝜀 = ω 1 − ω 0
Momen quán tính cho cuộn phôi tròn đồng nhất:
Lực kéo là: F = Mp + Mms
0,5 = 498,8 (N) Lực kéo cần thiết là: => 𝐹 𝑐𝑡 = 𝑘 𝐹 = 1,5.498,8 = 748,1 𝑁
Diện tích tiết diện xy lanh là: 𝑆 = 𝐹 𝑐𝑡
6×10 5 = 124,69 × 10 −5 𝑚 2 Tiết diện xy lanh cần thiết là:
Kết luận: Dựa vào các thông số chu trình dịch chuyển lớn nhất (120mm), vận tốc 0,16 m/s, áp suất khí vào 6 bar, tiết diện xilanh D = 39,8 mm đã chọn được xi lanh đẩy bước là:
- Đường kính trong xylanh: 40mm (>39,8)
- Hành trình xylanh: 125mm (>120mm)
- Áp xuất vận hành: 0,05 – 1,0 Mpa (0,05