Nghiên cứu xây dựng mô hình dây chuyền tự động cấp phôi và gia công ren

i MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong sản xuất đại, việc thành lập hệ thống sản xuất linh hoạt đóng vai trò quan trọng Tự động hoá trình sản xuất ngày ứng dụng rộng rãi Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) tự động hóa mức độ cao sản xuất Hiện nước ta nghiên cứu FMS bắt đầu Tài liệu lĩnh vực Các mô hình hệ thống FMS trang bị số trường đại học cao đẳng nước Song song với việc tiếp xúc thiết bị đại việc cần có tài liệu giảng dạy học tập học viên Đáp ứng nhu cầu, nắm bắt, tiếp cận nhanh với hệ thống tự động hóa sản xuất đại, tiên tiến thực tế để nâng cao chất lượng đào tạo nguồn nhân lực tự động hoá Bản thân Giáo viên giảng dạy lĩnh vực điện tự động hóa nhận thấy nhu cầu cần thiết, tác giả lựa chọn đề tài :“Nghiên cứu xây dựng mô hình dây chuyền tự động cấp phôi gia công ren ” Đây vấn đề nghiên cứu giải trong luận văn Mục đích nghiên cứu đề tài Nghiên cứu xây dựng mô hình dây chuyền tự động cấp phôi gia công ren để sử dụng việc giảng dạy, học tập áp dụng cho môn học điều khiển PLC, mạng truyền thông công nghiệp, tự động hóa sản xuất v.v, trường đào tạo nghề nói riêng trường kỹ thuật nói chung Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu đề tài: :“Nghiên cứu xây dựng mô hình dây chuyền tự động cấp phôi gia công ren ” phục vụ cho công tác giảng dạy, nghiên cứu khoa học trường Cao đẳng Cộng đồng Hải Phòng Phạm vi nghiên cứu đề tài: Đề tài nghiên cứu, tìm hiểu trang thiết bị, nguyên lý hoạt động hệ thống phân loại phôi gia công tạo ren Sử dụng phần mềm Simatic S7-300 vẽ lưu đồ thuật toán viết chương trình điều khiển điều khiển PLC S7 - 300 xây dựng giao diện điều khiển giám sát máy tính Nghiên cứu, thu thập tài liệu có liên quan hệ thống sản xuất linh hoạt Tìm hiểu trang thiết bị phần tử điều khiển, cấu chấp hành, hệ truyền động điện nguyên lý hoạt động hai công đoạn tay gắp gia công sản phẩm Xây dựng chương trình điều khiển liên kết hoạt động trao đổi liệu hai PLC trình gắp gia công sản phẩm Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Là sở hoàn thiện kiến thức tự động hóa công đoạn tự động hóa dây truyền sản xuất Thực tiễn: Đề tài sử dụng vào việc dạy học cho lý thuyết thực hành, đặc biệt phù hợp với giáo án tích hợp việc đào tạo nghề Kết nghiên cứu đề tài hoàn toàn áp dụng vào thực tế trường nghề nhằm nâng cao chất lượng đào tạo áp dụng nhà máy đại vừa nhỏ CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN CẤP PHÔI VÀ GIA CÔNG TẠO LỖ REN TRONG HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HOẠT FMS 1.1.Giới thiệu chung hệ thống sản xuất linh hoạt 1.1.1 Khái niệm Hệ thống FMS (Flexible Manufacturing System) kết nối hệ thống tự động riêng lẻ thành hệ thống với trợ giúp mạng máy tính nội cho phép tăng suất lao động nhà thiết kế, nhà công nghệ nhà tổ chức sản xuất nâng cao suất chất lượng sản phẩm Các hệ thống sản xuất gọi hệ thống sản xuất tích hợp có trợ giúp máy tính Đặc điểm FMS: khả điều chỉnh nhanh thiết bị chương trình điều khiển để chế tạo sản phẩm Như vậy, thích hợp không cho sản xuất hàng khối, hàng loại lớn mà cho sản xuất hàng loại vừa hàng loại nhỏ, chí sản xuất đơn Hệ thống sản xuất linh hoạt nói chung gồm phần sau: - Thiết bị xử lý trung tâm gia công, trạm lắp ráp robot - Thiết bị vận chuyển nguyên vật liệu ví dụ robot , băng truyền, - Một hệ thống truyền thông - Một hệ thống điều khiển máy tính Trong sản xuất linh hoạt, máy gia công tự động như: máy tiện, phay, khoan hệ thống vận chuyển nguyên liệu tự động giao tiếp với thông qua mạng máy tính Hệ thống sản xuất linh hoạt có ưu điểm sau: - Linh hoạt việc xây dựng tích hợp hệ thống sản xuất - Sản xuất đồng thời nhiều loại sản phẩm khác - Giảm thời gian thiết lập thời gian chờ đợi sản xuất - Sử dụng thiết bị máy móc hiệu - Giảm chi phí sản xuất cho nhân công lao động - Có khả xử lý nhiều loại nguyên liệu khác - Khi máy bị cố máy khác tiếp tục làm việc 1.1.2.Giới thiệu hệ thống sản xuất linh hoạt MPS 500 Hệ MPS 500 minh họa lý tưởng cho tự động hóa tổng thể phức tạp hệ thống (hình 1.1) Bao gồm: - Dẫn động khí nén - Dẫn động điện - Cảm biến - PLC - Băng chuyền - Mạng truyền thông công nghiệp Hình 1.1: Mô hình hệ thống MPS-500 S Phân loại H Tay gắp L Kho chứa M Lắp ráp R Robot Băng chuyền P Kiểm tra V Cấp phôi H Tay gắp B Gia công Q Giám sát Hình 1.2: Sơ đồ khối hệ thống MPS- 500 Hệ MPS 500 có cấu trúc liên kết theo công nghệ điều khiển phân tán Hệ thống gồm 11 trạm bố trí sơ đồ hình 1.2 Mỗi trạm có điều khiển riêng thích hợp với nhu cầu cần thiết riêng Có nghĩa trạm vận hành một phần hệ thống Các trạm MPS nối trạm với trạm khác với băng truyền cáp Lab (hình 1.3) Điều làm cho hệ truyền thông nhìn thấy dễ vận hành Hình 1.3: Tín hiệu kết nối trạm dùng cáp Ngoài hệ thống có cấu trúc liên kết truyền thông mức: - Truyền thông mức với I/O AS-I - Truyền thông mức với mạng Fieldbus/Ethernet công nghiệp - Hệ thống điều khiển, giám sát thông qua mạng Fieldbus/Ethernet - Xây dựng mạng theo yêu cầu riêng điều khiển hệ thống Cấu trúc liên kết truyền thông hệ thống MPS-500 thể hình 1.4 Hình 1.4: Cấu trúc liên kết truyền thông hệ MPS 500 Hệ MPS 500 bao gồm trình: Nhập hàng hóa: - Trạm Cung cấp - Trạm Kiểm tra Quá trình vận chuyển hàng hóa - Hệ thống băng chuyền Công đoạn gắp gia công - Trạm Tay gắp - Trạm Gia công Kiểm tra chất lượng - Trạm Camera Lắp ráp robot bậc tự - Trạm Robot - Trạm Lắp ráp Kho hàng AS/RS20 - Trạm Xuất nhập tự động Xuất hàng hóa - Trạm Tay gắp - Trạm Phân loại Tùy theo phạm vi phức tạp sản xuất mà hệ MPS 500 cung cấp theo cấu hình tương ứng 1.2 Tổng quan công đoạn cấp phôi gia công ren Công đoạn gắp gia công sản phẩm bao gồm hai trạm máy: trạm tay gắp (Handling station) trạm gia công (Processing station) bố trí hình 1.5 Hình 1.5: Mô hình công đoạn cấp phôi gia công lỗ ren Mỗi trạm điều khiển điều khiển lập trình PLC S7-300 thực nhiệm vụ riêng, thực yêu cầu riêng trình sản xuất 1.2.1.Chức nhiệm vụ Chức nhiệm vụ trạm thực hình 1.6 hình 1.7 Công đoạn Tay gắp: Phôi giá đỡ phôi Xylanh vận chuyển phôi Xylanh gắp phôi Trạm Gia công Máng chứa phôi Bộ điều khiển Hình 1.6: Sơ đồ khối công đoạn Tay gắp Phôi trạm Tay gắp Bàn quay phân độ Kiểm tra phôi Gia công khoan Trạm Tay gắp Bộ điều khiển Hình 1.7: Sơ đồ khối công đoạn Gia công Quá trình gắp gia công sản phẩm thực vận chuyển Chi tiết phôi hình trụ tròn có đục lỗ sẵn Chi tiết phôi đưa vào trạm tay gắp vi tri giá đỡ phôi phôi xy lanh gắp lên Sau xy lanh vận chuyển đưa phôi sang vị trí trạm gia công thả phôi xuống modul bàn quay phân độ Sau chi tiết phôi bàn quay đưa sang kiểm tra phôi đặt chiều chưa (phôi có lỗ hướng lên trên) Sau phôi lại tiếp tục đưa doa làm bóng lỗ Kết thúc trình doa làm bóng lỗ chi tiết phôi đưa vị trí xác định sẵn tay gắp lại thực gắp phôi thả vào máng chứa trạm tay gắp Kết thúc chu trình 1.3.Kết luận Mô hình nghiên cứu, mô lại chu trình làm việc dây chuyền sản xuất tự động, mô hình hoạt động cho ta thấy quy trình làm việc khép kíncủa dây chuyền sản xuất đại Hình 3.8: Mô đun PLC S7 - 300 b Nguyên lý hoạt động: - Mô đun có đưa tất tín hiệu vào PLC S7 300 CPU314C 61 3.2 Sơ đồ thuật toán dây chuyền cấp phôi gia công tạo lỗ ren Bắt đấu Nhấn nút Start S Start = Đ Gọi Cấp phôi tự động Gọi CT kẹp phôi Gọi CT thả phôi Gọi CT ĐK đĩa quay đến vị trí taro Nhấn nút Dừng CT Stop S Stop = Hình 3.9: Dây chuyền cấp phôi gia công tạo lỗ ren 62 Trong chương trình kiểm tra nút nhấn Start nút Start nhấn (Start = 1) chương trình gọi chương trình kẹp phôi, gọi chương trình thả phôi, gọi chương trình điều khiển đĩa quay đến vị trí ta rô lỗ ren, chương trình kiểm tra nút nhấn Stop không nhấn nút Stôp (Stop = 0) chương trình tiếp tục quay lại gọi chương trình kẹp phôu, chương trình thả phôi chương trình điều khiển quay đến vị trí ta rô lỗ ren Khi nút stop nhấn dừng toàn chương trình quay kiểm tra nút Start để khởi động hệ thống 63 3.2.1.Thuật toán cấp phôi tự động Bắt đầu CB có phôi hộp S cấp phôi CB hộp cấp phôi = Đ ĐK xi lanh đẩy phôi vị trí cấp phôi XL cấp phôi = Đợi 3S Đk xi lanh đẩy phôi thu tay Đợi 3S Kết thúc Hình 3.10: Mô hình thuật toán cấp phôi tự động 64 Trong chương trình cấp phôi tự động: chương trình kiểm tra họp chứa phôi có phôi không, hộp cấp phôi phôi (CB hộp cấp phôi 0) chương trình thoát khỏi chương trình cấp phôi tự động, hộp cấp phôi có phôi (CB hộp cấơ phôi = 1) chương trình điều khiển xy lanh đẩy phôi vị trí cấp phôi (XL cấp phôi = 1), đội giây để xy lanh cấp phôi hết có chương trình tiếp tục điều khiển xy lanh đẩy phôi đội giây để xy lanh đẩy phôi thu hết cỡ kết thúc chương trình cấp phôi tự động 65 3.2.2.Sơ đồ thuật toán kẹp phôi Bắt đầu Đ CB kẹp phôi = S S CB có phôi = Đ ĐK tay gấp vị trí phôi XL tay = ĐK XL quay vị trí thả phôi XL Quang = CB XL tay S hết cỡ = Đ Kẹp phôi XL kep = Đợi 3S Hình 3.11: Mô hình thuật toán kẹp phôi 66 Kết thúc Trong chương trình kẹp phôi trước tiên phải kiểm tra cảm biến có kẹp phối kẹp không, tay gắp kẹp phôi (CB kẹp phôi = 1) thoát khỏi chương trình kẹp phôi, tay kẹp phôi (CB kịp phôi = 0) chương trình kiểm tra cảm biến có phôi vị trí đặt phôi, vị trí đặt phôi phôi (CB có phôi = 0) chương trình kiểm tra vị trí có phôi (CB có phôi = 1) có phôi điều khiển chương trình đưa tay kẹp vị trí phôi (XL tay = 1) cảm biến xy lanh tay kẹp đưa hết cỡ (CBXL tay hết cỡ = 1) chương trình điều khiển xi lanh kẹp phôi (XL kẹp = 1) đợi giây để xy lanh kẹp phôi hết cỡ, sau điều khiển xy lanh quay vị trí thả phôi (XL quay = 1) kết thúc chương trình kẹp phôi 67 3.2.3 Thuật toán nhả phôi Bắt đầu S CB dung kẹp phôi = Đ CBXL quang vị trí nhả phôi = Đ S Đĩa quay dừng ĐC đĩa =0 S Vị trí S thả phôi đĩa quay phôi VT phôi QĐ=0 Đưa XL lây VT thủ phô XL lấy = Đợi 3S ĐK xi lanh kẹp nhả phôi XL kẹp = Đợi 3S Đợi 3S ĐK xi lanh tay thu XL tay = Kết thúc Đợi 3S ĐK xi lanh quay vị trí kẹp phôi XL quay = Hình 3.12: Mô hình thuật toán nhả phôi 68 Trong chương trình nhả phôi trước tiên kiểm tra CB kẹp phôi, CB kẹp phôi = (không có phôi tay kẹp) thoát khỏi chương trình nhả phôi, ngược lại CB kẹp phôi = (đang có phôi tay kẹp), chương trình kiểm tra CBXL quay vị trí nhả phôi, CBXL quay vị trí nhả phôi = (XL chưa quay đến vị trí nhả phôi) chương trình đợi CB quay vị trí nhả phôi = (XL quay vị trí nhả phôi), chương trình tiếp tục kiểm tra phôi đĩa quay, vị trí nhả phôi đĩa quay phôi (VT phôi đg = 0) chương trình điều khiển đưa xi lanh tay vị trí thả phôi (XL tay = 0), đợi giây để XL tay đưa hết cỡ, chương trình tiếp tục điều khiển XL kẹp phôi, đợi giây để XL kẹp nhả phôi chương trình điều khiển XL tay thu (XL tay = 0), đợi giây để XL tay thu hết cỡ, chương trình tiếp tục điều khiển XL quay vị trí kẹp phôi (XL quay = 0) đợi giây để XL quay vị trí kẹp phôi hết cỡ kết thúc chương trình kẹp phôi 69 3.2.4 Thuật toán điều khiển đĩa quay đến vị trí gia công lỗ ren Bắt đầu S CB có phôi đĩa quay CB phôi Đ QĐ = ĐK đĩa quay quay góc 30 độ ĐC đĩa quay = CB có phôi S vị trí taroren CB phôi taroren =1 Đ ĐK XL tarô xuống ĐK động taroo ren quay thuận XL Tarô = 1; ĐC tarô quay = CB XL tarô xuống hết cỡ S Đợi 3S CĐXL taro = Đ ĐK XL taro lên ĐK động taro quay ngược XL taro = 0; ĐC taro = Kết Thúc Kết thúc Hình 3.13 Mô hình Thuật toán điều khiển đĩa quay đến vị trí gia công lỗ ren 70 Hình 3.14: Giao diện trạm gia công Trong chương trình đĩa quay đến vị trí gia công lỗ ren trước tiên chương trình kiểm tra CB có phôi đĩa quay phôi đĩa quay (CB phôi ĐQ = 0) thoát khỏi chương trình điều khiển đĩa quay, đĩa quay có phôi (CB phôi ĐQ = 1) chương trình điều khiển đĩa quay quay góc 300 (ĐC đĩa quay = 1), chương trình kiểm tra vị trí gia công lỗ gen có phôi không, vị trí gia công lỗ ren phôi chương trình quay điều khiển đĩa quay quay thêm góc 30 vị trí tạo lỗ ren có phôi (CB phôi tạo lỗ 71 ren = 1) chương trình điều khiển XL ta rô xuống đồng thời bật động tarô ren quay thuận (XL tarô = 1) (ĐC ta rô = 1) Chương trình kiểm tra xy lanh tarô xuống hết cỡ (CBXL ta rô = 1) Chương trình điều khiển xy lanh ta rô lên đồng thời điều khiển động ta rô quay ngược (XL ta rô = 0), (ĐC ta rô = 0) kết thúc chương trình đĩa quay 3.3 Kết luận kiến nghị 3.3.1 Kết luận Đã chế tạo thành công mô hình tự động cấp phôi gia công ren, ứng dụng khả lập trình PLC S7 – 300 để điều khiển Vận hành điều khiển dây chuyền cấp phôi gia công ren, thiết bị hoạt động thuật toán điều khiển thiết kế hoạt động ổn định Trong giải tốt vấn đề, thiết kế thi công hệ thống điều khiển khí nén, kết nối với PLC Thiết kế thi công giao diện giao tiếp với máy tính đẹp, dễ sử dụng, theo dõi kiểm tra giá trị báo lỗi, đếm số sản phẩm taro Thông qua hệ thống dây chuyền cấp phôi gia công tạo lỗ ren tự động điều khiển PLC S7 – 300 phục vụ cho công tác giảng dạy nghiên cứu khoa học trường Cao đẳng Cộng đồng Hải Phòng, giúp cho sinh viên nắm bắt cách thiết kế, chế tạo, cách cài đặt, cách khai báo biến, cách lập trình PLC cách khai báo biến lập trình phần mềm, trình điều khiển, giám sát, thu thập lưu trữ liệu Để từ sinh viên trường tiếp cận với thực tế có khả tự thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển,giám sát thiết bị tự động phức tạp : Hệ thống dây chuyền sản xuất nước tinh khiết, hệ thống cấp nước cho khu công nghiệp v.v 3.3.2 Khả ứng dụng đề tài - Có thể ứng dụng kết vào thực tế sản xuất - Làm tài liệu phục vụ cho nghiên cứu học tập cho sinh viên khoa khí khoa điện, điện tử 3.3.3 Kiến nghị đề xuất 72 3.4 Hƣớng phát triển đề tài - Có khả nối mạng với PLC theo mạng chủ tớ ( Master – Sleves) hay mạng ngang cấp - Dùng mạng LAN coi máy chủ ( master ) kết nối với máy tớ ( Sleves ) để điều khiển, giám sát, sửa chữa, xử lý lỗi đường truyền mạng công nghiệp Simatic net ( mạng PPI, mạng MPI, mạng AS-I, mạng Profibus, mạng Ethelet công nghiệp), mạng SCADA Đây đỉnh cao công nghệ điều khiển tự động - Nghiên cứu ứng dụng điều khiển tự động không cho hệ thống cấp phôi gia công tạo lỗ ren, hệ thống điều khiển, giám sát khác nữa, hệ thống sản xuất xi măng, hệ thống đóng nắp chai, điều khiển hệ thống trộn sản phẩm.v.v 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Lê Văn Doanh- Nguyễn Thế công (2002) - Điện tử công suất lý thuyếtthiết kế - ứng dụng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội Lê Văn Doanh (2002)– Các cảm biến KTĐL ĐK, Khoa học Kĩ thuật GS.TS Trần Văn Địch (2006), Tự động hóa sản xuất, NXB Khoa học Kĩ thuật Hà Nội GS.TS Trần Văn Địch (2007), Sản xuất linh hoạt FMS tích hợp CIM, NXB Khoa học Kĩ thuật Hoàng Minh Sơn (2006), Mạng truyền thông công nghiệp, NXB Khoa học kĩ thuật Trần Khánh Hà - Phan Tử Thụ- Nguyễn Văn Sáu (1999) - Máy điện I, II , nhóm tác giả: Vũ Gia Hành (chủ biên), Nhà xuất khoa học kỹ thuật Nguyễn Ngọc Phương (2004)- Hệ thống điều khiển khí nén, tác giả, Nhà xuất giáo dục Bùi Quốc Khánh – Nguyễn Văn Liễn – Nguyễn Thị Hiền (2001)- Truyền động điện nhóm tác giả, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội TS Bựi Quý Lực (2004), Hệ thống điều khiển số công nghiệp, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật 10 Nguyễn Dõan Phước, Phan xuân Minh (1999)- Simatic S7-300- NXB Nông nghiệp 11 Lê Hoài Quốc (1999)- Bộ điều khiển lập trình – vận hành ứng dụng – KHKTH Tiếng Anh 12 Nanyang Politechnic (1995), Mechtronic system technology, Singapore 13 Prof.Dr.IngR Nordman, Prof Dr Ing H Birkhofer (2002), Maschinenelememte un Mechantronik I, Shaker Verlag GmBh 14 Prof Dr Ing R Nordman (2002), Mechatronische Systeme im 74 Maschinenbau I, Shaker Verlag GmnH W Bolton (1995), Mechatrinics-Electronics mechanical enginering, Longman Group limited 75 control systems in ... phụi v gia cụng ren Cụng on gp v gia cụng sn phm bao gm hai trm mỏy: trm tay gp (Handling station) v trm gia cụng (Processing station) c b trớ nh hỡnh 1.5 Hỡnh 1.5: Mụ hỡnh cụng on cp phụi v gia. .. dõy chuyn t ng cp phụi v gia cụng ren õy cng l c nghiờn cu v gii quyt trong bn lun ny Mc ớch nghiờn cu ca ti Nghiờn cu xõy dng mụ hỡnh dõy chuyn t ng cp phụi v gia cụng ren s dng c vic ging... Trm Gia cụng Mỏng cha phụi B iu khin Hỡnh 1.6: S cụng on Tay gp Phụi trm Tay gp Bn quay phõn Kim tra phụi Gia cụng khoan Trm Tay gp B iu khin Hỡnh 1.7: S cụng on Gia cụng Quỏ trỡnh gp v gia