THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH CHO MÁY DẬP CNC

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH CHO MÁY DẬP CNC DESIGN AND MANUFACTURE A CNC CONTROLLER FOR STAMPING MACHINE Tạ Nguyễn Minh Đức, Trần Mai Văn Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM TÓM TẮT Để đạt tính chuyên môn hóa sản xuất sản phẩm dập phải tiến hành tự động hóa khâu sản xuất từ việc thiết kế khí hệ thống điện, điện tử, lập trình, điều khiển thông minh… Do đó, cần thiết phải có hệ thống dây chuyền tự động, xác liên lục Hệ thống dập tự động có khả điều khiển hành trình dập, thay đổi thời gian chu kỳ dập linh hoạt kết hợp với hệ thống cấp phôi tự động đời nhằm đáp ứng yêu cầu Trong phần nghiên cứu này, hệ thống máy dập tự động hoàn thiện hệ thống cấp phôi tự động nhằm phục vụ giảng dạy quảng bá công nghệ đến khách hàng tiềm thực Đầu tiên, nguyên lý hoạt động toàn hệ thống thiết kế Tiếp theo, trình mô động học kết nối toàn hệ thống thực Ba module gồm module truyền động cho máy dập, hệ thống cấp phôi tự động hệ thống xả cuộn thi công Cuối tòan hệ thống lắp ráp thử nghiệm Sản phẩm dập thử cho kết xác Toàn hệ thống hoạt động ổn định tin cậy mong đợi Tuy nhiên, hệ thống cồng kềnh Do cần có cải tiến việc thiết kế để tạo kiểu dáng nhỏ gọn Từ khóa: CNC controller, stamping machine, automatic system ABSTRACT Automation in manufacturing from designing machanisms to electrical system, programming must be done to increase the capacity of stamping system Therefore, it’s necessary to get an automatic system which is accuracy and progressive An automatic stamping system which can be programmed to change stroke, time and stamping cycle combining with an automatic feeding can fully response these requirements In this research, an automatic stamping system with the automatic feeding were done Firstly, operating procedure was designed Then, dynamic and acquisition simulation were done Three modules including driven module, feeding system and feeder were manufactured Finally, fully system was assembled and experimented The experimented products were calibrated and the accuracy was very great This system operated stabilitily and highly trusted However, the dimension of fully system is too large So, an innovation in redesign the system need to be required Keywords: CNC controller, stamping machine, automatic system Tổng quan 1.1 Hệ thống tự động công nghiệp Trong công nghiệp yêu cầu tự động hóa ngày tăng Từ máy công tác dây chuyền sản xuất đòi hỏi cần hệ thống điều khiển điều khiển vận hành cho dây chuyền làm việc Điểm bật hệ thống điều khiển khả đáp ứng cao với điều kiện làm việc, để đạt điều phải có não để xử lí việc tạo nên trung tâm xử lí (MCU) Trung tâm điều khiển tạo nên từ nhũng vi xử lí, vi điều khiển, hay PLC,… Hệ thống điều khiển cho máy dập tự động hóa, đạt độ xác cao, khả đáp ứng công nghiệp tốt đòi hỏi phải có trung tâm điều khiển với tốc độ xử lí cao xác, ta thực chương trình nhớ kết hợp với khối xử lí mạch điện tử vi xử lí, vi điều khiển, PLC,… 1.2 Các module hệ thống dập tự động Một hệ thống dập tự động bao gồm: 1.2.1 Khuôn dập - Chức năng: Nhận lực từ máy dập trực tiếp biến dạng kim loại lòng khuôn tạo sản phẩm Hình 1: Khuôn dập 1.2.2 Máy dập - Chức năng: Nâng đỡ khuôn, tạo lực dập cung cấp cho khuôn để khuôn làm việc Hình 2: Máy dập thủy lực 1.2.3 Máy cấp phôi - Chức năng: Nạp phôi vào khuôn dập đặn theo chu trình dập máy (phôi cuộn phôi rời) Có thể hoạt động khí nén điện Hình 3: Máy cấp phôi tự động 1.2.4 Máy xả cuộn – phôi dải liên tục - Chức năng: Giữ cuộn phôi xả phôi cho máy cấp phôi vừa đủ đặn theo chu kỳ Hình 4: Máy xả cuộn Các cấu phục vụ điều khiển – vận hành 2.1 Cơ cấu điều khiển hành trình dập 2.1.1 Bộ đo khoảng cách dùng cảm biến quang cản quang lắp pen thủy lực Hình 5: Bộ đo khoảng cách sử dụng cảm biến quang 2.1.2 Bộ truyền vít me – đai ốc bi Hình 6: Bộ truyền vít me – đai ốc bi - Thông số truyền: Bước trục vít: 10mm/vòng; Đường kính trục vít: 12mm; Chiều dài trục vít: 600mm 2.1.3 Động bước Hình 7: Động bước 2.1.4 Nguyên lý làm việc cấu - Khi có lệnh từ phận điều khiển, động bước quay trục vít me điều chỉnh độ cao cảm biến quang vị trí cần thiết Trong trình dập, cản quang pen thủy lực qua rãnh cảm biến quang, cảm biến quang xuất tín hiệu cho phận điều khiển báo hết hành trình dập 2.2 Cơ cấu định hướng phôi khuôn Hình 8: Cơ cấu định hướng phôi khuôn 2.3 Cơ cấu lấy sản phẩm Hình 9: Cơ cấu lấy sản phẩm Hình 10: Quá trình lấy sản phẩm Hình 11: Thùng chứa sản phẩm rơi 2.4 Cơ cấu kích xả kích dừng xả phôi cuộn 2.4.1 Cơ cấu kích xả phôi cuộn Hình 12: Cơ cấu kích xả phôi cuộn - Hoạt động: Khi máy cấp phôi kéo căng phôi, dải phôi làm gạt bật lên, giải phóng công tắc hành trình (bị tác động trạng thái tự do), gửi tín hiệu mạch điện điều khiển tiến hành quay trục tang nhả phôi 2.4.2 Cơ cấu kích dừng xả phôi cuộn Hình 13: Cơ cấu kích dừng xả phôi cuộn - Hoạt động: Khi tang quay vòng, cản quang lắp trục tang chắn vào khe cảm biến quang, gửi tín hiệu mạch điện điều khiển để dừng tang, tang dừng cản quang vừa khỏi khe cảm biến 3 Các mạch điện tử hệ thống điện điều khiển 3.1 Mạch điều khiển Sơ đồ 1: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển máy dập NC Hình 14: Mạch điều khiển máy dập NC thực tế 3.2 Mạch Driver động bước Sơ đồ 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver động bước Hình 15: Mạch Driver động bước thực tế 3.3 Mạch Driver van thủy lực Sơ đồ 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver van thủy lực Hình 16: Mạch Driver van thủy lực thực tế 3.4 Mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi Sơ đồ 4: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi Hình 17: Mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi thực tế 3.5 Mạch nguồn xung cho Vi điều khiển Hình 18: Mạch nguồn xung cho Vi điều khiển 3.6 Mạch nguồn chỉnh lưu 12V – 24V Hình 19: Mạch nguồn chỉnh lưu 12V – 24V 3.7 Hệ thống điện điều khiển máy dập NC 3.7.1 Bảng điều khiển Sơ đồ 5: Sơ đồ điện bảng điều khiển Máy dập NC Hình 20: Bảng điều khiển Máy dập NC thực tế 3.7.2 Tủ điều khiển Sơ đồ 6: Sơ đồ điện tủ điều khiển Hình 21: Tủ điều khiển thực tế 3.7.3 Tủ công suất Sơ đồ 7: Sơ đồ tủ động lực Hình 20: Tủ động lực thực tế 3.7.4 Điện cấu chấp hành Sơ đồ 8: Sơ đồ điện cấu chấp hành Máy dập NC Quá trình hoạt động hệ thống 4.1 Quá trình hoạt động máy dập NC 4.1.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual cho phép thực thao tác đóng – mở khuôn, dập sản phẩm thông qua điều khiển hoàn toàn tay Có thể sử dụng bàn đạp để giải phóng hay nhằm thuận lợi cho gá phôi to, nặng , nhiên cần cẩn thận - Có khóa: Khóa pen thủy lực, khóa bàn đạp nhằm đảm bảo an toàn 4.1.2 Chế độ Auto (tự động) - Chế độ Auto cho phép cài đặt khoảng hành trình khuôn từ vị trí khuôn đóng đến điểm kết thúc hành trình công tác cách nhập khoảng cách thông qua bàn phím - Sau cài đặt khoảng cách, máy đưa lựa chọn:  Thực dập chu kì (1 – cycle): cần nhập thời gian dừng DT(s) Khi nhấn nút DOWN đạp bàn đạp, máy tiến hành dập đến vị trí cài đặt, sau dừng khoảng thời gian DT tự động mở khuôn  Thực dập nhiều chu kì (N – cycle): cần nhập thời gian dừng DT(s), số chu kì dập N(rounds) thời gian chu kì CT(s) Ở chế độ cần lắp ráp hệ thống cấp phôi tự động, cắm cáp giao tiếp máy dập máy cấp phôi, để máy cấp phôi máy xả cuộn chế độ tự động Khi nhấn nút START, máy tiến hành dập đến vị trí cài đặt, sau dừng khoảng thời gian DT tự động mở khuôn, máy cấp phôi kéo phôi vào đoạn định trước sau máy dập chờ thời gian CT tiến hành dập chu kỳ Thao tác lặp lặp lại đủ N lần nhập 4.2 Quá trình hoạt động máy cấp phôi 4.2.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual máy cấp phôi dùng chủ yếu trình nạp phôi Sau nạp phôi xong, chuyển máy sang chế độ Auto để chuẩn bị cho trình dập tự động nhiều chu kỳ 4.2.2 Chế độ Auto (tự động) - Trong chế độ tự động, tín hiệu bắt đầu chu kỳ kéo phôi truyền Máy dập Qua mạch chuẩn tầng, máy kéo đoạn phôi có chiều dài đặt trước Sau máy cấp phôi gửi tín hiệu hoàn thành cấp phôi cho máy dập để máy tiến hành dập 4.3 Quá trình hoạt động máy xả cuộn 4.3.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual máy xả cuộn dùng chủ yếu trình nạp phôi thu lại phôi thừa Sau xử lý phôi xong, chuyển máy sang chế độ Auto để chuẩn bị cho trình dập tự động nhiều chu kỳ 4.3.2 Chế độ Auto (tự động) - Ở chế độ tự động, máy hoạt động độc lập, ko giao tiếp với máy khác Khi máy cấp phôi kéo căng phôi, phôi làm gạt bật lên, tác động vào công tắc hành trình S làm kích hoạt chu trình xả phôi Khi tang phôi quay vòng, cản quang lắp trục tang chắn vào khe cảm biến xuất tín hiệu dừng động quay tang - Trong suốt trình xả phôi, máy dừng lúc cách nhấn nút STOP Thử nghiệm đánh giá 5.1 Thử nghiệm – đánh giá máy dập NC 5.1.1 Ưu điểm: - Quá trình thử nghiệm thực hạng mục sau: + Chế độ vận hành tay, máy hoạt động ổn định, khả đáp ứng thao tác vận hành người đứng máy tương đối nhanh + Chế độ tự động: khả tương tác tốt, giao diện thân thiện với người dùng, hoạt động độ xác tương đối cao, không bị nhiễu; khả giao tiếp, phối hợp với thiết bị khác hệ thống tự động chặc chẽ 5.1.2 Nhược điểm - Lực dập yếu, chưa đủ lực áp dụng với khuôn cần lực dập 10 trở lên - Không gian gá khuôn hạn chế đáp ứng khuôn có kích thước nhỏ - Hệ điều khiển chưa chống chịu với nguồn gây nhiễu khắc nghiệt hàn hồ quang, máy EDM, v.v 5.1.3 Hướng khắc phục: - Nâng công suất động đường kính pen thủy lực - Cải tiến tăng không gian gá đặt khuôn máy - Sử dụng thiết bị điều khiển khả trình có khả chống nhiễu tốt PLCs 5.2 Thử nghiệm – đánh giá máy cấp phôi 5.2.1 Ưu điểm: - Cơ cấu thay đổi chiều dài đoạn phôi cấp vào đơn giản, hoạt động ổn định, tin cậy - Có cấu nắn thẳng phôi trước cấp vào khuôn - Truyền nhận tín hiệu với máy dập xác, ổn định 5.2.2 Nhược điểm - Tốc độ cấp phôi chưa cao - Chỉ đáp ứng phôi có bề rộng không 70mm bề dày không 2mm 5.2.3 Hướng khắc phục: - Sử dụng xilanh khí nén có tốc độ cao, chịu áp suất cao - Cải tiến, mở rộng cấu định hướng để tăng bề rộng phôi đáp ứng 5.3 Thử nghiệm – đánh giá máy xả cuộn 5.3.1 Ưu điểm: - Hoạt động độc lập, tin cậy, xác, độ ổn định cao, không nhiễu, moment lớn 5.3.2 Nhược điểm - Tốc độ quay chậm, chưa điều khiển tốc độ Chỉ đáp ứng phôi có bề rộng không 300mm tổng khối lượng cuộn phôi không 200kg 5.3.3 Hướng khắc phục: - Sử dụng động có tốc độ lớn - Cải tiến, thay đổi kết cấu, tăng tải trọng trục tang 5.4 Thử nghiệm – đánh giá toàn hệ thống tự động 5.4.1 Ưu điểm: - Tổng hợp ưu điểm thành phần nói chung - Hoạt động linh hoạt, ổn định, xác - Không cần công nhân đứng vận hành sau thiết lập xong thông số đầu vào - Tiết kiệm thời gian, suất cao kiểu cấp phôi truyền thống 5.4.2 Nhược điểm - Năng suất chưa cao hệ thống cấp phôi máy dập bánh đà 5.4.3 Hướng khắc phục: - Cải tiến tăng tốc độ dập, giảm hành trình tự khuôn 5.5 Kết đạt Hình 22: Kết đạt Kết luận Sau thiết kế thi công mạch điện điều khiển, lập trình điều khiển toàn hệ thống máy dập CNC kết rút lại sau:  Tính toán thiết kế hoàn chỉnh thành phần toàn hệ thống điều khiển máy dập CNC  Phân tích trình xảy thực thao tác dập Thi công toàn mạch điện điều khiển  Lập trình hoàn thiện thao tác để điều khiển máy dập  Thực nghiệm đánh giá hoàn tất toàn hệ thống máy dập CNC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Trần Xuân Tùy, ThS Trần Minh Chính, KS Trần Ngọc Hải Giáo trình hệ thống truyền động thủy khí,Trường ĐHBK Đà Nẵng, 2005 [2] Đinh Bá Trụ, Nguyễn Trường An, Máy ép thủy lực, Học viện kỹ thuật quân sự, 2005 [3] PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, Trang bị điện- điện tử trong máy công nghiệp, Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM, 2013 [4] 2012 Nguyễn Đình Phú, Vi điều khiển PIC 16F887, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM, [5] Bộ môn Điện công nghiệp, Giáo trình thuyết bị điều khiển điện, Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM [6] Giáo trình Ngôn ngữ lập trình C, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM [7] Hồ Viết Bình – Trần Thế San, Tự động hóa trình sản xuất Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM [8] John Moton, The PIC Microcontroller - Your Personal Introductory Course, 3rd Ed [9] Milan Verle, Pic Micro controller programming in C [10] Microchip, Pic Micro Mid-Range MCU Family Reference Manual [11] Nigel Gardner, An introdution to programming The Microchip Pic in CCS-C [12] C- Compiler Reference Manual Thông tin liên hệ tác giả (người chịu trách nhiệm viết): Tạ Nguyễn Minh Đức Họ tên: Tạ Nguyễn Minh Đức Đơn vị: Khoa Cơ khí máy, trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Điện thoại: 0908.477.232 Email: minhduc.ckm@gmail.com Chuyên ngành chính: Điện tự động [...]... truyền thống 5.4.2 Nhược điểm - Năng suất chưa cao bằng các hệ thống cấp phôi với các lại máy dập bánh đà 5.4.3 Hướng khắc phục: - Cải tiến tăng tốc độ dập, giảm hành trình tự do trên khuôn 5.5 Kết quả đạt được Hình 22: Kết quả đạt được 6 Kết luận Sau khi thiết kế và thi công mạch điện điều khiển, lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống máy dập CNC các kết quả được rút lại như sau:  Tính toán thiết kế hoàn... Máy dập – Máy cấp phôi Sơ đồ 4: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi Hình 17: Mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi thực tế 3.5 Mạch nguồn xung cho Vi điều khiển Hình 18: Mạch nguồn xung cho Vi điều khiển 3.6 Mạch nguồn chỉnh lưu 12V – 24V Hình 19: Mạch nguồn chỉnh lưu 12V – 24V 3.7 Hệ thống điện điều khiển trên máy dập NC 3.7.1 Bảng điều khiển Sơ đồ 5: Sơ đồ điện bảng điều khiển Máy. .. các thành phần của toàn bộ hệ thống điều khiển máy dập CNC  Phân tích quá trình xảy ra khi thực hiện thao tác dập Thi công toàn bộ các mạch điện điều khiển  Lập trình hoàn thiện các thao tác để điều khiển máy dập  Thực nghiệm đánh giá và hoàn tất toàn bộ hệ thống máy dập CNC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Trần Xuân Tùy, ThS Trần Minh Chính, KS Trần Ngọc Hải Giáo trình hệ thống truyền động thủy khí,Trường... Máy dập NC Hình 20: Bảng điều khiển Máy dập NC thực tế 3.7.2 Tủ điều khiển Sơ đồ 6: Sơ đồ điện tủ điều khiển Hình 21: Tủ điều khiển thực tế 3.7.3 Tủ công suất Sơ đồ 7: Sơ đồ tủ động lực Hình 20: Tủ động lực thực tế 3.7.4 Điện cơ cấu chấp hành Sơ đồ 8: Sơ đồ điện cơ cấu chấp hành Máy dập NC 4 Quá trình hoạt động của hệ thống 4.1 Quá trình hoạt động của máy dập NC 4.1.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế. .. số chu kì dập N(rounds) và thời gian giữa 2 chu kì kế tiếp CT(s) Ở chế độ này cần lắp ráp hệ thống cấp phôi tự động, cắm cáp giao tiếp giữa máy dập và máy cấp phôi, để cả máy cấp phôi và máy xả cuộn ở chế độ tự động Khi nhấn nút START, máy sẽ tiến hành dập đến vị trí đã cài đặt, sau đó dừng khoảng thời gian DT rồi tự động mở khuôn, máy cấp phôi sẽ kéo phôi vào 1 đoạn đã định trước sau đó máy dập sẽ chờ... truyền bởi Máy dập Qua mạch chuẩn 2 tầng, máy sẽ kéo 1 đoạn phôi có chiều dài đặt trước Sau đó máy cấp phôi sẽ gửi tín hiệu hoàn thành cấp phôi về cho máy dập để máy tiến hành dập 4.3 Quá trình hoạt động của máy xả cuộn 4.3.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual trên máy xả cuộn được dùng chủ yếu trong quá trình nạp phôi mới hoặc thu lại phôi thừa Sau khi xử lý phôi xong, chuyển máy sang chế độ Auto... thời gian CT rồi tiến hành dập chu kỳ tiếp theo Thao tác lặp đi lặp lại đủ N lần đã nhập 4.2 Quá trình hoạt động của máy cấp phôi 4.2.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual trên máy cấp phôi được dùng chủ yếu trong quá trình nạp phôi mới Sau khi nạp phôi xong, chuyển máy sang chế độ Auto để chuẩn bị cho quá trình dập tự động nhiều chu kỳ 4.2.2 Chế độ Auto (tự động) - Trong chế độ tự động, tín hiệu... sang chế độ Auto để chuẩn bị cho quá trình dập tự động nhiều chu kỳ 4.3.2 Chế độ Auto (tự động) - Ở chế độ tự động, máy hoạt động độc lập, ko giao tiếp với các máy khác Khi máy cấp phôi kéo căng phôi, phôi sẽ làm thanh gạt bật lên, tác động vào công tắc hành trình S làm kích hoạt chu trình xả phôi Khi tang cuốn phôi quay 1 vòng, thanh cản quang lắp trên trục tang sẽ chắn vào khe trên cảm biến xuất tín... lực - Cải tiến tăng không gian gá đặt khuôn trên máy - Sử dụng các thiết bị điều khiển khả trình có khả năng chống nhiễu tốt như PLCs 5.2 Thử nghiệm – đánh giá máy cấp phôi 5.2.1 Ưu điểm: - Cơ cấu thay đổi chiều dài đoạn phôi cấp vào đơn giản, hoạt động ổn định, tin cậy - Có cơ cấu nắn thẳng phôi trước khi cấp vào khuôn - Truyền và nhận tín hiệu với máy dập chính xác, ổn định 5.2.2 Nhược điểm - Tốc độ... Manual cho phép thực hiện các thao tác đóng – mở khuôn, dập sản phẩm thông qua điều khiển hoàn toàn bằng tay Có thể sử dụng bàn đạp để giải phóng cả 2 hay nhằm thuận lợi cho gá phôi to, nặng , tuy nhiên cần hết sức cẩn thận - Có 2 khóa: Khóa pen thủy lực, khóa bàn đạp nhằm đảm bảo an toàn 4.1.2 Chế độ Auto (tự động) - Chế độ Auto cho phép cài đặt khoảng hành trình khuôn từ vị trí khuôn đóng đến điểm kết