Đồ án tốt nghiệp tháng 5/2019 về hệ thống phối trộn và đóng nắp hộp sơn tự động sử dụng PLC Mitsubishi. Báo cáo đi kèm vs các file: danh sách thiết bị, tính toán, full code, lưu đồ thuật toán, sơ đồ đấu dây, mạch khí nén, bản vẽ cơ khí 2D từng bộ phận, bản vẽ mô phỏng hệ thống 3D SolidWork.
BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ ************ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐÓNG NẮP VÀ PHỐI TRỘN SƠN TỰ ĐỘNG HÀ NỘI, 2019 NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Hà Nội, Ngày tháng năm 2019 Giảng viên hướng dẫn NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG PHẢN BIỆN Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Hội đồng phản biên MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH DANH MỤC VIẾT TẮT ST T Kí hiệu Chú thích Đơn vị Hành trình xylanh mm F Lực đẩy piston cấp hộp sơn N F’ Lực đẩy piston đóng nắp N Lực ma sát hộp sơn mặt phẳng N p Áp suất khí nén D Đường kính xylanh cm Khối lượng nắp hộp sơn kg Vận tốc xylanh đóng nắp m/s Vận tốc nắp chạm piston đóng nắp m/s 10 Vận tốc nắp sau đóng nắp m/s 11 Động lượng trước nắp kg.m/s 12 Động lượng sau nắp kg.m/s 13 Độ biến thiên động lượng nắp kg.m/s 14 Lực cản sinh đóng nắp N 15 Vận tốc nắp chạm xylanh đóng nắp m/s 16 Moment cản động khuấy N.m 17 Lực cản động khuấy N Độ dài nối trục động khuấy m Công suất động khuấy trộn W 18 d 19 20 n Tốc độ quay động khuấy trộn Vòng/phút 21 m Tổng tải trọng băng tải kg 22 v Tốc độ băng tải có tải m/phút 23 Hệ số ma sát Lực cần thiết để dịch chuyển băng tải có hộp sơn N Chiều dài băng tải m 26 Khối lượng phơi băng tải kg 27 Góc nghiêng băng tải 28 Công suất cần thiết để dịch chuyển hộp sơn băng tải W Công suất động băng tải W 24 25 29 L P LỜI MỞ ĐẦU Xã hội ngày phát triển, nhu cầu vật chất tinh thần người ngày cao, tốn cung cầu nhà sản xuất tìm cách giải Tự động hóa dây chuyền sản xuất phương án tối ưu, đòi hỏi nhanh chóng, xác giảm thiểu nhân công lao động, từ giảm giá thành cho sản phầm Q trình sản xuất tự động hóa cao nâng cao suất sản xuất, giảm chi phí, từ tăng tính cạnh tranh cho doanh nghiệp để vươn lên hội nhập với giới Để góp phần làm sáng tỏ hiệu ứng dụng thực tế môn Cơ điện tử, sau thời gian em học tập trường, thầy, cô giáo khoa giảng dạy kiến thức chuyên nghành, đồng thời giúp đỡ nhiệt tình thầy giáo, nhóm tác giả thực đề tài “nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống đóng nắp phối trộn sơn tự động” Cùng với nỗ lực nhóm bảo tận tình thầy hướng dẫn thời gian, kiến thức kinh nghiệm chúng em có hạn chế nên tránh khỏi thiếu sót Nhóm tác giả mong giúp đỡ tham khảo ý kiến thầy, cô bạn nhằm đóng góp phát triển thêm cho đề tài Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn! CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu Sơ lược phát triển công nghiệp sơn: Đầu kỷ XVIII, nhà bác học Thomas Child trình làng máy nghiền sơn Boston, Massachusett, USA Thế phải gần 150 năm sau vào năm 1868 người có đủ kiến thức Lý Hóa để trộn màu pha sơn sẵn bỏ vào thùng Năm 1880, người ta đặc chế chất liên kết (Binder) với nhiều phụ gia số nguyên vật liệu khác để sản xuất sơn sử dụng ngày Khởi từ ngành cơng nghiệp sơn bắt đầu cống hiến cho nhân loại dòng sơn dầu Ngày với phát triển không ngừng KH – KT kiến thức lý hóa nhân loại chế tạo phát triển nhiều loại hệ thống máy móc hỗ trợ người việc sản xuất pha chế nhiều loại màu sơn có tính ưu việt giúp cho lựa chọn loại sơn phù hợp với mục đích yêu cầu người sử dụng Cùng với thách thức yêu cầu ngày cao xã hội ngành công nghiệp sơn phải nghiên cứu triển khai giải pháp công nghệ nguyên liệu để áp ứng phát triển xã hội Hình 1.1: Hệ thống sản xuất sơn công ty Sweden 10 1.2 Các vấn đề đặt Trước kia, để tạo màu sơn, công nhân nhà máy sơn phải thực việc trộn màu sơn đơn sắc theo tỉ lệ định, thực khuấy trộn đóng nắp thủ cơng để hồn thành việc trộn cho thùng sơn có màu sắc mong muốn Vì để tỉ lệ pha trộn đạt độ xác cao tiết kiệm thời gian quy trình sản xuất thùng sơn việc áp dụng tự động hóa vào quy trình sản xuất điều quan trọng Để làm điều đó, cần quan tâm đến vấn đề: - Màu sơn cần pha gồm màu đơn sắc tạo thành - Trạm pha trộn sơn pha chế màu cách xác - Cơng suất hệ thống hiệu trộn - Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động 1.3 Đối tượng nghiên cứu - Các hệ thống, dây chuyền tự động hóa phối trộn màu sơn, đóng nắp hộp đưa sản phẩm đạt chất lượng màu theo ý muốn khách hàng - Nắm rõ PLC Mitsubishi FX2N 48MT - Vận dụng ngơn ngữ lập trình PLC để điều khiển mơ hình hệ thống đóng nắp phối trộn sơn tự động - Nghiên cứu, nắm rõ cảm biến cấu chấp hành thường sử dụng cho lĩnh vực tự động hóa 1.4 Phương pháp thực - Phân tích tổng hợp: + Phân tích thiết bị, cấu cấu thành nên hệ thống hay dây chuyền tự động, từ hiểu chất, chung, riêng phận cấu thành + Tổng hợp kết phân tích để có nhận thức đầy đủ, đắn chất, quy trình vận hành hệ thống - Tuần tự đồng thời: thực bước để xây dựng cấu hệ thống, đồng thời song song thực xây dựng 38 - Lựa chọn xy lanh tác động kép MAL 16*75 hãng Airtac.( Đường kính xylanh hành trình 75 mm ) Hình 3.19: Xylanh tác động kép Mal 16*75 3.3.3 Tính tốn động khuấy trộn [1] - Thiết kế bể trộn có dạng hình trụ: - Trục nối cánh khuấy động có chiều dài: - Dùng cấu khuấy hình dáng tuabin cánh quạt hình chữ nhật - Chiều cao mức sơn trộn (tính từ đáy bể trộn): - Chiều cao cánh khuấy: Chọn - Đường kính cánh quạt trộn: Chọn • Tính chọn động khuấy trộn Theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9879:2013 (ASTM D562:2010) Sơn [2] – Xác định độ nhớt KU nhớt kế Stomer, ta có giá trị mà nhớt kế Stomer đo với sơn phủ trời hệ nước là: + Với khối lượng 300g, độ nhớt KU 95 + Với khối lượng 425g, độ nhớt KU 105 Suy ứng với khối lượng 1g, độ nhớt KU nằm khoảng: Với khối lượng lít sơn nước nằm khoảng Suy ra, thể tích lượng sơn khuấy trộn 110ml tương ứng với giá trị khối lượng sơn 39 nằm khoảng Suy độ nhớt lớn tương ứng với 1g sơn nước trời là: Quy đổi đơn vị KU sang đơn vị độ nhớt khác P với để thuận lợi cho việc tính tốn - Ta có: Giá trị độ nhớt 52,31KU gần giá trị 70KU nên chuyển đổi độ nhớt theo tỉ lệ Suy độ nhớt tính theo đơn vị P khối lượng sơn khuấy trộn lớn là: - Lực cản tác dụng lên cánh khuấy: (3.9) với S diện tích bề mặt cánh khuấy Vậy - Momen cản động khuấy: (3.10) - Công suất động cơ: (3.11) - Với n tốc độ động Chọn n = 20 vòng/phút Suy ra, chọn động với công suất P thỏa mãn điều kiện tốc độ động 20 vòng/phút Với tốc độ khuấy đảm bảo lượng sơn khuấy trộn lượng sơn bể trộn khơng dâng lên cao q trình khuấy trộn Chọn động cơ: chọn động giảm tốc 12V LS220 với cơng suất 4W số vòng quay 20 vòng/phút giúp tăng lực kéo trình khuấy trộn Hình 3.20: Động giảm tốc 12V LS220 40 3.3.4 Tính chọn động kéo băng tải [3] Tổng tải trọng băng chuyền là: Tốc độ băng tải có tải : Hệ số ma sát : Lực cần thiết để dịch chuyển băng tải có hộp sơn: (3.12) Trong đó: lực cần thiết để dịch chuyển băng tải có hộp sơn (N) L chiều dài băng tải , khối lượng phôi băng tải /m hệ số ma sát g gia tốc trọng trường , lấy góc nghiêng băng tải , Khi Cơng suất cần thiết để dịch chuyển phôi là: (3.13) lực cần thiết để dịch chuyển phơi vận tốc băng tải có tải, Suy ra: Vậy công suất cần thiết để dịch chuyển hộp sơn Chọn động có cơng suất : chọn động giảm tốc 24V TH37 JB530 có cơng suất 8W Hình 3.21: Động giảm tốc 24V TH37JB 530 41 3.3.5 Tính tốn thiết kế băng tải u cầu băng tải mơ hình hệ thống : Do lực piston xylanh đóng nắp lớn Khi đóng nắp tạo lực lớn gây • - áp lực vào mặt băng tải Vì băng tải khơng có thiết kế hợp lý gây nên võng băng tải hộp sơn bị lệch khỏi vị trí đóng nắp nên khơng thể đóng nắp xác Giải pháp đưa thiết kế băng tải có đỡ bề mặt băng tải Khi băng tải khơng bị võng q trình đóng nắp hộp sơn - Kích thước băng tải phải phù hợp với hệ thống, hộp sơn mơ hình có đường kính 5,5 cm nên chọn loại băng tải có chiều rộng cm, chiều dài băng tải 55 cm Hình 3.22: Kích thước băng tải mơ hình 42 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 4.1 Thiết kế khí 4.1.1 Thiết kế khung đỡ hệ thống Yêu cầu thiết kế: Kết cấu khung khí phải đơn giản, thuận tiện q trình thi công lắp đặt Đồng thời việc gá đặt thiết bị điện phải dễ dàng, chắn, đảm bảo trình vận hành ổn định Vật liệu làm thép chữ V Hình 4.1: Khung đỡ hệ thống 4.1.2 Thiết kế cấu trộn sơn Yêu cầu thiết kế: Dung tích bình trộn sơn đảm bảo đảm bảo q trình trộn, sơn khơng thể văng bên ngoài, ảnh hưởng đến thiết bị khác Đồng thời dễ dàng chiết rót sơn Cơ cấu trộn sơn phải cấu cánh 43 quạt có ưu điểm thường tạo dòng chảy có tính tiếp tuyến, tạo khuấy trộn cho hỗn hợp Hình 4.2: Cơ cấu cấp vỏ hộp sơn 4.1.3 Thiết kế cấu cấp vỏ hộp sơn Yêu cầu thiết kế: Cơ cấu cấp hộp sơn dễ chế tạo, bền bỉ, định hướng hộp sơn xác vận hành trơn chu Hình 4.3: Cơ cấu cấp vỏ hộp sơn 44 4.1.4 Thiết kế cấu cấp nắp Yêu cầu thiết kế: Cơ cấu cấp nắp đơn giản, hoạt động xác, ổn định Cơ cấu đóng nắp hoạt động xác, không làm ảnh hưởng đến thiết bị, cấu xung quanh Hình 4.4: Cơ cấu cấp nắp hộp sơn 4.2 Thiết kế tủ điện Yêu cầu thiết kế: Các thiết bị tủ điện xếp ngăn nắp, dễ dàng bảo trì hay sửa chữa trường hợp xảy cố Hình 4.5: Mơ hình tủ điện 3D 45 Mơ hình tủ điện gồm có: 1: Máng đỡ thiết bị điện 2: Nguồn xung 24V 5A 3: Cầu dao điện 5: Rơ le trung gian chân 24V 4: PLC Mitsubishi FX2N 48MT 6: Cầu đấu điện 7: Máng dây điện 8: Bàn đỡ hệ thống điện 4.3 Thi công hệ thống 4.3.1 Thi công hệ thống khí Hình 4.1: Lắp ráp khung hệ thống lắp Hình 4.2: Hệ thống lắp ráp hồn chỉnh 46 4.3.2 Thi cơng hệ thống điện Hình 4.3: Tủ điện q trình thi cơng Hình 4.4: Tủ điện lắp đặt hoàn chỉnh 47 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐÁNH GIÁ 5.1 Kết đạt Hình 5.1: Mơ hình hệ thống đóng nắp phối trộn sơn tự động Qua trình nghiên cứu, thiết kế, xây dựng thi cơng mơ hình hồn chỉnh, với quy trình vận hành mơ hình hệ thống, nhóm tác giả hồn thành mơ hình hệ thống với thông số kĩ thuật sau: - Thời gian sản xuất hộp sơn 5358s (phụ thuộc vào màu cần sản xuất) - Số lượng mẻ sản xuất tối đa 1h 60 mẻ (hộp) - Thể tích hộp sơn: 110ml - Dung tích bể trộn - lượng sơn trộn tối đa bể trộn: 250ml - Lượng sơn trộn lần bể trộn: 108-115ml (gần thể tích hộp sơn) 48 - Thể tích thùng chứa sơn: 750ml - Thời gian khuấy trộn sơn bể trộn: 8s - Thời gian thực chiết rót sơn: 30s - Thời gian thực xả nước rửa sau trộn xong: 20s - Thời gian xả nước rửa bể trộn: 25s - Thời gian thực cấp đóng nắp hộp sơn: 0,5s - Tốc độ động khuấy trộn sơn: 20 vòng/phút - Tốc độ chuyển động băng tải: 9,5m/phút - Số hộp sơn tối đa băng tải sản xuất: hộp - Số hộp sơn tối đa chứa ống cấp phơi: hộp 5.2 Đánh giá Trên sở hoạt động mơ hình, nhóm tác giả có đánh giá ổn định mơ hình sau sản xuất 10 hộp sơn sau: - Thứ nhất, kết màu sắc sau khuấy trộn sơn 8s, có 9/10 hộp đạt kết màu sắc cần pha mong muốn, đạt tỉ lệ chuẩn màu 90% - Thứ hai, có 6/10 hộp sơn đạt yêu cầu đóng nắp mong muốn tỉ lệ đóng nắp đạt yêu cầu 60% - Thứ ba, thể tích lượng sơn chiết rót vào hộp sơn đạt chuẩn 8/10 hộp, đạt tỉ lệ 80% 5.3 Hạn chế phương pháp giải ● Các hạn chế mơ hình hệ thống: - Chưa có cảm biến báo mức sơn thùng chứa sơn cạn - Chưa có phần hiển thị báo số mẻ sản xuất số mẻ chọn - Còn tồn sai lệch nhỏ thể tích lượng sơn hộp sơn sau trộn chiết rót (do sai số cảm biến độ rộng ống đo lưu lượng cảm biến) - Năng suất hoạt động mơ hình bị hạn chế dòng chảy lưu lượng sơn trình chiết rót xuống hộp sơn 49 - Vấn đề đóng nắp chưa đạt tỉ lệ đóng nắp đạt chuẩn 100% hộp sơn sản xuất chỉnh khung khí đỡ xylanh ● Phương pháp giải quyết: - Tìm hiểu lắp đặt thêm cảm biến báo mức chất lỏng để báo mức sơn thùng chứa - Thiết kế thêm mạch hiển thị led thanh, hiển thị số mẻ sản xuất số mẻ chọn - Tìm hiểu thay cảm biến lưu lượng có độ chuẩn xác cao hơn, ống đo lưu lượng cảm biến có đường kính lớn để tăng lưu lượng dòng chảy qua cảm biến - Thay ống van chiết rót sơn ống có đường kính lớn hơn, sử dụng thêm bơm chất lỏng để tăng lưu lượng sơn chảy xuống hộp hay giảm thời gian chiết rót sơn xuống mức tối thiếu Từ thời gian sản xuất hộp sơn giảm suất hệ thống tăng lên - Căn chỉnh lại phần khung khí xylanh đẩy nắp thay xylanh đẩy nắp cấu cấu nắp dạng nam châm hút nắp gắn trục động servo giới hạn công tắc hành trình (vị trí cơng tắc hành trình vị trí miệng hộp sơn) 50 KẾT LUẬN ĐỀ TÀI Sau thời gian tuần thực đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mô hình hệ thống đóng nắp phối trộn sơn tự động” gồm chương thi cơng mơ hình hồn chỉnh, nhóm tác giả hồn thành nội dung sau : Chương 1: Giới thiệu chung đề tài: Lịch sử nghiên cứu, vấn đề đặt ra, đối tượng nghiên cứu, phương pháp thực dự kiến kết đạt (đạt 3/4 dự đoán) Chương : Tổng quan hệ thống đóng nắp phối trộn sơn tự động: Tìm hiểu nghiên cứu hệ thống thực tế mơ hình có sẵn liên quan đến đề tài Từ rút điểm chung, điểm riêng, ưu điểm, nhược điểm hệ thống chế tạo Và nhóm tác giả rút khái quát việc xây dựng mơ hình, ngun lý pha màu, ngun lý hoạt động hệ thống Từ tính tốn lựa chọn thiết bị việc xây dựng mơ hình Chương 3: Nghiên cứu lý thuyết, phân tích chức thiết bị điện cấu chấp hành: tìm hiểu lý thuyết điều khiển PLC Mitsubitshi, loại cảm biến, thiết bị điện Tính tốn lựa chọn xylanh, băng tải, động Thực mơ hình hóa hệ thống khí phần mềm Solidwork , mơ hệ thống khí nén phần mềm Festo Flusim Thiết kế cấu khí phần mềm Solidwork hệ thống điện tủ điện phần mềm NX Chương 4: Thiết kế thi công mô hình hệ thống: Tiến hành thi cơng mơ hình thực dựa thiết kế Chương 5: Đưa kết sau q trình thực hồn thiện mơ hình vận hành hệ thống Từ đánh giá kết đạt đạt 3/4 so với dự đốn kết đạt chương Ngồi ra, mơ hình hệ thống sau vận hành tồn hạn chế định nhóm tác giả đưa phương hướng giải hạn chế nhằm nâng cao suất hệ thống 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1] Xuất 2016 - Giáo trình tự động hóa thủy khí- Đại học Bách Khoa Hà Nội [2] Xuất 2013 - Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9879:2013 (ASTM D562:2010) Sơn - Xác định độ nhớt KU nhớt kế Stomer [3] Tính tốn thiết kế hệ dẫn động khí PGS.TS Trịnh Chất- Lê Văn Uyển Trong trình thực đồ án, nhóm tác giả có tham khảo từ tài liệu sau: Giáo trình thiết kế khí Solidwork 2017 – Phạm Phước Hải Giáo trình trang bị điện - Biên soạn: Hồng Khắc Phục Giáo trình MITSUBISHI PROGRAMMAMBLE CONTROLLERS Trường Đại học công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh - Biên soạn: Lê Hồng Vinh, Đào Duy Khương, Võ Thị Ánh tuyết, Trần Thị Thu Thủy Tái tháng 7-2006 Giáo trình thiết kế mạch điện tử Orcad – trường đại học Công Nghiệp Hà Nội Giáo trình Cảm biến đo lường – trường đại học Công Nghiệp Hà Nội 52 PHỤ LỤC Các vẽ chi tiết khí Bản vẽ lắp mơ hình hệ thống Bản vẽ nguyên lý điện Sơ đồ dây tủ điện Bảng địa đầu vào PLC Lưu đồ thuật tốn Chương trình lập trình PLC