4. Kết quả đạt được
3.1 Thiết kế chế tạo mô hình hệ thống cấp phôi tự động
3.1.1 Chọn phôi
Phôi là trạng thái ban đầu, chưa qua chế tạo đặc biệt để tạo ra các chi tiết hay các vật chuyên dùng. Trong sản xuất phôi rất quan trọng quá trình gia công cơ khí, là vật liệu nguyên liệu chính để tạo ra các sản phẩm nhất định.
Ta lựa chọn loại phôi dạng rời là phôi nhôm đặc, hình vuông có độ dài cạnh là 60mm, chiều cao 35mm, là loại nhôm A6061 chuyên dụng để chế tạo chi tiết máy, các chi tiết gia công trong cơ khí.
Hình 3. 1 Phôi 3.1.2 Lựa chọn cơ cấu phân chia phôi
Cơ cấu chia phôi (xi lanh khí nén) có nhiệm vụ điều tiết phôi theo nhịp gia công của máy. Để bảo đảm tính chính xác và ổn định cho một hệ thống cấp phôi tự động điều khiển bằng điện – khí nén trong đề tài này thì việc lựa chọn cơ cấu phân chia phôi là rất quan trọng cho hệ thống.
SMC Coporation là công ty của Nhật Bản được thành lập vào năm 1959. SMC Corporation chuyên sản xuất, kinh doanh các sản phẩm, công nghệ về điều khiển tự động hóa như toàn bộ các sản phẩm về các hệ thống điều khiển khí nén, thiết bị truyền động điện, các sản phẩm phục vụ cho y tế, khoa học đời sống… Với mạng lưới kinh doanh và phân phối các sản phẩm, văn phòng đại diện của SMC đã có mặt trên 83 quốc gia trên thế giới trong đó có Việt Nam.
Các sản phẩm khí nén của SMC đa dạng và có sẵn có thể đáp ứng các nhu cầu và giải pháp về thiết kế các hệ thống điều khiển tự động về khí nén. Nhằm giúp người dùng dễ dàng tính toán và lựa chọn các sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả SMC đã cho ra các phần mềm tính toán và lựa chọn sản phẩm, hệ thống khí nén như phần mềm lựa chọn thiết bị truyền động quay, phần phềm lựa chọn hệ thống, phần mềm lựa chọn hệ thống hút chân không…
Phần mềm chọn hệ thống (Model Selection System) của SMC là phần mềm tính toán lựa chọn mô hình hệ thống khí nén bao gồm các phần tử như xi lanh, van điện từ, bộ điều khiển tốc độ, khớp nối, đường ống hoặc bộ giảm thanh,... Phần mềm cho ra các kết quả phù hợp với yêu cầu là các thông số đã đặt ban đầu và các mã sản phẩm của hãng SMC với các thông số và mô hình 3D để tham khảo.
Các bước để tải phần mềm lựa chọn hệ thống (Model Selection System).
Bước 1: Truy cập vào trang chủ của SMC theo đường link:
Sau khi màn hình hiện thị lên ta chọn Model Selection Software.
Bước 2: Sau khi giao diện mới hiện ra ta chọn để mở cửa sổ mới.
Bước 3: Sau khi giao diện mới hiện ra ta chọn Download the program để tải tệp về máy tính.
Sau khi tệp được tải về máy tính ta tiến hành giải nén và cài đặt phần mềm.
Trước tiên để lựa chọn một xi lanh khí nén bằng phần mềm Model Selection System ta cần xác định:
- Load mass: tải mà xi lanh mang theo khi đẩy hoặc ép một vật, ở đây ta chọn tải có khối lượng là 0.8 kg.
- Thời gian toàn hành trình: 0,5 mm/s.
- Hành trình piston theo phương nằm ngang: 100 mm.. - Áp suất đặt: 0,2 Mpa.
- Tổng khối lượng phôi cần đẩy: 3,2 kg.
Các bước tiến hành thử nghiệm trên phần mềm:
Bước 1: mở phần mềm và lựa chọn Model selection (simple version) chọn New để bắt đầu chạy phần mềm.
Bước 2: Cài đặt và đặt các giá trị cho hệ thống
Sau khi giao diện mới của phần mềm hiện lên, ở cửa sổ INPUT ta chọn Option change để mở khóa.
Ở mục Option condition chọn Push (L) là xilanh đi ra ở phía bên trái, Pull (R)
là xilanh đẩy về ở phía bên phải.
Chọn Circuit configuration để cài đặt mạch khí nén.
Của sổ Circuit configuration mới hiện ra ở cửa sổ này mạch khí nén có thể được lựa chọn các loại xi lanh, van điện từ, van tiết lưu…
Chọn/nhập giá trị Mô tả
Chọn xi lanh tác động hai chiều trục, đơn Double acting Single rod.
Để điều chỉnh tốc độ xi lanh bằng cách sử dụng van tiết lưu đầu vào chọn
Meter in.
Van điện từ là van 5/2 cuộn hút đơn ta chọn 2 position single.
Ta tiến hành chọn và nhập giá trị của xi lanh ở mục INPUT.
Chọn/nhập giá trị Mô tả
Total length (R), Total length (L) là chiều dài của đường ống ở phía bên phải và bên trái kết nối xi lanh và van điện từ được chọn ta đặt giá trị là 0,4 m.
Vị trí lắp của van tiết lưu ở phía bên phải và bên trái ta lựa chọn lắp trên xi lanh On cylinder.
Nếu xi lanh có mục đích là Transfer thì không cần nhập lực cản.
Mục đích của xi lanh là kẹp (Clamp), lực kẹp cần phải được nhập vào. Lực kẹp là lực làm việc ở cuối hành trình, do đó, nó ảnh hưởng đến việc lựa chọn đường kính trong của xi lanh, nhưng nó không ảnh hưởng đến thời gian toàn bộ hành trình.
Nếu mục đích là ép (Press) thì lực cản cần phải được nhập vào. Lực cản là lực tác dụng trên toàn bộ hành trình do đó nó ảnh hưởng đến việc lựa chọn đường kính trong của xi lanh và thời gian toàn hành trình.
Theo yêu cầu tính toán để chọn xi lanh ta chọn là Press. Tại cửa sổ Resistance force ta nhập lực cản của xilanh là 32 N tương đương
với tổng khối lượng phôi là 3.2 kg.
Áp suất đặt là 0,2 Mpa. Nhiệt độ môi trường là 30 degC.
Hành trình piston là 100 mm.
Thời gian từ khi cấp điện cho van điện từ đến khi xi lanh đi hết hành trình là 0,5s. Tải của đầu piston là 0,8 kg.
Mounting angle ta đặt 0 deg.
Chọn Selected automatically phần mềm tính toán tự động dựa theo thông số đặt ban đầu.
Optimal size priority: là khả năng kết nối giữa các thành phần, thành phần có kích thước tối ưu (nhỏ nhất) có thể đáp ứng thời gian hành trình cần thiết được chọn theo mức độ ưu tiên.
Connection priority: Một thành phần có thể đáp ứng thời gian hành trình cần thiết được chọn bằng cách ưu tiên khả năng kết nối giữa các thành phần.
Chọn Selection Start để bắt đầu tính toán và cho ra kết quả.
Cửa sổ Cylinder series hiện lên ta chọn một mã xi lanh thích hợp (ta chọn mã CM2-Z là mã xi lanh tròn) rồi chọn vào Next để chuyển sang chọn mã van điện từ
(Solenoid vale series) nhấn Next để chọn mã ống (Piping series) và cuối cùng nhấn
Kết quả thu được.
Trong cửa sổ System characteristics kết quả của quá trình mô phỏng trên màn hình này cho ta thấy các lựa chọn được hiển thị và các kết quả tính toán dựa trên số liệu đặt ban đầu.
Hình 3.3 Biểu đồ đường đặc tính của xi lanh
Biểu đồ 1 cho thấy những thay đổi trong vận tốc và gia tốc của piston so với thời gian.
Biểu đồ 2 cho thấy sự thay đổi của áp suất trong xi lanh ở hai phía sự dịch chuyển của piston theo thời gian.
- Full stroke time: thời gian cần thiết để piston xilanh đi đến cuối hành trình sau khi van điện từ được cấp điện là 0,49s.
- Start up time: thời gian cần thiết để piston xylanh bắt đầu chuyển động sau khi van điện từ được cấp điện là 0,14s.
- 90% Force time: thời gian cần thiết để sản lượng xi lanh đạt 90% sản lượng lý thuyết sau khi van điện từ được cấp điện là 0,54s.
- Max velocity: vận tốc lớn nhất của piston xuất hiện trong một hành trình là 334 mm/s.
- Stroke end velocity: vận tốc mà piston đi đến cuối hành trình. Trong trường hợp xi lanh có giảm chấn, nó liên quan đến vận tốc của piston tại lối vào của giảm chấn là 334 mm/s.
- Max acceleration: Gia tốc lớn nhất trong một hành trình là 5.9 m/s2. - Max pressure: áp suất không khí lớn nhất trong xilanh là 0.2 Mpa.
- Air consumption/cycle: chuyển đổi lượng khí cần thiết để chuyển động qua lại xi lanh một lần, điều kiện tiêu chuẩn là 0,181 dm3.
- Require air flow: lượng không khí cần cung cấp cho hệ thống trong thời gian quy định là 12.0 dm3/s.
Hình 3.4 Kết quả tính toán của xi lanh
Tại bảng Rusults Model Selection nó cho thấy kết quả của việc lựa chọn mô hình, hiện mã sản phẩm của xylanh, van điện từ, van tiết lưu,…
Hình 3.5 Kết quả lựa chọn mô hình và mã sản phẩm
Tại cửa sổ Input values hiển thị các giá trị và điều kiện được nhập ban đầu.
Ta có mã xi lanh CM2L20-100FZ của hãng SMC là loại xi lanh tròn đường kính 20 mm hành trình piston 100mm.
3.1.3 Thiết kế và chế tạo phễu chứa phôi
Thiết kế bản vẽ, chọn vật liệu phễu chứa phôi.
Trên cơ sở các bước lựa chọn xi lanh và lựa chọn phôi ở trên và các kiến thức đã được học để bắt đầu thiết kế bản vẽ. Sử dụng phần mềm Auto cad để tiến hành thiết kế bản vẽ.
Phễu chứa phôi là chi tiết chứa phôi yêu cầu cơ khí cần chắc chắn, gọn và dễ quan sát phôi, ta dùng loại nhôm tấm A6061 có độ dày 2mm để gia công. Kích thước phễu chứa phôi có kích thước được mô tả như bản vẽ 2D bên dưới.
Nhôm là vật liệu kim loại được sử dụng phổ biến trong sản xuất cơ khí và phần lớn được ưa chuộng chọn làm mô hình bởi nhôm có các ưu điển như khả năng chống ăn mòn, giá thành phải chăng nó có giá thành cao hơn thép, rẻ hơn so với đồng hoặc inox và là sự lựa chọn phù hợp nhất cho các thiết bị chống mài mòn. Khối lượng nhẹ chỉ bằng 1/3 so với thép nên dễ dàng vận chuyển và chế tạo các chi tiết có khối lượng thấp. Nhôm có độ bền cao nhất tính theo khối lượng so với bất kì kim loại nào. Vì vậy ta ưu tiên chọn vật liệu nhôm để chế tạo mô hình.
Hình 3.10 Mô hình 3D tổng thể
Phôi được cấp vào phễu chứa phôi A và được đẩy đi bằng tác động bởi xi lanh D. Phôi sau khi được đẩy ra sẽ xuống băng tải chuyền và tiếp tục được gia công ở các công đoạn tiếp theo.
Hình 3. 11 Mô hình 3D nguyên lý làm việc
3.2 Thử nghiệm mô hình hệ thống cấp phôi tự động3.2.1 Lắp ráp sơ đồ mạch khí nén 3.2.1 Lắp ráp sơ đồ mạch khí nén
Yêu cầu đặt thiết kế một thiết bị phân phối phôi cung cấp các phôi nhôm ra trạm gia công tiếp theo. Bằng cách dùng một nút nhấn điều khiển trục piston của xianh 2 tác động sẽ di chuyển ra và đẩy phôi ra trạm gia công. Sau khi nhấn nút ấn, trục piston xilanh đi ra, sau 2 giây thì lùi về.
Hệ thống gồm có:
Bảng 1. 1 Các thiết bị khí nén trong hệ thống.
STT Tên thiết bị Mã module SL
1 Thiết bị khí nén
1.1 Bộ lọc, điều áp van phân phối 3/2 TPAK.C2000 1 1.2 Bộ phân phối khí TPAK.C6000 1 1.3 Xilanh tác động hai chiều TPAK.N0100 1 1.4 Van điện từ 5/2 cuộn hút đơn TPAK.L0100 1
2 Thiết bị phụ
2.1 Ống phi 4 TU0425BU 3
2.2 Ống phi 6 TU0604BU 1
Sơ đồ mạch khí nén:
Hình 4.1 Sơ đồ mạch khí nén
Khí nén từ máy nén khí được lọc sạch qua bộ lọc khí và chờ sẵn ở van 3/2. Khi ta gạt tay gạt để mở van 3/2 của bộ lọc khí lúc này khí nén đi đến van 3/2 rồi thông qua cửa 1 qua cửa 2 cửa van điện từ 5/2 giữ xi lanh đẩy về bên trái. Khi van điện từ có tín hiệu điện lúc này cuộn hút van điện từ nhờ lực từ trường của coil điện đã đẩy trục van sang phía bên phải, khí nén đi từ cửa 1 qua cửa 4 và đi qua van tiết lưu đi vào khoang bên trái của xi lanh và đẩy piston của xi lanh sang phía bên phải và đi hết hành trình. Khi cuộn hút không có tín hiệu, trục của van được đẩy về phía tay trái nhờ cơ cấu lò xo đàn hồi và khí nén đi từ cửa 1 qua cửa 2 và đi qua van tiết lưu và đẩy xi lanh về trạng thái ban đầu.
3.2.2 Lắp ráp sơ đồ mạch điện
Hệ thống sử dụng rơle thời gian ON để điều khiển xi lanh thông qua van điện từ. Khi nhấn nút thì rơle thời gian bắt đầu đếm đồng thời xilanh đi ra sau 2 giây xilanh tự
Mạch gồm có các thiết bị:
Bảng 1. 2 Các thiết bị điện trong hệ thống
STT Tên thiết bị Mã module SL
1 Module nguồn một chiều TPAK.A7100 1 2 Module thực hành nút nhấn TPAK.A3000 1 3 Module thực hành đèn báo, còi báo TPAK.A8000 1 4 Module thực hành rơle trung gian TPAK.A9000 1 5 Module thực hành rơle thời gian ON TPAK.A5000 1
Sơ đồ mạch điện:
Khi nhấn nút S1, cuộn hút của rơle K1 có điện, hai tiếp điểm K1 đóng lại, lúc này cuộn hút van điện từ 1Y có điện cùng lúc đó rơle thời gian K2 bắt đầu đếm và đèn sáng. Khi K2 đếm được 2s thì tiếp điểm thường đóng K2 mở ra, nguồn cấp cho rơle K1 bị ngắt làm ngắt điện cuộn hút van điện từ 1Y và đèn cũng tắt.
3.2.3 Mô phỏng hệ thống trên phần mềm FluidSim
FluidSim là một phần mềm phát triển công nghệ thông tin của Art System Software. Phần mềm Fluidsim là một phần mềm mô phỏng được nhiều người sử dụng bởi vì tính đơn giản và dễ sử dụng được phát triển từ năm 1996 cho đến nay đã có nhiều phiên bản thuộc bản quyền hãng Art Systems Software GmbH.
Phần mềm có tính năng xây dựng mạch đơn giản bằng cách kéo và thả các nhãn ký hiệu các phần tử. Có thể chỉnh sửa sơ đồ mạch với nhãn là kí hiệu thuận tiện, các nhãn bao gồm mô tả, chế độ xem và hình ảnh cho thành phần của hệ thống.
Ưu điểm:
- Dễ dàng thiết kế các mạch điện, thủy lực, khí nén. - Xây dựng mạch đơn giản, dễ dàng chỉnh sửa. - Hỗ trợ DDE và OPC và Festo EasyPorts. Nhược điểm:
- Yêu cầu người dùng có kiến thức cơ bản về điện – thủy lực – khí nén. - Các hệ thống lớn, phức tạp cần một nguồn tài nguyên lớn.
- Kết cấu sơ đồ đơn giản.
Các bước tiến hành mô phỏng trên phần mềm.
Bước 1: vào phầm mềm bằng cách ta vào file đã tải chọn hydraulic_Pneumatic chọn Pneumatic chọn bin chọn fl_sim_p có kí hiệu là sau đó sẽ hiển thị nên giao diện mới.
Bước 2: chọn File => New trên góc tay trái trên cùng màn hình bắt đầu một dự án mới.
Bước 3: kéo thả các nhãn có kí hiệu là các phần tử khí nén, điện từ cửa sổ Hierarchical view - Component library phía tay trái vào cửa sổ dự án mới. Sắp xếp các phần tử sao cho phù hợp và nối các đường tín hiệu với nhau như sơ đồ mạch khí nén và mạch điện đã vẽ ở mục 4.1 và 4.2.
Chọn kí hiệu cuộn van điện từ của mạch khí nén và kí hiệu cuộn hút của mạch điện sau khi hiện lên cửa sổ nhập tên là 1Y ở mục Label. Tương tự kích vào cuộn hút rơle và tiếp điểm thường K1. Cuộn hút của rơ le thời gian và tiếp điểm thường đóng là K2.
Bước 4: mô phỏng hệ thống, sau khi lắp ráp xong sơ đồ điện – khí nén ta chọn kí hiệu start trên thanh công cụ (hoặc nhấn F9) để mô phỏng hệ thống.
Hệ thống hoạt động theo nguyên lý sau: khi nhấn nút S1, điện được cấp cho rơle K1 và cuộn hút van điện từ 1Y đồng thời rơ le thời gian K2 bắt đầu đếm xi lanh tiến ra đến cuối hành trình. Khi rơle K2 đếm được 2 giây thì tiếp điểm thường đóng K2 mở ra nguồn điện cấp cho rơle K1 bị ngắt làm ngắt điện cuộn hút 1Y sau đó xy lanh lùi về vị trí ban