Luận văn máy ép nhựa

Hiện nay, nhiều doanh nghiệp nhựa sử dụng công nghệ đùn thổi bằng nhiều thiết bị nhập từ các nước, nhiều thế hệ để sản xuất các sản phẩm bao bì nhựa.Công nghệ sản xuất nhựa sử dụng thanh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Trong chương này, em sẽ tìm hiểu tổng quan về máy ép nhựa và tay máy sử dụng trong ngành nhựa

1 Tổng quan về máy ép nhựa:

Các công nghệ mà Việt Nam sử dụng để sản xuất các sản phẩm nhựa bao gồm:

Công nghệ phun ép (Injection technology): công nghệ này được sử dụng để làm ra

các thành phần nhựa và phụ tùng cho các thiết bị điện tử, điện lực, xe máy và ngành công nghiệp ô tô Theo các chuyên gia công nghiệp, có khoảng 3000 loại thiết bị phun ép tại Việt Nam

Công nghệ đùn-thổi (Blow-Extrusion technology): đây là công nghệ thổi màng, sản

xuất ra các loại vật liệu bao bì nhựa từ màng, dùng trong các công nghệ thổi túi PE, PP và màng (cán màng PVC) Hiện nay, nhiều doanh nghiệp nhựa sử dụng công nghệ đùn thổi bằng nhiều thiết bị nhập từ các nước, nhiều thế hệ để sản xuất các sản phẩm bao bì nhựa.Công nghệ sản xuất nhựa sử dụng thanh profile (Profile technology): ở Việt Nam, công nghệ này được sử dụng để làm các sản phẩm như: ống thoát nước PVC, ống cấp nước PE, ống nhôm nhựa, cáp quang, cửa ra vào PVC, khung hình, tấm lợp, phủ tường, v.v…

Theo yêu cầu đặt ra, đề tài chỉ tập trung vào công nghệ phun ép và máy ép nhựa phun Dù một máy ép phun hiện đại đến đâu cũng cần một loạt các thiết bị phụ trợ khác nhau như: hệ thống cung cấp vật liệu thô, trang thiết bị vận chuyển khuôn, thiết bị gá và kẹp chặt khuôn, hệ thống vận chuyển sản phẩm,…

Phân loại máy ép nhựa phun:

•Theo loại nhựa: ta có máy ép nhựa nhiệt dẻo và máy phun nhựa nhiệt rắn,

•Theo hình dáng máy: máy ép phun được chia thành máy phun nhựa thẳng đứng và

máy phun nhựa nằm ngang,

Hình 1.1: máy ép nhựa phun: (a) máy ép trục đứng, (b) máy ép nằm ngang

•Theo hệ thống kẹp: được chia thành hệ thống kẹp thủy lực và hệ thống kẹp cơ,

•Theo hệ thống phun: ta có máy ép phun dạng pittông và máy ép phun dạng trục vít,

Hình 1.2: các bộ phận của máy ép nhựa phun

Máy ép nhựa phun có cấu tạo chung gồm 2 phần: cụm phun và cụm kẹp

Cụm phun: có chức năng nung chảy và đồng hóa vật liệu nhựa, trữ vật liệu nhựa trong buồng trục vít, phun nhựa vào lòng khuôn và duy trì áp suất ép

Cụm kẹp: có chức năng giữ hai nửa của khuôn ở vị trí liên kết tốt với nhau, giữ chặt khuôn suốt quá trình phun bằng việc giữ lực kẹp đủ lớn để chống lại lực phun, mở và đóng khuôn đúng thời điểm

Cụm kẹp bao gồm hai tấm, tấm cố định và tấm di động cùng cơ cấu để dịch chuyển tấm động Cơ cấu này hoạt động nhờ pittông thủy lực hoặc thiết bị cơ khí nhiều loại khác nhau Cụm kẹp có ba dạng thiết kế: kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu, cơ cấu thủy lực và cơ thủy lực kết hợp

Kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu: có cấu tạo như hình 1.3:

Hình 1.3: kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu

Cơ cấu bao gồm: một xylanh tác động sẽ đẩy chạc chữ thập về phía trước, kéo dãn các thanh truyền đưa tấm động vào vị trí đóng khuôn Tại thời điểm bắt đầu chuyển động,

sự lợi về cơ thấp và tốc độ thì cao nhưng đến cuối hành trình thì ngược lại, do đó kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu cho ta tốc độ cao và lực kẹp lớn tại những thời điểm khác nhau của chu kỳ khi mong muốn Xylanh tác động dùng thủy lực có thể thay thế bằng vitme bi dẫn động bởi motor điện Cụm kẹp dùng cơ cấu đòn khuỷu thích hợp cho những máy ép phun tải trọng tương đối thấp

Kẹp dùng cơ cấu thủy lực: dùng trong các máy ép nhựa phun có tải trọng lớn hơn cơ cấu dùng đòn khuỷu, dạng này cũng linh động hơn trong việc cài đặt tải tại những vị trí

khác nhau trong hành trình dịch chuyển Cơ cấu được minh họa trong hình 1.4:

Hình 1.4: kẹp dùng cơ cấu thủy lực

Ngoài ra còn cơ cấu kẹp kếp hợp cơ – thủy lực trong những máy ép có tải trọng lớn.Nguyên tắc hoạt động của máy ép nhựa phun: nhựa nóng chảy ở nhiệt độ nhất định

và áp suất cao được đưa vào khuôn bằng vít đùn, chúng được định hình và làm nguội Sau quá trình làm lạnh, sản phẩm sẽ được đưa ra ngoài, việc này được làm bởi công nhân hoặc tay máy tùy thuộc vào hình dạng sản phẩm cũng như khả năng kết hợp máy ép nhựa với các thiết bị khác

2 Tổng quan về tay máy:

Tay máy là một dạng robot có cấu tạo mô phỏng theo những đặc điểm cấu tạo cơ bản của cánh tay người Đó là tập hợp các kết cấu cơ khí được thiết kế để hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau, được gọi là các khâu động Trong đó phần liên kết giữa các khâu động được gọi là các khớp động hay còn gọi là các trục Tay máy cũng bao gồm cả các cơ cấu tác động là các phần tử thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, xylanh dầu ép, xylanh khí nén… Phần quan trọng trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối để thao tác trên đối tượng làm việc

Việc ứng dụng tay máy vào sản xuất đã mở ra một xu hướng mới cho nền công nghiệp hiện đại, góp phần rất lớn vào việc tăng năng suất cho dây chuyền công nghệ, cải thiện điều kiện làm việc thậm chí thay thế con người trong các công việc nguy hiểm, môi trường phóng xạ, hay các công việc có tính chất lập lại liên tục dễ gây mệt mỏi cho con người

Ngành nhựa ở nước ta trong những năm gần đây phát triển rất mạnh, với những sản phẩm đa dạng về mẫu mã cùng chất lượng ngày càng nâng cao đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng của người dân Tuy nhiên, các máy móc thiết bị sử dụng tại nước ta chủ yếu là nhập khẩu từ nước ngoài về, do đó chi phí đầu vào khá cao, một số sản phẩm làm ra không đủ sức cạnh tranh với hàng hóa nước ngoài, do vậy thời gian gần đây có rất nhiều nghiên cứu về máy móc ngành nhựa phục vụ trực tiếp sản xuất trong nước

Hiện nay, việc lấy sản phẩm ra khỏi khuôn ở các công ty nhựa tại Việt Nam chủ yếu

do con người thực hiện, công việc này tuy đơn giản nhưng lập lại liên tục (trung bình 3 lần/ 2 phút) rất dễ gây mệt mỏi cho người công nhân, ảnh hưởng rất lớn tới năng suất, đồng thời giảm chất lượng sản phẩm (sản phẩm dễ bị lỗi nếu sản xuất không liên tục) Nếu đưa tay máy vào công đoạn này sẽ rút ngắn rất nhiều thời gian sản xuất 1 sản phẩm nhựa, đồng thời việc sản xuất diễn ra liên tục hơn, sản phẩm đạt chất lượng tốt hơn Trên thế giới, việc này không còn mới mẻ nhưng tại nước ta, đây vẫn là vấn đề đang ứng dụng trong giai đoạn ban đầu, khó khăn chính là máy móc chưa được nghiên cứu nghiêm túc đồng thời còn thiếu đội ngũ kỹ thuật chuyên về lĩnh vực này Nếu ứng dụng được tay máy vào sản xuất thì sẽ mang lại hiệu quả rất lớn đối với ngành nhựa nước ta

Phân loại tay máy: có nhiều cách phân loại tay máy khác nhau như sau:

•Phân loại theo kết cấu: người ta chia ra thành các loại tay máy sau:

Tay máy tọa độ vuông góc: là tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo

phương của các trục tọa độ vuông góc Ứng dụng chính của tay máy dạng này là các thao tác vận chuyển vật liệu, sản phẩm, đúc, dập,… Ưu điểm của loại tay máy này là không gian làm việc lớn, nếu gắn trên trần sẽ dành được diện tích sàn lớn cho các công việc khác, hệ điều khiển đơn giản Tuy nhiên việc duy trì vị trí của cơ cấu dẫn động và các thiết bị điều khiển điện đối với tay máy loại này gặp nhiều trở ngại

Hình 1.5: sơ đồ tay máy hoạt động trong hệ tọa độ vuông góc

Tay máy tọa độ trụ: trong ba chuyển động định vị, tay máy được bố trí hai chuyển

động tịnh tiến và một chuyển động quay Ưu điểm của tay máy dạng này là chúng có khả năng chuyển động ngang và sâu vào trong các máy sản xuất, cấu trúc theo chiều dọc của máy tạo nhiều khoảng trống cho mặt bằng, kết cấu vững chắc, có khả năng mang tải lớn Tuy nhiên tay máy dạng này bị giới hạn tiến về phía trái và phía phải do kết cấu cơ khí và kích cỡ cơ cấu tác động theo chiều ngang

Hình 1.6: sơ đồ tay máy hoạt động trong hệ tọa độ trụ

Tay máy tọa độ cầu: là loại tay máy đước bố trí có ít nhất hai chuyển động quay

trong ba chuyển động định vị

Hình 1.7: sơ đồ tay máy hoạt động trong hệ tọa cầu

Tay máy toàn khớp bản lề và SCARA: loại cấu hình dễ thực hiện nhất được ứng

dụng cho tay máy là dạng khớp nối bản lề và kế đó là dạng ba trục thẳng, gọi tắt là SCARA( Selective Compliance Articulated Robot Actuator)

Hình 1.8: sơ đồ động tay máy dạng SCARA

Tay máy dạng này tuy chiếm diện tích làm việc ít song tầm vươn khá lớn, về mặt hình học, cấu hình dạng khớp nối bản lề với ba trục quay bố trí theo phương thẳng đứng

là dạng đơn giản và có hiệu quả nhất trong trường hợp yêu cầu gắp và đặt chi tiết theo phương thẳng đứng

•Phân loại theo hệ thống truyền động: người ta chia thành các dạng phổ biến sau:

Hệ truyền động điện: dùng động cơ điện một chiều hoặc động cơ bước, loại này có

kết cấu nhỏ gọn, có thể áp dụng các giải thuật điều khiển phức tạp nhằm tăng độ chính xác

Hệ truyền động thủy lực: có thể đạt công suất cao, đáp ứng điều kiện làm việc

nặng Tuy nhiên kết cấu thủy lực cồng kềnh, độ phi tuyến lớn, khó xử lý khi điều khiển

Hệ truyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ do không cần dẫn ngược lại nhưng

phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén Hệ làm việc với công suất trung bình và nhỏ, kém chính xác, thích hợp với các tay máy hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên – đặt xuống”

•Phân loại theo ứng dụng: dựa vào ứng dụng của tay máy vào sản xuất ta có tay máy sơn, hàn, vận chuyển phôi, lắp ráp, …

•Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển: ta có tay máy điều khiển vòng hở và tay máy điều khiển vòng kín, sử dụng cảm biến, mạch phản hồi để tăng độ chính xác, tính linh hoạt của tay máy.

Ngoài ra còn có các cách phân loại khác nhau tùy theo quan điểm và mục đích nghiên cứu

Tay máy sử dụng trong máy ép nhựa có hai loại: loại nằm ngang và loại đứng Tùy theo khả năng tải trọng và không gian làm việc, cấu tạo của vật gắp mà tay máy có kết cấu phù hợp

Hiện nay có rất nhiều công ty trên thế giới sản xuất tay máy phục vụ máy ép nhựa

với nhiều dạng khác nhau Hình 1.9 minh họa một số loại tay máy gắp nhựa trên thị

trường:

c) d)

Hình 1.9: một số loại tay máy gắp nhựa trên thị trường

a tay máy công ty APEX, (b) tay máy HOP Five 550X, (c) tay máy MX công ty

CONAIR, (d) tay máy với 2 tay gắp.

Tại Việt Nam hiện nay, đã có những công ty, cá nhân nghiên cứu về máy ép nhựa cùng các thiết bị hỗ trợ cho việc sản xuất sản phẩm nhựa

Tháng 5 năm 2009, nhóm nghiên cứu của Công ty Tân Kỷ Nguyên (Q.5, TP.HCM)

và Trung tâm nghiên cứu ứng dụng (Sở Khoa Học Công Nghệ -TP.HCM) đã công bố sản phẩm “Máy ép nhựa dưới 300 tấn và tay máy lấy sản phẩm” Đây là máy ép nhựa dạng

ép phun và tay máy lấy sản phẩm kèm theo máy đầu tiên được nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công ở trong nước Máy ép nhựa này dùng trong sản xuất các loại bao bì chai nhựa, sản phẩm nhựa gia dụng, và các sản phẩm nhựa cao cấp trong lĩnh vực điện gia dụng, điện tử Tay máy lấy sản phẩm bao gồm: kiểu xoay tay nghiêng một tay gắp (kết nối với máy ép nhựa 80 - 150 tấn, sai số trong khoảng 1 mm); kiểu đi ngang 4 bậc tự do điều khiển bằng servo và khí nén, 1 và 2 tay gắp (kết nối với máy ép nhựa từ 150, 220 đến 300 tấn)

Một sản phẩm phải kể đến là của công ty Suno, được rất nhiều người biết từng có

"duyên nợ" với Robocon, là robot có chức năng gắp các sản phẩm từ máy ép nhựa, hệ thống hoạt động linh hoạt với nhiều chế độ Sau khi thành công trong cuộc thi Robocon, không bỏ phí chất xám, BKPro đã tiếp tục thực hiện đề tài này thành nghiên cứu khoa học cấp Thành Phố (chủ nhiệm đề tài: KS.Lưu Anh Tiến) do Trung tâm Neptech - Sở KHCN TP.HCM chủ trì, thuộc chương trình Robot công nghiệp TP.HCM

Đến nay, nhiều công xưởng, nhà máy đã sử dụng robot của BKPro nhằm tiết kiệm nguồn nhân lực, tiết kiệm được lượng chi phí không nhỏ trong sản xuất Và theo các chuyên gia đánh giá, nhu cầu tay máy lấy sản phẩm nhựa trong các doanh nghiệp ở nước

ta hiện nay rất lớn Các công ty như công ty chuyên sản xuất vỏ ti vi, Show PLA tại khu công nghiệp Biên Hòa II, sử dụng hàng chục tay máy lấy sản phẩm cùng loại hoặc công

ty nhựa Chợ Lớn chuyên sản xuất xe đồ chơi trẻ em đã nhập khẩu khoảng 25 tay máy lấy sản phẩm nhựa các loại

Hình 1.10: bộ điều khiển tay máy nhiều chế độ của Suno

Nhiệm vụ đề tài thực hiện là tìm hiểu nguyên lý hoạt động, thiết kế, điều khiển tay máy phục vụ máy ép nhựa dưới 180 tấn theo mô hình có sẵn của công ty Harmo series EX-III

Các chương tiếp theo sẽ lần lượt giải quyết các nhiệm vụ sau:

•Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế,

•Tính toán, thiết kế tay máy,

•Mô phỏng không gian làm việc,

•Xây dựng giải thuật, viết chương trình điều khiển,

•Thực nghiệm trên mô hình

CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Trong chương này, em sẽ phân tích, lựa chọn phương án thiết kế về: bậc tự do, bộ điều khiển, nguồn dẫn động, dạng điều khiển của tay máy, tay gắp cùng với cách bố trí không gian làm việc của tay máy

1 Bậc tự do của tay máy:

Số bậc tự do hay bậc chuyển động của tay máy là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động Để nâng cao độ linh hoạt, tay máy phải có số bậc chuyển động cao Tuy nhiên, số bậc chuyển động này không nên quá 6, vì với 6 bậc này, nếu bố trí hợp lí sẽ đủ tạo ra khả năng chuyển động linh hoạt của khâu tác động cuối nhằm có thể tiếp cận đối tượng thao tác theo mọi hướng Ngoài ra, số bậc tự do nhiều hơn

6 sẽ không kinh tế và khó điều khiển hơn

Em sẽ thiết kế tay máy thực hiện những chuyển động sau:

•Chuyển động từ bên ngoài vào bên trong khu vực khuôn và ngược lại, dùng khớp loại 5 là khớp quay hoặc tịnh tiến,

•Chuyển động tịnh tiến lấy sản phẩm ra khỏi khuôn,

•Chuyển động đưa sản phẩm ra khỏi máy ép nhựa, thả sản phẩm ra bộ phận chứa đựng,

•Chuyển động xoay sản phẩm trước khi thả sản phẩm ra bên ngoài đối với một số loại sản phẩm nhất định, dùng khớp quay cho bậc tự do này

Như vậy tay máy sẽ có ba hoặc bốn bậc tự do, tuy nhiên bậc tự do thứ tư không thực sự cần thiết, đồng thời nhầm đơn giản hóa thuật toán điều khiển nên em sẽ thiết kế tay máy có ba bậc tự do, gồm hai khớp tịnh tiến và một khớp quay và được thiết kế theo trình tự R-T-T

2 Bộ điều khiển:

Bộ điều khiển tay máy thường cấu thành từ các bộ phận cơ bản tương tự như máy tính bao gồm bộ xử lí trung tâm, bộ nhớ và bộ xuất/ nhập kết hợp với màn hình để hiển thị các lệnh khi lập trình và đồng thời theo dõi sự thay đổi các khâu trong quá trình chuyển động

Bộ điều khiển của hệ thống tay máy bao gồm: các cơ cấu cơ khí bên trong tay máy, dùng thiết lập vị trí chính xác và các thiết bị bên ngoài xử lý và truyền dẫn tín hiệu tác động cho các cơ cấu tác động

Hình 2.1: sơ đồ khối hệ thống điều khiển tay máy với các công tắc hành trình

Bộ điều khiển bao gồm các thành phần sau:

•Các cử chặn hạn chế hành trình, bao gồm loại cố định và có thể điều chỉnh vị trí, nhằm phục vụ cho các loại máy ép nhựa khác nhau về tải trọng cũng như sản phẩm,

•Các công tắc hạn chế hành trình,

•Logic khí nén và các phần tử logic khí nén,

•Bộ điều khiển lập trình (PLC – Programmable Logic Controller) làm nhiệm vụ điều khiển chuyển động của tay máy, giám sát các cảm biến và hiển thị các đèn chỉ thị

•Chi phí cho 1 hệ thống dầu ép thường khá cao,

•Không thích hợp cho cơ cấu quay với tốc độ nhanh,

•Cần có đường xả dầu về bể,

•Khó giảm kích thước hệ thống do áp suất và tốc độ dầu cao,

•Chiếm diện tích mặt bằng nhiều hơn các nguồn dẫn động khác

2 Nguồn dẫn sử dụng truyền động khí nén:

Ưu điểm:

•Đây là loại dẫn động có chi phí thấp nhất,

•Trang bị đơn giản và dễ điều khiển,

•Việc thiết kế và lắp đặt loại tay máy này khá đơn giản,

•Khí thải không gây ô nhiễm môi trường,

•Cơ cấu tác động có thể dừng mà không hư hỏng

•Cơ cấu tác động nhanh và chính xác,

•Giá thành không cao,

•Nhiều động cơ có moment quay cao, trọng lượng giảm và thời gian đáp ứng nhanh

Nhược điểm:

•Bản chất đã là tốc độ cao,

•Khe hở bộ truyền bánh răng làm giảm độ chính xác,

•Gây quá nhiệt khi hệ thống bị dừng hoạt động do quá tải,

•Cần phải có thắng để ghim vị trí các khớp

Ngoài các dạng truyền động trên, còn có dạng truyền động hỗn hợp sử dụng ưu điểm của các loại truyền dẫn trên một cách hợp lí vào từng khớp chuyển đông nhằm đáp ứng yêu cầu của tay máy trong trường hợp cụ thể

Trong đề tài này, các khâu em thiết kế chỉ cần đáp ứng điều khiển ở cuối hành trình, hoạt động với 2 vị trí, không cần đạt chế độ điều khiển tỉ lệ, và quan trọng không cần tăng hay giảm tốc nên em sẽ sử dụng truyền động dạng khí nén

4 Dạng điều khiển:

Dựa trên cách thức mà bộ điều khiển kiểm soát đường dẫn hay quỹ đạo trong dịch chuyển của các khâu trên tay máy, việc điều khiển tay máy chia thành các dạng sau:

•Hệ điều khiển rời rạc hay điều khiển theo điểm

•Hệ điều khiển theo đường dẫn liên tục

Bộ điều khiển sẽ thông qua đường dẫn để hướng dụng cụ công nghệ đi qua các điểm lập trình trong quỹ đạo tay máy

Các kiểu đường dẫn cơ bản như sau:

•Đường dẫn từng đoạn: kiểu điều khiển không có sự phản hồi sử dụng các cử chặn

và công tắc hành trình, số điểm lập trình cho từng trục là 2, ứng với điểm đầu và điểm cuối trên hành trình của trục

•Đường dẫn theo điểm: khi lập trình, người vận hành sử dụng panen điều khiển di chuyển độc lập từng trục của tay máy đi qua các điểm phải đi qua trong chương trình công nghệ Khi đi qua 1 điểm, người lập trình lưu lại tọa độ điểm đó trong

bộ nhớ, khi tất cả các điểm đã được đưa vào bộ nhớ, bộ điều khiển sẽ xử lý, tính toán vị trí tay máy với các tọa độ suy rộng – các dịch chuyển góc và dịch chuyển thẳng của các trục thay cho tọa độ Descartes Trong trường hợp này, người sử dụng chỉ quan tâm đưa khâu tác động cuối đi dến những điểm rời rạc để thực hiện thao tác mà không quan tâm đến quỹ đạo chuyển động

Hình 2.2: đường dẫn theo điểm không phối hợp chuyển động giữa các trục (thực hiện

tuần tự)

Hình 2.3: đường dẫn theo điểm phối hợp đồng thời chuyển động giữa các trục

•Đường dẫn liên tục: là tập hợp của tất cả các điểm nằm kế nhau, trong lập trình theo điểm, người lập trình đưa tay máy đến vị trí xác định rồi tiến hành lưu tọa

độ, trong lập trình đường dẫn liên tục, người lập trình sử dụng các thiết bị như

bộ lập trình trên thiết bị mô phỏng, lập trình bằng bàn phím để kiểm soát vị trí của tay máy Như vậy đối với tay máy điều khiển theo đường dẫn liên tục, các điểm nhận được trong quá trình huấn luyện trên một đường dịch chuyển được đưa vào bộ nhớ, sau đó chúng sẽ được đưa ra tuần tự bởi bộ điều khiển cho các trục của tay máy thực hiện chương trình

•Đường dẫn điều khiển: là hệ thống điều khiển theo điểm được trang bị thêm khả năng kiểm soát vị trí của bộ phận công tác, kể cả các điểm trung gian khi tay gắp dịch chuyển giữa các điểm lập trình Các lệnh điều khiển giúp bộ điều khiển tính toán 1 loạt các điểm tạm thời hoặc trung gian giữa vị trí hiện tại với vị trí phải dịch chuyển đến Các vị trí trung gian được cấp tuần tự cho bộ điều khiển servo của từng trục nhờ khối nội suy trong bộ điều khiển Kết quả giữa 2 điểm lập trình là đường dẫn thẳng, điều này không phụ thuộc quá nhiều vào sự khéo léo

của người lập trình, đây cũng là 1 lợi điểm của tay máy có đường dẫn điều khiển.

Hình 2.4: đường dẫn điều khiển

Với yêu cầu tay máy hoạt động có chu kì, mỗi trục có hai điểm cài đặt, điều khiển không có phản hồi, dùng các công tắc cùng các cử chặn hành trình nên bộ điều khiển em thiết kế sẽ dùng đường dẫn từng đoạn để hướng tay gắp đi qua các điểm lập trình trong quỹ đạo tay máy

5 Tay gắp:

Khi tay máy làm việc, tay gắp sẽ thực hiện các động tác kẹp, di chuyển và thả sản phẩm ra một vị trí nào đó Theo chương trình được lập từ trước, bộ điều khiển sẽ cung cấp tín hiệu tác động vào các nguồn dẫn động để tạo ra các tác động kẹp - nhả

Tay gắp thường kẹp: sẽ mở ra khi nguồn dẫn động tác động và phục hồi nhờ lò xo khi ngắt nguồn

Tay gắp thường mở: sẽ kẹp giữ sản phẩm khi nguồn dẫn động tác động và tự phục hồi nhờ lò xo khi ngắt nguồn

Tay gắp có nguồn dẫn động tác động hai chiều: mở ra và kẹp lại chỉ khi có tín hiệu tác động, với trương hợp này, tay gắp phải có khả năng giữ được chi tiết khi mất nguồn năng lượng

Phân loại tay gắp:

Tay gắp dùng động cơ điện,

Tay gắp sử dụng khí nén,

Tay gắp sử dụng thủy lực,

Tay gắp sử dụng chân không,

Tay gắp sử dụng nam châm

Tay máy thiết kế trong đề tài này sử dụng nguồn dẫn động khí nén nên em sẽ sử dụng tay gắp dùng khí nén để chủ động trong việc cấp nguồn và đơn giản hóa hệ thống (không cần cấp thêm nguồn mới)

6 Cách bố trí tay máy trên máy ép nhựa:

Có hai cách bố trí tay máy trên máy ép nhựa như sau: hoặc tay máy nằm hai bên hoặc nằm phía trên máy ép nhựa

Đối với tay máy được bố trí 2 bên máy ép nhựa sẽ chiếm thêm diện tích mặt bằng nên em sẽ bố trí tay máy phía trên

Hình 2.5: cách bố trí tay máy trên máy ép nhựa

Các yêu cầu chung về tay máy: tay máy thiết kế đảm bảo các yêu cầu sau:

Nhiệm vụ của tay máy: đưa sản phẩm từ khuôn động ra khỏi khu vực khuôn và máy

ép nhựa

Yêu cầu về điều khiển: đảm bảo việc lặp lại quá trình chính xác, liên tục, độ lặp lại

vị trí < 0.1 mm (kẹp được sản phẩm), các tín hiệu điều khiển liên kết an toàn và tin cậy với máy ép nhựa (các tín hiệu đóng, mở khuôn)

Yêu cầu về thời gian: đảm bảo việc sản xuất được liên tục, nhanh chóng, hạn chế phế phẩm, thời gian sản xuất 1 sản phẩm tùy thuộc chủng loại nhưng thời gian lấy sản phẩm ra khỏi khuôn luôn cố định và phải đảm bảo nhanh nhất có thể

Về cấu tạo và giá thành: với kết cấu có sẵn, yêu cầu đặt ra là tính toán cơ khí, mô phỏng hoạt động, thiết kế lại bộ điều khiển lập trình bằng PLC, đồng thời tiến hành thực nghiệm trên mô hình để kiểm tra giải thuật điều khiển Thực hiện mô hình với chi phí tiết kiệm, giá thành hạ, sau khi hoàn thành có khả năng áp dụng vào sản xuất

Các chương tiếp theo sẽ lần lượt giải quyết các nhiệm vụ sau:

•Tính toán, thiết kế tay máy,

•Mô phỏng không gian làm việc,

•Xây dựng giải thuật, viết chương trình điều khiển,

•Thực nghiệm trên mô hình.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ TAY MÁY

Các thông số của tay máy được thiết kế dựa vào sản phẩm của công ty HARMO, Nhật series EX-III

1 Các bài toán động học tay máy:

Hình 3.1: sơ đồ động tay máy

Bảng 3.1: bảng thông số DH của tay máy:

Khâu θi αi ai di

Ma trận chuyển đổi từ hệ i về hệ i-1 như sau:

i-1Ai=[Ci -SiCi SiSi aiCi Si CiCi -CiSi aiSi 0 Si Ci di 0 0 0 1 ]Trong đó:

Cθi=cosθi, Cαi=cosαi Sθi=sinθi,Sαi=sinαi

Từ đó ta tính được:

•Ma trận chuyển đổi từ hệ 1 về hệ 0:

0A1=[C1 -S1 0 0 S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ]

•Ma trận chuyển đổi từ hệ 2 về hệ 1:

1A2=[1 0 0 0 0 0 -1 0 0 1 0 d2 0 0 0 1 ]

•Ma trận chuyển đổi từ hệ 3 về hệ 2:

2A3=[1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1 ]

•Vậy ma trận chuyển đổi từ hệ 3 về hệ 0 là:

0T3= 0A3= 0A1 1A2 2A3=[C1 -S1 0 0 S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ][1 0 0 0 0 0 -1 0 0 1 0 d2 0

0 0 1 ][1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1 ]=[C1 -S1 0 0 S1 C1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 ][1 0 0 0 0 0 -1

-d3 0 1 0 d2 0 0 0 1 ]=[C1 0 S1 d3S1 S1 0 -C1 -d3C1 0 1 0 d2 0 0 0 1 ]

1 Bài toán động học (vị trí) tay máy:

•Bài toán thuận:

ATB-1=[ ARBT⋮- ARBT Aq⋯⋮⋯0 0 0 ⋮1 ]

zE 0 0 0 1 ]=[1 0 0 xE.C1+yE.S1 0 1 0 zE-d2 0 0 1 xE.S1-yE.C1 0 0 0 1 ]

Vì 1A2-1 1A3= 2A3, đồng nhất hóa 2 vế ta được:

[1 0 0 xE.C1+yE.S1 0 1 0 zE-d2 0 0 1 xE.S1-yE.C1 0 0 0 1 ]=[1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 d3 0 0 0 1 ]

⇒{xE.C1+yE.S1=0 (1) zE-d2=0 (2) xE.S1-yE.C1 =d3(3)

Từ (2), suy ra: d2=zE

Bình phương 2 phương trình (1) và (3), sau đó cộng vế theo vế ta được:

{θ1=Atan2(sinθ1, cosθ1) d2=zE d3=±(xE2+yE2)

2 Bài toán động học (vận tốc) tay máy:

•Bài toán thuận: biết 0q=[θ1 d2 d3 ] tìm 0v3=[vx vy vz ]

Tọa độ điểm E trong hệ 0 được xác định như sau:

0pE= 0T3 3pE=[C1 0 S1 d3S1 S1 0 -C1 -d3C1 0 1 0 d2 0 0 0 1 ][0 0 0 1 ]=[d3S1 -d3C1 d2

1 ]Vậy

0pE=[xE yE ZE ]=[d3S1 -d3C1 d2 ]Vec tơ biến khớp:

F=[fx fy fz ]

Ta có:

τ=JT.F 0JA=[d3C1 0 S1 d3S1 0 -C1 0 1 0 ]

⇒ τ=[d3C1 d3S1 0 0 0 1 S1 -C1 0 ][fx fy fz ]=[d3C1fx+d3S1fy fz S1fx-C1fy ]

Sau đây là các thông số cơ bản của máy ép nhựa với lực ép 180 tấn, em chỉ quan tâm đến kích thước khu vực khuôn mà không quan tâm đến kích thước khác của máy

Hình 3.2: khu vực khuôn ép cùng cách bố trí tay máy

Ta có bài toán động học ngược vị trí:

{θ1=Atan2(sinθ1, cosθ1) d2=zE d3=±(xE2+yE2) Theo như hình trên, ta thấy khoảng mở khuôn lớn nhất là 180mm, chiều cao tấm động và tĩnh là 600mm, như vậy tay máy thiết kế phải có các kích thước như sau:

•Khớp tịnh tiến 2 thõa điều kiện d2 > 250mm,

số sau:

•Biến khớp d2 có giá trị từ 50 đến 390 mm, đối với những loại khuôn, máy ép khác nhau ta sẽ điều chỉnh khoảng cách này phù hợp, bằng cách thay đổi vị trí của xylanh điều khiển bậc tự do này trên các thanh cố định Dù ở vị trí nào đi nữa, khoảng điều khiển thực tế của biến khớp này không quá lớn Như phân tích

chương trước, khớp tịnh tiến thứ 2 giữ nhiệm vụ lấy sản phẩm ra khỏi khuôn, kích thước tối đa điều khiển minh họa như hình sau:

Hình 3.3: kích thước điều khiển biến khớp d 2

Như vậy, ta sẽ sử dụng xylanh có hành trình pittông là 75mm

•Biến khớp d3 có khoảng điều khiển là 300mm, khoảng cách này có thể thay đổi để phù hợp với các loại máy ép nhựa nhỏ hơn Ta sẽ sử dụng xylanh có hành trình pittông là 550mm

Hình 3.4: kích thước điều khiển biến khớp d 3

•Khớp thứ nhất sẽ thực hiện chuyển động quay để đưa sản phẩm ra khỏi máy ép nhựa, góc quay này có giá trị là 50O, được minh họa như hình bên dưới:

Hình 3.5: góc quay khớp một

Như vậy tay máy thiết kế có các thông số điều khiển như sau:

•θ1=50O

•d2=75mm và d3=300mm

Các thông số minh họa như hình vẽ sau:

Hình 3.6: các thông số điều khiển

Từ các thông số trên, ta sẽ tiến hành tính toán các chi tiết của tay máy

2 Tính toán tay máy:

Tay máy phục vụ máy ép nhựa dưới 180 tấn, có cấu tao R-T-T, với các khâu có kích thước như sau:

Khâu 0: cố định vào máy ép nhựa, trên tấm tĩnh của máy, chiều cao là 500mm,Khâu 1: chuyển động quay, góc quay 50O ≤  ≤ 90O,

Khâu 2: chuyển động tịnh tiến, khoảng dịch chuyển thay đổi từ 50mm đến 360mm,Khâu 3: chuyển động tịnh tiến, khoảng dịch chuyển 550mm, khâu 3 gắn với tay gắp sản phẩm

Máy ép nhựa 180 tấn có khả năng sản xuất sản phẩm nặng 0.5kg, ta sẽ tính toán từ tay gắp về khâu 0

Từ bài toán lực của tay máy ta có:

τ=[d3C1 d3S1 0 0 0 1 S1 -C1 0 ][fx fy fz ]=[d3C1fx+d3S1fy fz S1fx-C1fy ]là moment tác động tại các khớp

Với F=[fx fy fz ]=[0 Q 0 ] là lực tác động lên đầu kẹp, ở đây chỉ có trọng lượng Q của sản phẩm Như đã phân tích, máy ép nhựa dưới 180 tấn có khả năng sản xuất sản phẩm khối lượng tối đa là 0.5 kg Vậy Q = m.g = 4.9 N Ta tính được moment tại các khớp như sau:

τ=[d3C1fx+d3S1fy fz S1fx-C1fy ]=[3.228 0 3.15 ]Vậy khớp 1 chịu tác dụng moment xoắn là 3.228 Nm, khớp 3 chịu tác dụng lực 3.2

N (các lực, moment này chưa kể trọng lượng bản thân tay máy)

số 2 trở về vị trí ban đầu và tay gắp nhả sản phẩm Hai phần của đầu kẹp trở về vị trí ban đầu nhờ lò xo số 6.

Kích thước tiết diện của xylanh như hình 3.8:

Hình 3.8: tiết diện xylanh kẹp

Lực kẹp được tính toán như sau:

độ cứng lò xo, khoảng dịch chuyển của xylanh là 15mm)

Từ đó ta tính được lực kẹp sản phẩm như sau:

Hình 3.10: sơ đồ tính lực kẹp

Lực Fk là lực tác động vào chi tiết (chỉ xuất hiện khi có chi tiết, đây là lực ma sát),

Flx là lực lò xo giữ 2 phần đầu kẹp ở trạng thái mở khi xy lanh hết tác dụng, lò xo có độ cứng 1kN/m, khoảng cách bị nén là 10mm

Vì F k > F ms nên tay máy có thể kẹp được chi tiết có khối lượng 0.5kg

2 Kiểm nghiệm độ bền trục quay khớp 1:

Trục quay khớp 1 chịu tác dụng moment xoắn 3.228 Nm, ngoài ra còn chịu tác dụng của trọng lượng các thành phần khác của tay máy Tổng khối lượng các thành phần này là 10kg Em sẽ tiến hành phân tích lực tác động lên trục quay cũng như kiểm tra độ bền của chi tiết

Hình 3.11: biểu đồ nội lực trục quay khớp 1 Trục quay khớp 1 có chiều dài 190mm, khoảng cách giữa các gối đỡ như hình 3.11.

Trong mặt phẳng Oyz, ta có phương trình cân bằng moment tại A:

Vì tại A không có lực dọc trục nên ứng suất pháp tại tiết diện này thay đổi theo chu

kì đối xứng với biên độ: σ a = σ F = M A /W

W là moment cản uốn được tính bởi công thức: W= 0.1d3=1562.5 mm3

Do đó σ a = σ F =M A /W = 3.14 MPa; σ m = 0

Ứng suất xoắn: τ = T/W O = T/ (0.2d 3 )=1.03 MPa (W O là moment cản xoắn)

Do trục quay 2 chiều nên ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì đối xứng:

Hệ số an toàn: s=sσsτ(sσ2+sτ2)=36.8, hệ số an toàn này khá lớn do em chưa xét tác

dụng của lực do khí nén gây ra trong quá trình chuyển động của tay máy Lực này cũng

sẽ tạo moment xoắn tác dụng lên trục quay, tuy nhiên lực này thay đổi trong quá trình chuyển động cả về chiều và độ lớn Do hệ số an toàn rất lớn, với áp suất làm việc không quá 0.5 MPa thì trục quay vẫn đảm bảo điệu kiện bền mỏi

Sau đây là một số hình ảnh tay máy 3D:

Hình 3.12: tay máy trong không gian (1)

Hình 3.13: tay máy trong không gian (2) Các chương tiếp theo sẽ lần lượt giải quyết các nhiệm vụ sau:

•Mô phỏng không gian làm việc,

•Xây dựng giải thuật, viết chương trình điều khiển,

•Thực nghiệm trên mô hình

Hình 4.1: Tay máy trong Inventor

Vào Add-Ins → Export, Inventor sẽ tạo file xml cùng các file stl dùng cho việc xây dựng

mô hình simulink phục vụ mô phỏng

•Bước 2: tạo mô hình mô phỏng Simulink từ file xml

Trong cửa sổ current folder của matlab, chọn thư mục chứa file xml và các file stl

đã tạo ở bước 1, trong cửa sổ command window gõ dòng lệnh “mech_import ('27_11_3.xml')”, với “27_11_3” là tên file xml đã lưu ở bước 1 Matlab sẽ tạo ra mô

hình Simulink như hình 4.2:

Hình 4.2: mô hình Simulink do Matlab tạo ra từ mô hình Inventor

Xác định vị trí ban đầu của tay máy bằng cách điều chỉnh hệ tọa độ các khối Body trên mô hình Simulink Double Click vào khối body, hộp thoại sau sẽ xuất hiện:

Hình 4.3: thông số khối Body

Chọn tab position để thay đổi vị trí các gốc tọa độ, khi xây dựng mô hình, Simulink

tự động gán ba hệ tọa độ lên mỗi khâu, ứng với trọng tâm của khâu, vị trí các khớp liên kết với các khâu khác Ta có thể tùy chọn hiện, ẩn hoặc đặt thêm tọa độ vào các khâu bằng cách đánh dấu vào tab Show Port Để điều chỉnh hướng các hệ tọa độ, ta chọn trong tab Orientation

Ta double click vào các khớp trong mô hình để thay đổi số lượng các sensor hoặc

bộ tác động vào các khớp

Hình 4.4: thông số các khớp

Hình 4.5: thông số khối Actuator

Hình 4.6: thư viện SimMachanics

Ta sử dụng các khối trong thư viện Simulink và SimMachanics để hoàn thiện khối

mô phỏng Mô hình hoàn chỉnh như hình 4.7:

Hình 4.7: mô hình Simulink dùng mô phỏng

2 Mô phỏng:

Tay máy sử dụng nguồn dẫn động khí nén với việc điều khiển hai điểm dừng trên mỗi trục nên giải thuật điều khiển khá đơn giản Vì vậy, em chỉ mô phỏng hoạt động của tay máy bằng cách cấp chuyển động cho các khớp, bao gồm vị trí, vận tốc, gia tốc Tại mỗi thời điểm vị trí các khâu sẽ xác định, do đó điểm tác động cuối cũng xác định, em sẽ đưa khối Body Sensor vào tay gắp và vẽ đồ thị chuyển động của điểm này

Chọn thời gian mô phỏng là inf (infinity – vô hạn), cho mô hình chuyển động sẽ tạo

ra mô hình 3D trên Matlab:

Hình 4.8: mô hình tay máy trên Matlab

3 Kết quả:

Kết quả mô phỏng sẽ là đồ thị không gian hoạt động của tay máy trong các mặt phẳng tọa độ:

Hình 4.9: đồ thị trong mặt phẳng XY