1.8.1. Khái niệm về hệ thống lắp ráp tự động
1.8.1.1. Khái niệm chung
Thông thường một sản phẩm cơ khí do nhiều chi tiết hợp thành. Những chi tiết máy đã được gia công đạt chất lượng ở phân xưởng cơ khí sẽ được lắp thành các bộ phận hay thiết bị hoàn chỉnh. Nếu quá trình gia công cơ khí là giai đoạn chủ yếu của quá trình sản xuất, thì quá trình lắp ráp là giai đoạn cuối của quá trình sản xuất ấy. Vì sau quá trình lắp ráp, sản phẩm đạt được chất lượng yêu cầu và vận hành ổn định thì quá trình sản xuất ấy mới có ý nghĩa, các sản phẩm cơ khí mới có tác dụng thiết thực cho nền kinh tế quốc dân.
Quá trình lắp ráp là 1 quá trình lao động kỹ thuật phức tạp. Mức độ phức tạp cũng như khối lượng lắp ráp có liên quan chặt chẽ tới quá trình công nghệ gia công cơ và cả quá trình thiết kế sản xuất. Gia công cơ các chi tiết máy có độ chính xác cao thì lắp ráp chúng càng nhanh, giảm được thời gian sửa chữa, điều chỉnh. Công nghệ lắp ráp phải đảm bảo những yêu cầu kỹ thuật khi nghiệm thu do bản thiết kế sản phẩm đề ra, phải đạt yêu cầu của các mối ghép, các chuỗi kiểm tra lắp ráp, đạt chính xác về truyền động. Vì vậy, khi có bản thiết kế hợp lý về kết cấu và sự hình thành chuỗi kiểm tra thì giảm được khối lượng lao động lắp ráp.
Mối quan hệ giữa khối lượng gia công và lắp ráp như sau: Trong dạng sản xuất hàng khối thì lao động lắp ráp chiếm từ 10 - 15% khối lượng lao động, trong sản xuất hàng loạt thì chiếm từ 20 - 35% và trong sản xuất đơn chiếc thì chiếm 30 - 45%.
Hệ thống lắp ráp tự động sử dụng các rôbốt công nghiệp, hệ thống băng tải, đồ gá vệ tinh, ... và được điều khiển bằng hệ thống máy tính. Do đó độ chính xác cao, năng suất cao, giá thành sản phẩm hạ, chất lượng sản phẩm tốt hơn lắp ráp thủ công.
1. Nguyên công lắp ráp
Nguyên công lắp ráp là một phần của quá trình lắp được hoàn thành đối với 1 bộ phận hay toàn bộ sản phẩm, tại một chỗ làm việc nhất định, do 1 nhóm các thiết bị (rôbốt, cơ cấu kẹp, định vị, đồ gá, băng tải, ...) thực hiện một cách liên tục. Ví dụ: lắp bánh răng, bánh đà lên trục hay lắp ráp máy bay, ...
2. Bước lắp ráp
Bước lắp ráp là 1 phần của nguyên công, được quy định bởi sự không thay đổi vị trí dụng cụ lắp. Ví dụ: lắp bánh đai lên đầu trục gồm các bước là, cạo sửa và lắp then lên trục, lắp bánh đai, lắp vít hãm.
3. Sơđồ lắp ráp
Trong 1 sản phẩm thường có nhiều bộ phận, mỗi bộ phận có nhiều cụm, mỗi cụm còn có thể chia thành nhiều nhóm. Mỗi nhóm gồm nhiều chi tiết hợp thành. Mỗi nhóm chia nhỏ đó được coi là 1 đơn vị lắp. Vậy đơn vị lắp có thể là 1 nhóm hay 1 cụm hoặc là 1 bộ phận của sản phẩm. Trong mỗi đơn vị lắp, ta tìm ra 1 chi tiết mà trong quá trình lắp ráp các chi tiết khác( có thể các nhóm, cụm, thậm chí các bộ phận máy) sẽ lắp lên nó. Chi tiết đó gọi là chi tiết cơ sở.
Sơ đồ lắp bắt đầu từ chi tiết cơ sở, rồi lắp các chi tiết khác lên chi tiết cơ sở
theo 1 thứ tự xác định. Như vậy, có những chi tiết được lắp thành các nhóm,
các cụm, sau đó lắp các nhóm, các cụm và những chi tiết độc lập khác lên chi tiết cơ sở tạo thành sản phẩm lắp hoàn chỉnh.
Hình 1.19. Sơđồ lắp ráp một sản phẩm. Khi lập sơđồ lắp cần chú ý các vấn đề sau:
Các đơn vị lắp không nên chênh lệch nhau quá lớn về số lượng chi tiết lắp,
lắp sẽ gần bằng nhau, tạo điều kiện nâng cao năng suất và tính đồng bộ khi lắp ráp dây chuyền.
Chọn đơn vị lắp sao cho khi lắp ráp thuận tiện nhất. Số chi tiết lắp trực tiếp lên chi tiết cơ sở càng ít càng tốt. Thiết kế quy trình lắp ráp hợp lý sẽ tránh được việc tháo ra, lắp vào nhiều lần trong quá trình lắp ráp.
Bộ phận nào cần kiểm tra khi lắp ráp nên tách thành đơn vị lắp ráp riêng để
kiểm tra dễ dàng, thuận tiện.
Quy trình công nghệ lắp ráp:
Nghiên cứu bản vẽ lắp chung sản phẩm, kiểm tra tính công nghệ trong lắp ráp. Nếu cần phải giải chuỗi kích thước lắp ráp, sửa đổi kết cấu để đạt tính công nghệ lắp cao.
Chọn phương pháp lắp ráp sản phẩm.
Lập sơ đồ lắp ráp.
Chọn hình thức tổ chức lắp ráp, lập quy trình công nghệ lắp.
Xác định nội dung công việc cho từng nguyên công và bước lắp ráp.
Xác định điều kiện kỹ thuật cho các mối lắp, bộ phận hay cụm lắp.
Xác định chỉ tiêu kỹ thuật, thời gian cho từng nguyên công. Tính toán, so sánh phương án lắp về mặt kinh tế.
1.8.2. Cấu trúc của hệ thống lắp ráp tự động
Hệ thống lắp ráp tự động trên cơ sở sử dụng mạng máy tính công nghiệp và bộ điều khiển, các rôbốt công nghiệp, hệ thống băng tải, đồ gá, mỏ vít xoắn tự động, các dụng cụ đo kiểm, các thiết bị dầu ép, khí ép, ... để nâng cao năng suất và chất lượng lắp ráp, giảm nhẹ lao động thủ công.
a. Rôbốt: Có nhiệm vụ cấp các chi tiết(sản phẩm) từ kho chứa đến hệ thống
băng tải. Băng tải sẽ vận chuyển các chi tiết đến vị trí trước các trạm lắp ghép xác định. Sau đó rôbốt tiếp tục gắp chi tiết (sản phẩm) tới các trạm để thực hiện các nguyên công lắp ráp cần thiết. Sau khi đã thực hiện xong các nguyên công lắp ráp, chi tiết lại được rôbốt gắp về băng tải để vận chuyển về kho chứa thành phẩm. Chất lượng lắp ráp phụ thuộc vào độ chính xác của rôbốt, độ chính xác của đồ gá tại các
trạm lắp ráp và độ chính xác của chi tiết. Ngoài ra rôbốt còn có nhiệm vụ gắp các mỏ vít xoắn tự động để thực hiện việc vặn vít trong các mối ghép ren, vít, ... Cũng có thể mỏ vít tự động được thiết kế như tay rôbốt để linh hoạt cho việc lắp ghép các chi tiết có kết cấu phức tạp.
b. Hệ thống băng tải: Có nhiệm vụ vận chuyển các chi tiết(sản phẩm) mà
rôbốt đã cấp cho tới trước các trạm lắp ráp và chờ sẵn ở đó. Hệ thống băng tải có thể vận chuyển liên tục các chi tiết cần lắp ráp tới vị trí yêu cầu, do đó tăng năng suất công việc.
c. Đồ gá trên các trạm lắp ráp: Đảm bảo cho việc định vị và kẹp chặt chi tiết trong quá trình rôbốt thực hiện các nguyên công lắp ráp của mình. Có thể sử dụng đồ gá vệ tinh trong cách lắp ráp dây chuyền. Đối với cách lắp ráp cố định thì đồ gá được gắn cứng tại trạm lắp ráp. Độ chính xác của đồ gá là yếu tố quyết định chất lượng và năng suất của công việc.
d. Các dụng cụ đo kiểm:Có nhiệm vụ xác định kích thước lắp ghép, độ chính
xác các mối ghép, khe hở lắp ráp. Đây là những thông tin cho việc nâng cao chất lượng lắp ráp tự động.
e. Mạng máy tính công nghiệp và bộ điều khiển: Có nhiệm vụ xử lý các thông
tin về chất lượng lắp ghép, điều khiển quá trình lắp ráp thông qua việc điều khiển hoạt động của hệ thống băng tải, của các rôbốt, của các dụng cụ kiểm tra tự động. Tại mỗi trạm lắp ghép đều có một máy tính điều khiển hoạt động của trạm đó thông qua phần mềm điều khiển tương thích. Bộ điều khiển được sử dụng ở đây có thể là các bộ PLC, các bộ vi xử lý…
Chương 2
CÁC PHẦN MỀM CIM 2.1. Lý luận chung về điều khiển logic lập trình PLC 2.1.1. Mở đầu:
Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học mà cụ thể là sự phát triển của kỹ thuật máy tính.
Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) được phát triển từ những năm 1968 -1970. Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu cầu người sử dụng phải có kỹ thuật điện tử, phải có trình độ cao. Ngày nay các thiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao.
Thiết bị điều khiển logic lập trình được PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình công nghệ. PLC được thiết kế cho các kỹ sư, không yêu cầu cao về kiến thức máy tính và ngôn ngữ máy tính, có thể vận hành.
Chúng được thiết kế cho các nhà kỹ thuật có thể cài đặt hoặc thay đổi
chương trình. Vì vậy, các nhà thiết kế PLC phải lập trình sẵn sao cho chương trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản (ngôn ngữ điều khiển). Thuật ngữ logic được sử dụng vì việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic, ví dụ nếu có các điều kiện A và B thì C làm việc... Người vận hành nhập chương trình (chuỗi lệnh) vào bộ nhớ PLC. Thiết bị điều khiển PLC sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này và thực hiện các quy tắc điều khiển đã được lập trình.
Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hoá cho các tác vụ tính toán và hiển thị, còn PLC được chuyên biệt cho các tác vụ điều khiển và môi trường công nghiệp. Vì vậy các PLC:
+ Được thiết kế bền để chịu được rung động, nhiệt, ẩm và tiếng ồn, + Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra,
+ Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ điều khiển dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch.
Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống như chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các rơle công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử đó là:
+ Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến,
+ Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ,
+ Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu thập được,
+ Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.
Riêng đối với máy công cụ và người máy công nghiệp thì bộ PLC có thể liên kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành bộ điều khiển thích nghi. Trong hệ thống của các trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều được bộ PLC điều khiển tập trung.
2.1.2. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC
2.1.2.1. Cấu hình phần cứng
Bộ PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào/ra và thiết bị lập trình. Sơ đồ hệ thống như hình 2.1.
a/ Bộ xử lý
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra.
Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự, đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả điều khiển tới đầu ra. Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan). Thời gian một vòng quét phụ thuộc vào dung lượng của bộ nhớ, vào tốc độ của CPU. Nói chung chu kỳ một vòng quét như hình 2.2.
Hình 2.2: Chu kì vòng quét PLC.
Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn dấn một thời gian trễ trong khi bộ đếm của chương trình đi qua một chu trình đầy đủ, sau đó bắt đầu lại từ đầu.
Để đánh giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài 1K byte và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC. Với nhiều loại PLC thời gian trễ này có thể tới 20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt đi những lần gọi ít quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận được. Nếu các giải pháp trên không thoả mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn.
b/ Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thường là 24V).
c/ Thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng, có thể là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân.
d/ Bộ nhớ
Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Các dạng bộ nhớ có thể là RAM, ROM, EPROM. Người ta luôn chế tạo nguồn dự
phòng cho RAM để duy trì chương trình trong trường hợp mất điện nguồn, thời
gian duy trì tuỳ thuộc vào từng PLC cụ thể. Bộ nhớ cũng có thể được chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm.
e/ Giao diện vào/ra
Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện.... Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ... Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic... Các tín hiệu vào/ra có thể thể hiện như hình 2.3.
Hình 2.3: Các tín hiệu vào/ra của PLC
Các kênh vào/ra đã có các chức năng cách ly và điều hoà tín hiệu sao cho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm mạch điện khác.
Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện quang như hình 2.4. Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5v, 24v, 110v, 220v. Các PLC cỡ nhỏ thường chỉ nhập tín hiệu 24v.
Hình 2.4: Ghép nối tín hiệu vào với PLC bằng linh kiện cách ly quang
Tín hiệu ra cũng được ghép cách ly, có thể cách ly kiểu rơle như hình 2.5a, cách ly kiểu quang như hình 2.5b. Tín hiệu ra có thể là tín hiệu chuyển mạch 24v, 100Ma; 110v, 1A một chiều, thậm chí 240v, 1A xoay chiều tuỳ loại PLC. Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có thể thay đổi bằng cách lựa chọn các module ra thích hợp.
Hình 2.5: Ghép nối tín hiệu vào của PLC.
2.1.2.2. Cấu tạo chung của PLC
Các PLC có hai kiểu cấu tạo cơ bản là: kiểu hộp đơn và kiểu modulle nối ghép. Kiểu hộp đơn thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp