Tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống cấp phôi tự động sử dụng phễu rung và tay máy cấp phôi tự động cho loại máy tiện NC takamaz

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PHỄU RUNG VÀ TAY MÁY CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG CHO LOẠI MÁY TIỆN NC TA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG SỬ DỤNG PHỄU RUNG

VÀ TAY MÁY CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG CHO

LOẠI MÁY TIỆN NC TAKAMAZ

S KC 0 0 3 7 9 8

I

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Họ & tên: Trần Kim Thiên Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 24/11/1981 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Đồng Nai Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 82/7, Tân Phú 2,Tân Bình, Dĩ An, Bình Dương

Điện thoại nhà riêng: 0972872262

Ngành học: Cơ Khí Chế Tạo Máy

Môn thi tốt nghiệp: Pro/Engineer, PLC, Khí Nén

Ngày & nơi thi tốt nghiệp: 12/2005, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm

2005-2007 Công ty Nissey Viet Nam , khu chế

xuất Tân Thuận, Quận 7

Nhân viên, Phòng thiết kế

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2012

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

đã vận dụng những kiến thức mà mình được trang bị để tiến hành giải quyết một bài toán thực tiễn Vì đề tài luận văn là nghiên cứu và giải quyết vấn đề thực tiễn của một nhà máy gia công cơ khí trên cơ sở nghiên cứu thực tiễn và lý thuyết về cấp phôi tự động sử dụng bằng phương pháp rung động kết hợp tay máy chuyên dùng, nên khi bắt đầu nghiên cứu em đã gặp khá nhiều bỡ ngỡ và khó khăn Nhưng với sự tận tình của thầy hướng dẫn TS Lê Hiếu Giang, cùng với sự hỗ trợ từ phía gia đình, bạn bè đồng nghiệp, cho đến nay luận văn của em đã đạt được những kết quả như mong muốn

Đến đây, cho phép em gửi lời tri ân sâu sắc đến:

- Ban Giám Hiệu trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

- Thầy TS Lê Hiếu Giang – Khoa Cơ khí máy - trường Đại học Sư phạm Kỹ

- Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các anh, chị trong lớp cao học Công Nghệ

Chế Tạo Máy, khóa 2009- 2011

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, sự hỗ trợ, động viên quý báu của tất cả mọi người Xin trân trọng cảm ơn!

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng10 năm 2012

Trong lĩnh vực gia công cắt gọt các chi tiết dạng rời, gia công trên máy tiện chiếm số lượng lớn Các chi tiết dạng này có khối lựơng gia công không nhiều nên thời gian cấp phôi có tỷ lệ rất cao Vì vậy, tính toán và thiết kế hệ thống cấp phôi loại này một cách hoàn chỉnh sẽ tăng năng suất đáng kể Để cấp phôi dạng rời trong gia công cắt gọt có nhiều cách khác nhau Nhưng cấp phôi bằng phương pháp rung động là phương pháp cho năng xuất cao, đơn giản và phổ biến Vì vậy, tác giả chọn và thực hiện đề tài “Tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống cấp phôi tự động sử dụng phễu

rung và tay máy cấp phôi tự động cho loại máy tiện NC Takamaz”

Qua quá trình tìm hiểu thực tế quá trình gia công cắt gọt trên máy NC Takamaz tại công ty Maruei Viet Nam Precision, khu công nghiệp Viet Nam Singapore Tác giả

đã phân tích, tính toán các đặc điểm của quá trình cấp phôi hiện tại Qua đó đưa ra phương án cải tiến vấn đề cấp phôi cho máy tiện NC của nhà máy theo hướng tự động

Với mục tiêu và yêu cầu đặt ra ban đầu cho hệ thống cấp phôi tự động này:

V

 Mỗi công nhân vận hành 1 máy NC như hiện tại → mỗi công nhân vận hành 4 máy NC sau khi áp dụng hệ thống cấp phôi tự động

 Phế phẩm do lỗi thao tác sai từ 0.04% → sẽ giảm xuống 0%

 Thời gian cấp phôi giảm 50% so với phương pháp cấp phôi hiện tại

Trên cơ sở thực tiễn đó, tác giả đã tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi tự động

sử dụng phễu rung kết hợp với băng tải và robot có 3 bậc tự do cấp phôi cho một máy tiện NC

Sau khi tính toán, thiết kế tác giả đã sử dụng phần mềm Solidworks mô phỏng nguyên lý hoạt động hệ thống cấp phôi tự động này để thấy được vai trò của từng cơ cấu trong toàn hệ thống Kết quả này là cơ sở để chế tạo hệ thống cấp phôi tự động áp dụng vào thực tế sản xuất của nhà máy

VI

ABSTRACT

 Nowadays, the industrial manufacturing system in general and the manufacturing process in the field of mechanical machining in particular are developing in the direction of increasing automation So the feeders is one of the necessary requirements need to be studied and solved in automated production systems aimed at improving labor productivity, use and exploitation of machinery, equipment

be a most effective way, improve product quality and reduce production costs

In the field of mechanical machining, workpieces in bulk processing on a lathe have very large number The details of this type have not much volume processing So time for the feeders a very rate Therefore, to calculate and design feeders system is a complete way to increase productivity significantly To feeders bulk of cutting process

in different ways But feeders by the vibration method is a method for high productivity, simplicity and popularity Therefore, this thesis will study "Calculate, design and simulate the automatic feeders system using vibrating hopper and robot automatic feeders for type lathes NC Takamaz"

VII

Through the fact-finding process processing cutting machine NC Takamaz in Maruei Viet Nam Precision company, in Viet Nam Singapore industrial park The researcher has analyzed, calculated the characteristics of the feeders processing current Thereby, the researcher give improved method feeders for NC lathes of the plant in the direction automatically

With the objectives and requirements of the initial set of automated feeders system:

 Each NC machine need one worker as current → four NC machine need one worker after applying automatic feeders system

 Waste product caused by wrong operation from 0.04% → will be reduced

to 0%

 Time feeders down 50% compared to the current method feeders

On practical basis, the researcher calculated and designed the automatic feeder system use vibrating hopper associated with conveyor and robot has 3 degrees of freedom To feeders bulk an NC lathe machining

After calculated and designed, the researcher used SolidWorks software to simulate principle of operation of this automatic feeders to see the role of each structure in the entire the system This result is the basis for our manufacturing system the automatic feeders system applied to actual production of the plant

VIII

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 4

1.3 MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 4

1.3.1 Mục tiêu 4

1.3.2 Khách thể 4

1.3.3 Đối tượng nghiên cứu 5

1.4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5

Chương 2: PHÂN TÍCH PHƯƠNG ÁN CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TỐI ƯU 7

IX

2.1 PHÔI RỜI 7

2.2 CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CẤP PHÔI RỜI 8

2.3 ĐỊNH HƯỚNG PHÔI RỜI 9

2.4 ĐƯA RA PHƯƠNG ÁN 10

2.4.1 Phễu cấp phôi kiểu giá nâng 10

2.4.2 Phễu cấp phôi định hướng bằng khe và rãnh: 11

2.4.3 Phễu cấp phôi định hướng bằng ống quay: 12

2.4.4 Phễu cấp phôi kiểu ống hai nửa: 13

2.4.5 Phễu cấp phôi kiểu đĩa quay 14

2.4.6 Phễu cấp phôi rung động: 15

2.4.7 Lựa chọn phương án: 17

2.5 GIỚI THIỆU PHỄU RUNG CÓ MÁNG XOẮN VÍT 17

2.5.1 Phân loại phễu tròn: 18

2.5.1.1 Phân loại theo hình dáng: 18

2.5.2.1 Phân loại theo phương pháp chế tạo: 19

2.6 NGUYÊN LÝ VẬN CHUYỂN PHÔI TRÊN MÁNG XOẮN VÍT 19

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 24

3.1 THỰC TRẠNG Ở CÔNG TY MARUEI VIET NAM PRECISION 24

3.2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 24

3.2.1 Đặc điểm cấp phôi cho các máy NC hiện tại 25

3.2.2 Yêu cầu hệ thông cấp phôi tự đông 25

3.2.3 Sơ đồ hệ thống cấp phôi nguyên liệu tự động 26

3.2.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp phôi nguyên liệu tự động 27

3.2.5 Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống cấp phôi 27

Chương 4: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ PHỄU RUNG 28

4.1 TÍNH TOÁN PHỄU 28

4.1.1 Chọn vật liệu chế tạo phễu 28

4.1.2 Các thông số hình học của phễu 28

4.2 KÍCH THUỚC ĐẾ 33

X

4.3 ĐỊNH HƯỚNG PHÔI TRÊN MÁNG XOẮN 33

4.3.1 Giới thiệu về vấn đề định hướng phôi rời 33

4.3.2 Thiết kế cơ cấu định hướng phôi nguyên liệu trên máng xoắn 34

4.3.2.1 Các trạng thái và lưu đồ di chuyển của phôi nguyên liệu trên máng xoắn 34

4.3.2.2 Thiết kế cơ cấu định hướng phôi nguyên liệu trên máng xoắn 34

4.4 MÁNG DẪN PHÔI 36

4.4.1 Cấu tạo máng dẫn phôi 36

4.4.2 Tính toán máng dẫn phôi: 39

4.5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KÍCH THƯỚC CÁC CHÂN 41

4.5.1 Kết cấu của các chân 41

4.5.2 Tính toán các chân 42

4.6 TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN 44

4.6.1 Chọn số nam châm điện từ sử dụng trong cơ cấu rung 44

4.6.1.1 Khi có một nam châm điện 44

4.6.1.2 Khi có bốn nam châm điện 45

4.7 CƠ CẤU RUNG ĐIỆN TỪ 46

4.7.1 Cơ cấu rung điện từ một nhịp 46

4.7.2 Cơ cấu rung điện từ hai nhịp 47

4.7.3 Tính nam châm điện 48

4.8 CƠ CẤU GẢM CHẤN 51

4.9 MÔ HÌNH 3D PHỄU RUNG 54

4.10 ĐIỀU KHIỂN PHỄU RUNG 54

4.11 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHỈNH NĂNG SUẤT PHỄU 56

Chương 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ ROBOT 57

5.1 CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA ROBOT 57

5.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ROBOT 58

5.3 TÍNH TOÁN ĐỘNG HỌC ROBOT 59

5.3.1 Thiết lập phương trình động học cơ bản của robot 59

5.3.1.1 Xây dựng các hệ tọa độ 59

XI

5.3.1.2 Lập bảng thông số Denavit- Hartenberg như sau: 59

5.3.1.3 Xác định các ma trận biến đổi 60

5.4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CÁC KHÂU CỦA ROBOT 62

5.4.1 Khâu cố định 62

5.4.2 Khâu 1 62

5.4.3 Khâu 2 63

5.4.4 Khâu 3 63

5.4.5 Mô hình 3D của robot 63

5.5 CƠ CẤU CHẤP HÀNH 64

5.5.1 Giới thiệu sơ lược về xilanh 64

5.5.2 Tính toán và chọn xilanh dẫn động các khâu 65

5.6 CHỌN CÁC KHỚP ĐỘNG CHO ROBOT 67

5.6.1 Cấu tạo khớp động của robot 67

5.6.2 Chọn khớp1 67

5.6.3 Chọn khớp 2 68

5.7 HỆ THỐNG ĐIỀU KIỂN ROBOT 69

5.7.1 Truyền dẫn động robot 69

5.7.2 Truyền dẫn động khí nén 70

5.7.3 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống dẫn động khí nén 70

5.7.4 Thiết kế hệ thống điều kiển robot 71

5.7.4.1 Mạch điều kiển khí nén 71

5.7.4.2 Thiết kế sơ đồ trang thái của hệ thống điều khiển 72

5.7.4.3 Chương trình PLC điều kiển hệ thống 72

Chương 6: TÍNH TOÁN,THIẾT KẾ BĂNG TẢI 76

6.1 GIỚI THIỆU CHUNG 76

6.2 PHÂN LOẠI BĂNG TẢI 77

6.3 CHỌN LOẠI BĂNG TẢI 78

6.4 CHỌN CƠ CẤU DẪN ĐỘNG 78

6.5 THIẾT KẾ BĂNG TẢI 79

XII

6.6 MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KIỂN BĂNG TẢI 80

Chương 7 MÔ PHỎNG CHUYỂN ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG CẤP PHÔI 81

7.1 GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG 81

7.1.1 Giới thiệu về phần mềm 81

7.1.2 Giới thiệu về các tính năng mô phỏng của solidworks 81

7.2 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 82

7.2.1 Trình tự các bước thực hiện 82

7.2.2 Kết quả của quá trình mô phỏng 82

7.3 SƠ ĐỒ KHỐI ĐIẾU KIỂN HỆ THỐNG 82

Chương 8: KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ 84

8.1 TÓM TẮT VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ĐỀ TÀI 84

8.2 ĐỀ NGHỊ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 85

XIII

tự động hóa ngày càng cao Để đảm bảo được quá trình sản xuất ổn định thì nhất thiết phải có quá trình cung cấp phôi chính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp (cấp đúng lúc) và liên tục theo chu trình hoạt động của máy một cách tin cậy

Vì thế quá trình cấp phôi là một trong những yêu cầu cần thiết phải được nghiên 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 và nâng cao chất lượng sản phẩm

Trong thực tế hiện nay của các ngành sản xuất nói chung, người ta đang sử dụng rộng rãi các hệ thống cấp phôi bằng cơ khí, phối hợp cơ khí- điện, cơ khí – khí nén Với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực điều khiển tự động và robot 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 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 hàng loạt

Có thể thấy rằng, việc nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động có tính bao quát, bao hàm nhiều lĩnh vực và liên quan đến nhiều ngành công nghiệp khác nhau

Ngày nay, việc sử dụng các dây chuyền, hệ thống để chế tạo sản phẩm không còn

là điều mới mẻ đối với các quốc gia trên thế giới Đối với các nước có nền công nghiệp

Chương 1: Tổng quan

2

phát triển thì các hệ thống gia công này được đầu tư thiết kế, trang bị đầy đủ và vô cùng hiện đại, có các kết cấu cơ khí rất chính xác, các robot trong dây chuyền hết sức linh hoạt Đặc biệt, công việc điều khiển dây chuyền rất đơn giản, dễ dàng, thuận tiện cho người sử dụng và có thể dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển hoạt động của dây chuyền để chế tạo các chi tiết máy, các sản phẩm khác theo yêu cầu thực tế của thị trường Quy trình hoạt động của hệ thống là một chu trình liên tục khép kín, từ nguyên công cấp phôi cho đến nguyên công đóng gói sản phẩm đưa vào kho dự trữ hay đưa

ra thị trường đều được tự động hóa

Với Việt Nam là một quốc gia có nền công nghiệp đang phát triển, đang cố gắng học hỏi, tiếp cận, kế thừa các công nghệ cao của thế giới Hiện tại, ở nước ta các máy gia công chính xác như NC, CNC…đang dần dần được các công ty, các trung tâm gia công đưa vào để thay thế các máy gia công truyền thống Do điều kiện kinh

tế, cơ sở vật chất, trình độ con người còn thấp nên các dây chuyền sản xuất tự động công nghệ cao, các dây chuyền gia công tích hợp CIM chưa được sử dụng rộng rãi Vì vậy chúng còn tương đối mới mẻ, xa lạ đối với sinh viên, cán bộ kỹ thuật tại các trung tâm gia công, các công ty chế tạo Do vậy việc tính toán, thiết kế và từng bước chế tạo

mô hình cấp phôi tự là rất cần thiết

Cấp phôi tự động hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng, nhưng cấp phôi tự động bằng phương pháp rung động là một phương pháp phổ biến, áp dụng cho nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau và mang lại hiệu quả cao

Cấp phôi tự động sử dụng phương pháp rung trên thế giới và trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu cho nhiều lĩnh vực khác nhau như:

 Dana R.berkowitz-University of California, Designing Part Feeders Using Dynamic Simulation Đây là công trình nghiên cứu về phễu rung dựa vào việc mô phỏng động năng của chi tiết trong phễu nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm của các thiết kế mới

Chương 1: Tổng quan

3

 Martin maher-waterford institute of technology-2010, The design /development of automated programmable orientation tools for vibratory

bowl feeder Đây là công trình nghiên cứu hiệu quả của phễu rung trong sản

xuất hàng loạt đặc biệt là trong các dây chuyền lắp ráp và ảnh hưởng của nhược điểm của phễu rung và đề xuất những biện pháp khắc phục những nhược điểm này

 Department of mechanical engineering national institute of technologe

Rourkela, Part Feedeing System For FMS Đề tài nghiên cứu về các hình

thức cầp phôi rung cho các hệ thống sản xuất linh hoạt và phân tích động học của phễu rung và động học của chi tiết trong phễu rung

Bên cạnh những nghiên cứu trên thì hiện nay trên thế giới có rất nhiều công ty chuyên sản xuất các phễu rung cấp phôi Với nhiều kích cở và công xuất khác nhau Trong nước ta, cũng đã có nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng phương pháp rung động vào việc cấp phôi tự động

 Luận văn Thạc sĩ của KS Phan Minh Thanh – trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM – năm 2002, đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình phễu rung động và cân định lượng điện tử cho máy đóng gói

 Đề tài tốt nghiệp đại học – trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM – năm 2008, đã nghiên cứu, thiết kế hệ thống cấp phôi bạc sắt xốp cho dây chuyền lắp ráp quạt tản nhiệt CPU

Tuy nhiên, những nghiên cứu trên chưa áp dụng cho các lĩnh vực cấp phôi tự động cho gia công cắt gọt cơ khí

Trong gia công cắt gọt cơ khí, phôi rời chiếm số lượng lớn nhất và cũng đa dạng nhất, các chi tiết dạng rời, nhỏ và có hình dạng đơn giản như: bulông, đai ốc, chốt trụ, côn, bánh răng loại nhỏ, bạc trụ, các loại trục nhỏ có bậc hoặc trơn…vv, các chi tiết này thường có số lượng rất nhiều Mặt khác các chi tiết tiêu chuẩn đó có khối lượng gia công không nhiều Tỷ lệ thời gian cấp phôi và thời gian cơ bản cao Vì vậy thiết kế chế