Tổng quan về đề tài và phương pháp luận
Tổng quan về hệ thống tay gắp phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm là giải pháp công nghiệp giúp tự động hóa quy trình phân loại, thay thế sức lao động thủ công Hệ thống này phân loại sản phẩm dựa trên các đặc tính được xác định bởi con người, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong sản xuất.
Các hệ thống phân loại sản phẩm phổ biến hiện nay:
Phân loại sản phẩm theo màu sắc là một phương pháp hiệu quả giúp nhận diện và phân loại hàng hóa dựa trên màu sắc của sản phẩm Phương pháp này thường được áp dụng trong các hệ thống camera nhận diện màu, giúp xác định và phân loại sản phẩm một cách chính xác Việc sử dụng màu sắc để phân loại không chỉ nâng cao khả năng quản lý hàng hóa mà còn cải thiện trải nghiệm của khách hàng khi tìm kiếm sản phẩm.
Sản phẩm được phân loại theo hình dáng và kích thước, dựa vào các hình dạng như tròn, vuông, tam giác và kích thước như to, nhỏ, trung bình Hệ thống phân loại này thường được tích hợp với camera chuyên dụng và các mô-đun xử lý hình ảnh, nhằm nhận diện và phân loại sản phẩm một cách chính xác trong dây chuyền sản xuất.
Phân loại sản phẩm theo khuyết tật là phương pháp dựa vào các yếu tố như vật liệu, bề mặt và cấu trúc Phương pháp này thường sử dụng sóng siêu âm, dòng điện từ, Foucault (chủ yếu với vật liệu kim loại), và X-Ray Các kỹ thuật này được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất vật liệu như nhôm, thép, và gia công cơ khí, nhằm đảm bảo chất lượng và độ chính xác của sản phẩm.
Phân loại sản phẩm theo khối lượng là phương pháp dựa vào trọng lượng của sản phẩm để xác định loại hình phân loại Phương pháp này thường được áp dụng trực tiếp trên bảng trọng lượng để phân loại các sản phẩm Nó thường gặp trong chế biến thực phẩm, đặc biệt là đối với hải sản như tôm, cá, và mực.
Các hệ thống phân loại sản phẩm phổ biến hiện nay bao gồm: phân loại thùng theo chiều cao, phân loại theo mã vạch, kiểm tra khuyết tật trong sản xuất chip và phân loại cà chua chín.
Phân loại sản phẩm theo mã vạch là một phương pháp quan trọng giúp xác định thông tin của sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác Mã vạch chứa đựng các dữ liệu cần thiết để quản lý và theo dõi sản phẩm, giúp tối ưu hóa quy trình phân loại Công nghệ quét mã vạch thường được áp dụng trong các dây chuyền logistics, sản xuất và bán lẻ, mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý hàng hóa.
Tay gắp (Gripper) trong công nghiệp là một thiết bị quan trọng được tích hợp vào các hệ thống robot, cho phép hệ thống thực hiện các nhiệm vụ như cầm, nắm hoặc nâng hạ sản phẩm một cách hiệu quả.
Trong ngành sản xuất, sự hoàn thiện về chức năng và công nghệ tự động hóa đã giúp máy móc thực hiện nhiệm vụ nhanh chóng và chính xác hơn con người Các thiết bị và máy móc hiện đại không chỉ nâng cao hiệu suất sản xuất mà còn phân loại sản phẩm một cách hiệu quả Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp như sản xuất ô tô, linh kiện điện tử, hàng tiêu dùng và dược phẩm Hiện nay, cùng với công cụ chuyển đổi số, việc cải tiến công nghệ sản xuất và nâng cao năng suất là yếu tố then chốt để doanh nghiệp phát triển bền vững Cốt lõi của quá trình nghiên cứu và cải tiến sản xuất chính là việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến, đặc biệt là tự động hóa vào quy trình vận hành, xử lý và đóng gói sản phẩm, nhằm nâng cao chất lượng đầu ra.
Vi c tích h p nhi u ch c n ng ng th i vào m t hay nhi u h th ng, dâyệ ợ ề ứ ă đồ ờ ộ ề ệ ố chuy n luôn ề đượ ử ục s d ng r ng rãi.ộ
Hệ thống máy gắp và phân loại sản phẩm tự động đã ra đời nhằm nâng cao hiệu quả lao động và tối ưu hóa quy trình sản xuất cho doanh nghiệp Nguyên lý hoạt động của hệ thống này là gắp sản phẩm từ các vị trí đầu vào, phân loại theo các tiêu chí đã được định nghĩa, và di chuyển sản phẩm đến các vị trí đã lập trình Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi trong các môi trường sản xuất hiện đại, hỗ trợ tất cả các giai đoạn từ cấp nguyên vật liệu đầu vào đến đóng gói sản phẩm đầu ra, giúp tăng tốc độ gắp sản phẩm, kể cả với những sản phẩm có kích thước nhỏ.
Hình 2 Hệ thống tay gắp phân loại sản phẩm trong công nghiệp
Hệ thống tay gắp tích hợp phân loại sản phẩm tự động, với cảm biến giám sát hành trình, cho phép thực hiện các thao tác phức tạp linh hoạt và nhanh chóng Việc ứng dụng hệ thống này trong dây chuyền tự động hóa mang lại hiệu quả cao, đảm bảo quá trình vận hành và phân loại được thực hiện chính xác và an toàn.
Máy gắp và phân loại sản phẩm tự động đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện năng suất với tốc độ vận hành cao và ổn định Chúng cho phép phân loại và gắp sản phẩm một cách chính xác và nhanh chóng, từ đó tăng cường sản lượng sản xuất Đặc biệt, máy rất hiệu quả trong quá trình phân loại hàng hóa và xây dựng kho thông minh, đồng thời có khả năng hoạt động liên tục và phát hiện tình trạng quá tải trong hệ thống.
Làm việc với tần số cao cho phép thực hiện nhanh chóng các thay đổi trong tư thế vận hành của máy trong quá trình lắp ráp Những thay đổi này diễn ra thường xuyên và có thể được hoàn thành với tốc độ nhanh, giúp tăng cường hiệu suất làm việc Hệ thống hỗ trợ thực hiện các thay đổi tư thế vận hành một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Máy gắp và phân loại sản phẩm sẽ thay thế con người trong các công việc lặp đi lặp lại, giúp tiết kiệm chi phí nhân công Với khả năng hoạt động liên tục, máy không có thời gian chết và có thể xử lý các sản phẩm nhỏ mà con người thường gặp khó khăn hoặc mất nhiều thời gian để hoàn thành.
Máy được trang bị cảm biến tiên tiến, cho phép thực hiện các quy trình sản xuất phức tạp và liên tục, đồng thời thu thập dữ liệu để cải tiến dây chuyền sản xuất Hệ thống gắp và phân loại tự động xử lý linh kiện, hàng hóa và sản phẩm với tốc độ nhanh, đảm bảo tiến độ và chất lượng Việc sử dụng cảm biến giúp sắp xếp và phân loại sản phẩm với độ chính xác cao.
C s ph ng pháp lu n thi t k liên ngành ơ ở ươ ậ ế ế
Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin và sự tích hợp giữa các lĩnh vực kỹ thuật đã làm cho các vấn đề kỹ thuật trở nên phức tạp hơn Những vấn đề này mang tính đa ngành và cần một phương pháp tiếp cận hệ thống kỹ thuật đa ngành để giải quyết, được gọi là hệ thống Cơ điện tử Sản phẩm hiện đại ngày nay được xem là sản phẩm Cơ điện tử, tích hợp các cấu trúc cơ khí, hệ thống điện tử, hệ thống điều khiển thông minh và công nghệ thông tin Chương này sẽ trình bày phương pháp luận thiết kế hệ thống cơ điện tử, phạm vi áp dụng và một số ngôn ngữ thiết kế hệ thống.
1.2.1 Mô hình V trong thiết kế cơ điện tử
Mô hình V trình bày quy trình phát triển sản phẩm từ việc xác định yêu cầu người dùng đến việc xác nhận hệ thống cuối cùng Quá trình này bắt đầu với việc kiểm soát các yêu cầu dự án và kết thúc khi sản phẩm được người dùng xác nhận Mỗi giai đoạn trong định nghĩa sản phẩm cần được kiểm tra kỹ lưỡng, với các công cụ và ngôn ngữ khác nhau được áp dụng cho từng bước Mục tiêu của tích hợp và xác minh là đảm bảo tính chính xác của từng giai đoạn Mặc dù mô hình V cung cấp quy trình thiết kế đồng thời, nhưng nó vẫn cần các phương pháp tổ chức cụ thể để tối ưu hóa việc áp dụng.
1.2.2 Ph ng pháp VDI 2206ươ
Một trong những yếu tố quan trọng trong phát triển hệ thống cơ điện tử hiện đại là sự tích hợp chặt chẽ giữa các lĩnh vực cơ khí, điều khiển, điện, điện tử và phần mềm ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu Mô hình V trong VDI 2206 được áp dụng như một phương pháp luận để thiết kế các hệ thống CĐT, nhằm đáp ứng thách thức liên tục trong việc tích hợp các nhóm liên ngành, từ đó rút ngắn thời gian phát triển, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.
Hình 3 Kĩ thuật thiết kế hệ thống theo sơ đồ chữ V
VDI 2206 là một phương pháp mô hình hóa chức năng, sử dụng mô hình
Phương pháp mô hình chức năng trong cấp vĩ mô là cách tiếp cận nhằm xác định cấu trúc của một hệ thống bằng cách thu thập và xử lý thông tin liên quan đến mục đích của hệ thống đó Phương pháp này giúp hiểu rõ chức năng của từng thành phần trong hệ thống, từ đó đảm bảo chúng hoạt động hiệu quả để đạt được mục tiêu chung.
VDI 2206 chia quá trình thiết kế hệ thống cơ điện tử thành năm giai đoạn chính: thiết kế hệ thống, mô hình hóa và phân tích mô hình, thiết kế miền cụ thể, tích hợp hệ thống và đảm bảo các thuộc tính.
Mục tiêu của giai đoạn thiết kế hệ thống là xác định giải pháp tên miền chéo, phân chia chức năng tổng thể thành các chức năng phụ Giai đoạn mô hình hóa và phân tích sử dụng công cụ hỗ trợ để điều tra thuộc tính hệ thống Thiết kế dành riêng cho miền được coi là các dự án phát triển nhỏ hơn diễn ra song song Kết quả từ thiết kế này sẽ được tích hợp vào hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh trong giai đoạn tích hợp hệ thống, nhằm đảm bảo rằng kết quả đáp ứng khái niệm giải pháp đã được xác định VDI 2206 cung cấp hướng dẫn thực hành cho thiết kế hệ thống.
Hình 4 Mô hình chữ V trong VDI 2206
Hình 5 Mô hình VDI 2206 thống cơ điện tử So với mô hình V, nó thống nhất thiết kế miền cụ thể hơn một cách có hệ thống.
Đề xuất áp dụng VDI 2206 nhằm xây dựng quy trình thiết kế và kiểm nghiệm hệ thống cơ điện tử với bộ điều khiển PLC, sử dụng công cụ Automation Studio, sẽ giúp nâng cao hiệu quả và chất lượng trong quá trình phát triển sản phẩm.
NX MCD tích hợp ba lĩnh vực kỹ thuật: cơ khí, điều khiển và điện khí nén, từ giai đoạn đầu của thiết kế Việc này nhằm giải quyết hiệu quả bài toán liên kết dữ liệu giữa các ngành khác nhau.
1.2.3 Quy trình thiết kế tích hợp liên ngành hệ thống Trạm tay gắp sản phẩm.
Quá trình thiết kế sản phẩm cần xây dựng và xuất hiện đầy đủ các chức năng, phần tử mô phỏng của hệ thống, từ cơ-khí nén đến điện điều khiển Điều này giúp đảm bảo nguyên lý và hiệu suất hoạt động của hệ thống từ những bước đầu tiên trong quy trình thiết kế và phát triển sản phẩm Việc ứng dụng tiêu chuẩn VDI là rất quan trọng trong quá trình này.
Quy trình thiết kế kiểm nghiệm hệ thống cơ điện tử theo tiêu chuẩn 2206 sẽ giải quyết hiệu quả vấn đề phối hợp giữa các lĩnh vực kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật điều khiển và kỹ thuật điện khí nén ngay từ giai đoạn đầu Quy trình này được xây dựng dựa trên các giai đoạn chính của VDI, nhằm đảm bảo tính tích hợp và liên ngành trong thiết kế.
1.2.3.1 Xác định yêu cầu hệ thống
Mục tiêu đầu tiên trong quy trình thiết kế tích hợp liên ngành là xác định yêu cầu và mục tiêu thiết kế của hệ thống, nhằm thu thập thông tin chi tiết về sản phẩm, bao gồm ứng dụng, điều kiện hoạt động, yếu tố môi trường và các thông số kỹ thuật ảnh hưởng đến chất lượng, kích thước và chi phí Việc nghiên cứu thị trường, nhu cầu, sở thích và yêu cầu của người dùng sẽ giúp hình thành các đặc điểm kỹ thuật cho thiết kế sơ bộ, từ đó đưa ra kết luận để trả lời các câu hỏi quan trọng liên quan đến thiết kế.
Hệ thống thiết kế là gì? Mục đích của việc thiết kế hệ thống này? Các chức năng
Hình 6 Quy trình thiết kế tích hợp liên ngành trong cơ điện tử tối thiểu cần đáp ứng của hệ thống là gì?
1.2.3.2 Thiết kế, kiểm nghiệm ý tưởng hệ thống
Thiết kế ý tưởng là giai đoạn đầu trong quá trình thiết kế hệ thống, nơi mà các ý tưởng liên ngành được đề xuất để mô tả chức năng tổng thể và các chức năng phụ quan trọng của sản phẩm nhằm giải quyết vấn đề thiết kế Giai đoạn này yêu cầu trả lời các câu hỏi cơ bản như: Hệ thống là gì? Các chức năng mong muốn của hệ thống ra sao? Cần xác định kiến trúc hệ thống sơ bộ và các cấu trúc con như cơ khí, điện, và điều khiển Đồng thời, chức năng tổng thể cần được chia thành các chức năng con và đưa ra giải pháp cho từng bài toán cụ thể Các mô hình cấu trúc chức năng, trình tự phân cấp hệ thống, và luồng thông tin giữa các thành phần cũng cần được xây dựng để hình thành sơ đồ khối sơ bộ, từ đó đưa ra đánh giá về chi phí và tính khả thi của thiết kế.
Sau khi phát triển ý tưởng thiết kế hệ thống, việc mô hình hóa và mô phỏng phân tích các lĩnh vực như cơ khí, điện-điều khiển là rất quan trọng Điều này giúp đánh giá tính liên kết và phối hợp hoạt động của toàn bộ hệ thống, khẳng định tính chính xác của sản phẩm và khả năng đáp ứng yêu cầu hệ thống Công cụ Automation Studio, với khả năng mô phỏng hệ thống khí nén và điện-điều khiển, cùng với các công cụ kết nối các lĩnh vực riêng biệt, được nhóm sử dụng để kiểm nghiệm và xác minh ý tưởng thiết kế hệ thống trong giai đoạn này.
1.2.3.3 Thiết kế, kiểm nghiệm hệ thống ảo trong mô trường số
Sau khi ý tưởng thiết kế hệ thống được xác minh, các thiết kế đơn miền cụ thể sẽ được thực hiện và kiểm nghiệm riêng biệt Miền cơ khí được thiết kế và xác minh bằng phần mềm CAD trong không gian 3D, như NX, Catia, hoặc Solidworks Đồng thời, chương trình điều khiển được phát triển bằng Tia Portal, và hệ thống điện khí nén được xây dựng bằng Automation Studio Chương trình điều khiển PLC được thiết kế dựa trên danh sách chức năng hoạt động và danh sách tín hiệu I/O, kết hợp với các kỹ thuật điều khiển, đảm bảo rằng các tín hiệu I/O trên các miền khác nhau được sử dụng một cách đồng nhất.
Sau khi hoàn tất thiết kế và đánh giá từng miền, dữ liệu từ các miền sẽ được kết nối để tích hợp hệ thống Hình 7 minh họa mô hình nguyên lý cho việc tích hợp ba miền của hệ thống, sau khi đã phát triển trên từng miền riêng lẻ Qui trình tích hợp hệ thống giúp phát hiện các lỗi liên quan đến tích hợp đa ngành và xác minh hoạt động của hệ thống một cách chính xác.
1.2.3.4 Phương pháp mô phỏng vòng lặp phần cứng HIL (Hardware in the loop)
Đề xuất thiết kế ý tưởng
Yêu c u thi t k và thông s u vào ầ ế ế ố đầ
- Thông s hình h c c a phôi: hình tr bán kính R = 20mm, chi u cao h = 25mm,ố ọ ủ ụ ề có 2 lo i phôi: phôi tr ng và phôi màuạ ắ
-Th i gian cho 1 chu kì ho t ng 20sờ ạ độ
Thiết kế không gian sống cần tích hợp thêm chức năng phân loại, trong đó phôi được phân loại trước khi được đặt vào vị trí lưu trữ Vị trí lưu trữ cần có thị giác rõ ràng để có thể dễ dàng truy cập 3-5 phôi mỗi lần.
Cách bố trí hệ thống thu nạp cho việc bố trí hệ thống điều khiển cần đảm bảo sự liên kết giữa các module Việc tháo lắp các module phải được thực hiện một cách hợp lý, nhằm đảm bảo tính phù hợp giữa các thành phần Điều này giúp thực hiện các thao tác phức tạp một cách hiệu quả và an toàn.
- K t c u c a h th ng ph i m b o các yêu c u v an toàn, tính c ng v ng vàế ấ ủ ệ ố ả đả ả ầ ề ứ ữ b n ề
Quá trình thiết kế cần tuân thủ phương pháp luận thiết kế hệ thống chặt chẽ, từ yêu cầu thiết kế hệ thống, sẽ phân chia các chức năng để đáp ứng yêu cầu đã đặt ra bằng những phần tử logic và vật lý phù hợp Đồng thời, cần tính toán và thiết kế song song các mảng cơ khí, điều khiển và khí nén.
Phân tích xu t h th ng đề ấ ệ ố
Hình 9 Cấu tạo bộ đôi số
2.2.1 Phân tích yêu c u thi t kầ ế ế
Hệ thống thiết kế chung cho ngành công nghiệp bao gồm hai chức năng chính: vận chuyển phôi và phân loại phôi Hệ thống này được cấu thành từ các module chính như module cơ khí (thiết bị vận chuyển, thiết bị băng tải, ), module điều khiển (biểu kiện, các thiết bị hay cảm biến) và module điều khiển bằng khí nén Mỗi module đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
+) Module c khí ơ được thi t k tùy bi n và tích h p vào h th ng d a vào cácế ế ế ợ ệ ố ự c i m c a phôi nh : kích th c, hình d ng, kh i l ng hay n ng su t yêu c u đặ đ ể ủ ư ướ ạ ố ượ ă ấ ầ
+) Module i n – i u khi n và module khí nén i u khi n đ ệ đ ề ể đ ề ể đượ đềc xu t songấ song d a vào các c i m và tín hi u c a các ph n t c khíự đặ đ ể ệ ủ ầ ử ơ
Việc xác định yêu cầu của hệ thống một cách tỉ mỉ và chi tiết giúp cho các phân tích sau này trở nên trực quan, từ đó giảm thiểu thời gian thiết kế sản phẩm Các yêu cầu có thể được suy ra từ những yêu cầu trước đó hoặc được phân bổ thành các yêu cầu cấp dưới Phân tích các yêu cầu thiết kế và đưa ra xu hướng thiết kế là rất quan trọng để đảm bảo tính hiệu quả trong quá trình phát triển sản phẩm.
2.2.1.2 Đưa ra thi t k xu tế ế đề ấ
- T yêu c u thông s u vào và c s phân tích thi t k , nhóm chúng em ã ừ ầ ố đầ ơ ở ế ế đ đề xu t v mô hình 1D s b c a h th ng ấ ề ơ ộ ủ ệ ố được mô t b i hình v d i ây: ả ở ẽ ướ đ
Hình 10 Biểu đồ phân cấp đề xuất thiết kế
Thông qua việc phân tích chức năng của các hệ thống, chúng ta có thể xác định các yêu cầu cụ thể của từng module, đồng thời đáp ứng yêu cầu chung của toàn bộ hệ thống Các yêu cầu này được phân bổ theo từng nhiệm vụ và chức năng hành vi mong muốn, từ đó tạo ra một cấu trúc tổ chức hiệu quả.
Module k t c u c khí là một hệ thống bao gồm các cấu trúc dùng để vận chuyển và lưu trữ phôi Nhóm chúng tôi đã xuất mô hình trạm tay gắp 2 trục, giúp cải thiện hiệu suất công việc Hệ thống này có khả năng di chuyển linh hoạt từ vị trí đầu đến cuối, với các cấu trúc nâng hạ được thiết kế theo tiêu chuẩn cao.
Z ti n hành l y phôi ho c a phôi vào khu l u tr Trong quá trình v nđể ế ấ ặ đư ư ữ ậ chuy n, phôi ể đượ ố địc c nh v i c c u d n h ng nh tay k pớ ơ ấ ẫ ướ ờ ẹ
Module i n – i u khi n là hệ thống thu thập tín hiệu về vị trí và hành trình của các phần tử trong module kết cấu khí Nó cho phép điều khiển bằng PLC và bảng điều khiển HMI với các nút bấm chức năng Các tín hiệu về vị trí và hành trình được gửi về bộ điều khiển để tích hợp các cảm biến, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống.
+) Module khí nén i u khi n: bao g m các van i u khi n xilanh, van ch nh l uđ ề ể ồ đ ề ể ỉ ư có tác ng n hành trình, v trí c a các xilanh trong k t c u c khí ã độ đế ị ủ ế ấ ơ đ đượ đềc xu t.ấ
Nh vi c phân tích ch c n ng, nhóm ã a ra b ng th ng kê các thi t b xu tờ ệ ứ ă đ đư ả ố ế ị đề ấ theo t ng c m ch c n ng:ừ ụ ứ ă
Hình 11 Mô hình hệ thống sơ bộ
Chức năng Đề xuất chọn Kí hiệu
Dẫn hướng dọc trục X Xilanh khí nén loại không có cần đẩy Nâng hạ phôi theo trục Z Xilanh khí nén tác động kép
Kẹp, nhả phôi Tay kẹp khí nén tác động kép
Cấp phôi đầu vào Module chứa phôi
Lưu trữ phôi được phân loại Cụm máng trượt kép
Chức năng Đề xuất chọn Kí hiệu
Nhận biết có phôi Cảm biến khuếch tán
Nhận biết màu của phôi Cảm biến khuếch tán
Nhận biết vị trí xilanh ngang Cảm biến tiệm cận
Nhận biết vị trí xilanh nâng hạ Cảm biến tiệm cận
Trung tâm điều khiển Bộ điều khiển PLC
Module điều khiển khí nén
Chức năng Đề xuất chọn Kí hiệu Điều khiển xilanh khí nén Van điện từ
Thay đổi vận tốc cơ cấu chấp hành Van tiết lưu
- T mô hình xu t ta a ra nguyên lý ho t ng s b :ừ đề ấ đư ạ độ ơ ộ
2.3 Các thành ph n chính c a tr m tay g p phân lo i s n ph mầ ủ ạ ắ ạ ả ẩ
2.3.1.1 C c u d n h ng xilanh không tr cơ ấ ẫ ướ ụ
Xilanh không trục là một thiết bị điều khiển bằng khí nén, cho phép chuyển động trượt theo trục của xilanh mà không cần tới trục chính Thiết bị này được ứng dụng rộng rãi trong việc nâng hạ và di chuyển vật thể, mang lại hiệu quả cao trong các quy trình sản xuất.
Các thành phần của xi lanh không trục:
(A): cơ cấu dẫn hướng có tích hợp nam châm, (B): đệm cuối có thể điều chỉnh được ở cả hai đầu, (C): nắp cuối, (D): băng thép chống ăn mòn, (E): thùng xi lanh
Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên chuyển động của piston bên trong thùng xi lanh, được dẫn động bằng khí nén Piston di chuyển theo hai hướng dọc theo chiều dài của xi lanh, tùy thuộc vào áp suất không khí tại mỗi cổng Nó được gắn với một hạt tải điện, và giá đỡ này hỗ trợ tải trọng di chuyển cùng với piston Các bang thép cho phép vật mang di chuyển qua lại và tạo ra sự bịt kín đáng tin cậy của rãnh xi lanh Dưới giá đỡ, các bang thép được uốn cong để kết nối giữa piston và giá đỡ Cuối cùng, có đệm điều chỉnh ở cả hai đầu để ngăn chặn điểm dừng cứng sau khi di chuyển hết chiều dài.
Hình 12 Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 13 Cấu tạo của xy lanh không trục
- Ưu điểm của xilanh không trục:
+) Giới hạn hành trình lý tưởng hơn xilanh khí nén thông thường
+) Có khả năng chịu tải lớn và chịu tác động của momen lực, momen uốn
+) Không có cần đẩy để truyền động, tránh các nguy cơ về cong vênh biến dạng do ứng suất gây ra bởi lực và momen
+) Lực tác dụng theo cả 2 hướng di chuyển là như nhau
Hiện nay, có ba loại xilanh không trục chính, được phân loại dựa trên cách dẫn hướng được lắp ráp và tịnh tiến với trục giá đỡ của xilanh.
+) Từ tính (A): dẫn hướng được kết nối với giá đỡ bằng lực điện từ
Cáp (C) là dây kết nối với dẫn hướng thông qua ròng rọc ở mỗi đầu, trong khi rãnh trượt (B) được thiết kế trên mặt giá đỡ để cho phép dẫn hướng di chuyển linh hoạt dọc theo chiều dài giá đỡ Đây là loại xilanh không trục phổ biến nhất hiện nay.
Xilanh không trục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp như ô tô, chế tạo máy, thực phẩm, in ấn và lưu kho nhờ vào những đặc điểm nổi bật của nó.
Hình 15 Các loại xilanh không trục được sử dụng phổ biến hiện nay
Hình 14 Kí hiệu của xy lanh không trục
2.3.1.2 Cơ cấu nâng hạ bằng xilanh khí nén
Xi lanh khí nén là thiết bị cơ khí chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động thẳng Xi lanh tác dụng kép di chuyển piston ra vào nhờ khí nén, trong khi xi lanh tác dụng đơn chỉ di chuyển theo một chiều và hồi về vị trí ban đầu.
Trong quá trình hoạt động của xilanh khí nén, việc bổ sung các phụ kiện như cảm biến để phát hiện vị trí của piston là rất quan trọng Ngoài ra, các thành phần cũng có thể được lắp đặt vào đầu ra của piston tùy theo mục đích thiết kế, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và đáp ứng nhu cầu cụ thể trong ứng dụng.
Hình ảnh mô tả các thành phần chính của xi lanh khí nén tác động kép, bao gồm cổng cuối nắp (A), thanh giằng (B), cổng cuối thanh (C), piston (D), thùng (E) và cần piston (F).
Xi lanh tác động đơn chỉ có một cổng ở đầu nắp hoặc đầu thanh và sử dụng lò xo cơ học cho chuyển động thứ cấp Nòng xi lanh khí nén được bịt kín hai đầu bằng nắp đầu và nắp cuối, cho phép không khí nén hoặc lò xo di chuyển piston và piston tiếp theo.
+) Chiều dài hành trình của xi lanh khí nén là khoảng cách mà thanh piston có thể kéo dài.
+) Xilanh tác động đơn: Áp lực khí nén chỉ tác dụng vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực hay lực lò xo tác dụng
Xilanh tác động kép là thiết bị sử dụng áp suất khí nén để điều khiển chuyển động Áp suất được dẫn vào cả hai phía của xilanh, cho phép nó di chuyển vào hoặc ra tùy thuộc vào mức áp lực.
Hình 16 Cấu tạo của xy lanh khí nén
Thiết kế, mô hình hóa, mô phỏng đánh giá đơn miền kết hợp tích hợp phân tích đa miền ý tưởng thiết kế hệ thống sử dụng công cụ
Phần mền automation studio
Automation Studio là m t ph n m m công c thi t k và tính toán và mô ph ng.ộ ầ ề ụ ế ế ỏ
Nó được phát triển dành cho lĩnh vực Tự động hóa trong công nghiệp, có khả năng sử dụng để thiết kế và kiểm tra các điều kiện cần thiết Các nhà máy kết hợp với nhau để tạo ra giải pháp tối ưu cho việc tự động hóa, đã dẫn đến việc sử dụng rộng rãi trong công nghiệp một cách chất lượng và hiệu quả Với sự xác định rõ ràng của các quá trình và chương trình tự động, môi trường của Automation Studio cung cấp tất cả các công cụ thiết kế cần thiết.
B n thân ch ng trình bao g m : ả ươ ồ
1 Diagram Editor: cung c p cho b n cách t o, mô ph ng bi u và làm báo cáo.ấ ạ ạ ỏ ể đồ
2 Project Explorer: gi i quy t vi c qu n lí file và phân lo i t t c các tài li uả ế ệ ả ạ ấ ả ệ c liên k t v i tài mô ph ng. đượ ế ớ đề ỏ
3 Library Explorer: cung c p nh ng th vi n d ng kí hi u c n thi t cho vi c t oấ ữ ư ệ ạ ệ ầ ế ệ ạ bi u làm nên 1 tài c a b n.ể đồ để đề ủ ạ
4 Library window – cho phép s d ng hi n th d ng cây và l a ch n theoử ụ để ể ị ạ ự ọ nh ng nhóm và nh ng h ph n t th y khí c bi t… ữ ữ ọ ầ ử ủ đặ ệ
5 Component window: c a s các ph n t c a th vi n.ử ổ ầ ử ủ ư ệ
Hình 29 Giao diện làm việc của Automation Studio th c hi n mô ph ng h th ng khí nén ta s d ng công c : Simulation trên Để ự ệ ỏ ệ ố ử ụ ụ thanh công c ụ
Hình 30 Công cụ mô phỏng Simulation
- Normal (bình th ng)- mô ph ng m ch t c bình th ng.ườ ỏ ạ ở ố độ ườ
- Step by step (t ng b c) – mô ph ng m ch n i mà chu t nh n làm thay i 1ừ ướ ỏ ạ ở ơ ộ ấ đổ chu trình (vòng)
- Slow Motion (chuy n ng ch m) – mô ph ng m ch t c ch m nh t.ể độ ậ ỏ ạ ở ố độ ậ ấ
- Pause (ng t mô ph ng).ắ ỏ
Automation Studio (A.S) và Festo FluidSim (F.F) là hai công cụ quan trọng trong mô phỏng hệ thống điều khiển A.S cung cấp tính năng tích hợp PLC, cho phép người dùng mô phỏng và điều khiển trực tiếp các quá trình công nghiệp một cách chính xác hơn Việc sử dụng Communication Manager trong A.S giúp kết nối tín hiệu giữa PLC và mô phỏng khí nén, nâng cao hiệu quả trong việc thực hiện các quy trình điều khiển.
Hình 31 Công cụ Communication Manager
Automation Studio cung cấp công cụ thiết kế và mô phỏng cho các mạch khí nén, thủy lực, giao diện HMI, cùng với mạch điện và điều khiển sử dụng PLC Điều này giúp tối ưu hóa quá trình đánh giá ý tưởng trong phát triển hệ thống, cho phép phân tích hệ thống từ góc nhìn tích hợp đa miền.
Thiết kế, mô hình hóa, mô phỏng đơn miền ý tưởng hệ thống
Chúng ta chọn tay kẹp khí nén 2 ngón để cố định phôi trong quá trình vận chuyển đến vị trí lưu trữ Dựa vào các yêu cầu về hình dạng, kích thước và khối lượng của phôi đã được đề cập trong chương trước, chúng ta tính toán các thông số cần thiết để chế tạo tay kẹp.
Hình 32 Một dự án thiết kế xây dựng trong Automaton studio
Trong quá trình vận chuyển phôi bằng hai cơ cấu dẫn hướng, lực tác dụng lên phôi được xác định bởi điều kiện cân bằng Để phôi giữ được vị trí ổn định so với tay kẹp trong quá trình tịnh tiến, cần thỏa mãn phương trình mg = 2μF0, với m là khối lượng phôi (6g) và g là gia tốc rơi tự do (9,81 m/s^2).
F0 là lực kẹp tối thiểu cần thiết mà tay kẹp tác dụng lên phôi; μ = 0,2 là hệ số ma sát;
Từ công thức (3.1) ta suy ra lực kẹp F0 = mg 2 μ = 0,006.9,81 2.0,2 = 0,14715 (N)
Khi chọn loại tay kẹp, cần đảm bảo lực kẹp đạt yêu cầu F ≥ F0 để giữ phôi cố định trong quá trình vận chuyển Do đó, tay kẹp seri MHZJ2-16D-M9BVL với thiết kế kẹp song song và nắp đậy chống bụi là sự lựa chọn phù hợp, đảm bảo hiệu suất kẹp tối ưu.
F = 40 N Khối lượng tay kẹp là m = 130 g
Thông số cụ thể của bộ kẹp được đưa ra dưới bảng sau đây:
Hình 33 Sơ đồ lực tác dụng vào phôi
Hình 34 Tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL
Để đảm bảo độ bám dính cho phôi có bề mặt hình trục tròn, chúng tôi thiết kế thêm các ngón kẹp cho tay kẹp Khi phôi được gắp, cảm biến quang sẽ được tích hợp để nhận dạng màu sắc của phôi, nâng cao hiệu quả trong quá trình kẹp.
3.2.1.2 Tính chọn xilanh khí nén nâng hạ
Xilanh khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc nâng hạ cụm phôi và tay kẹp theo trục Z một cách linh hoạt trong hệ thống Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần thiết phải sử dụng một miếng đệm kim loại làm khớp nối trung gian giữa cần đẩy và piston khí nén.
- Sơ đồ động học trong quá trình nâng:
Hình 36 Sơ đồ lực tác trong quá trình nângHình 35 Thông số của tay kẹp MHZJ2-16D-M9BVL Điều kiện để nâng được phôi:
Trong đó F là lực nâng của xilanh
P là trọng lượng của cụm cần nâng
Ta có P = Pphôi + Ptay kẹp + Pkhớp = 9,81 (0,006 + 0,13 + 0,364) = 4,905 (N)
Trong đó: d là đường kính piston p là áp suất của xilanh Chọn p = 2.10 5 (N/m)
Thay số ta được d ≥ √ 3,14.2 4.4,905 10 5 = 0,0056 m = 5,6 mm
Như vậy ở đây ta chọn xilan khí nén có đường kính piston d = 18 mm và hành trình là 80 mm có seri là DZF-18-80-A-P-A với thông số được cho dưới đây:
Hình 37 Thông số của xilanh DZF-18-80-A-P-A
Ta tính được khối lượng xilanh nâng hạ lớn nhất khi piston đi hết hành trình: m xilanh nânghạ = 107 + 24 + 8 ( 13 + 4) = 267 (g)
3.2.1.3 Tính chọn xilanh không trục
Phôi được di chuyển dọc theo trục X đến vị trí lưu trữ bằng cơ cấu xilanh không trục, sử dụng con trượt làm cơ cấu dẫn hướng Nhóm chúng em đề xuất sử dụng xilanh không trục dòng MY1M cho quá trình này.
Quy trình lựa chọn và kiểm định xilanh không trượt bao gồm việc đề xuất xilanh không trục seri MY1M16-600AL-M9BL3 Để đảm bảo hệ số tải, cần tiến hành kiểm nghiệm các thông số kỹ thuật của xilanh này.
Hệ số tải được xác định bằng công thức cụ thể, với điều kiện an toàn yêu cầu hệ số này phải nhỏ hơn hoặc bằng 1 Hệ số tải bao gồm ba thành phần chính: hệ số tải khối lượng, hệ số tải momen tĩnh và hệ số tải momen động Quá trình tính toán và lựa chọn diễn ra thông qua việc xác định các thành phần này dựa trên các thông số đã có sẵn.
Hình 38 Quy trình tính chọn xilanh không trục
Với series MY1M, các thông số cho phép về khối lượng tải và momen tĩnh dựa theo kích thước được biễu diễn ở bảng dưới đây:
Lực tác động tĩnh và momen tĩnh phát sinh trong quá trình con trượt dẫn hướng của xilanh không trục chuyển động Công thức xác định lực tải tĩnh cùng với các thành phần của momen tĩnh được minh họa trong hình dưới đây.
Trong đó: mn (kg) là tổng khối lượng của hệ g = 9,81 (m/s 2 ) là gia tốc rơi tự do νa là vận tốc trung bình của con trượt
Giá trị [ME] được xác định dựa vào độ lớn của νa, được biểu diễn bởi đồ thị sau đây:
Hình 40 Công thức tính độ lớn lực tải tĩnh và momen tĩnh Hình 39 Thông số cho phép về khối lượng tải và momen tĩnh của xilanh MY1M
- Ta có sơ đồ tĩnh học biểu diễn các thông số đầu vào để kiểm định:
Vị trí và kích thước mỗi thành phần trong hệ được biểu diễn như sau:
Hình 41 Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của [M] vào giái trị vận tốc con trượt
Hình 42 Sơ đồ tĩnh học của hệ thống
Thành phần Khối lượng Vị trí khối tâm
Xilanh kẹp 130 g 130 mm 143.15 mm 45.85 mm
Khớp nối 364 g 130 mm 86 mm 45.85 mm
Chọn vận tốc xilanh trung bình để khảo sát là νa = 200 mm/s.
Từ các thông số ban đầu, ta tiến hành các bước tính chọn và kiểm định xilanh không trục.
- Xác định các thông số cho khối tâm G của hệ: m G =m phôi + m kẹp +m khớpnối +m xilanhnâng +m miếngđệm + m contrượt
Hình 43 Sơ đồ vị trí khối tâm của các thành phần zG = 1,326 1 (0,04585 (0,006 + 0,13 + 0,364+0,267) + 0,249 0,0075 + 0,310.0,02375)
- Tính toán các hệ số tĩnh:
- Tính toán hệ số momen động:
+) Lực tải động: FE = 100 1,4 νa mG g = 100 1,4 100.1,326 9,81 = 18,2 (N) +) Các thành phần momen động:
Với vận tốc trung bình νa = 100 mm/s, dựa vào đồ thị ở hình 3.8 ta xác định được [M3E] = 1(N.m), [M1E] = 6 (N.m)
Vậy các hệ số momen tĩnh sẽ là: α M 1 E = [ M M 1E
- Như vậy hệ số tải sẽ là:
Do đó việc ta chọn xilanh không trục với series MY1M16-600AL-M9BL3 làm cơ cấu dẫn hướng sẽ đảm bảo các yêu cầu về an toàn.
3.2.1.4 Xây dựng hệ thống khí nén trong Automation Studio
Hệ thống điều khiển sử dụng 3 xy lanh được lựa chọn theo yêu cầu thiết kế mạch khí nén, bao gồm 3 van điện từ điều khiển Xy lanh không trục tác động kép với 3 vị trí được điều khiển bằng van điện từ 5/3, trong khi xy lanh nâng hạ và xy lanh tay kẹp sử dụng van điện từ 5/2 Mỗi xy lanh được trang bị 2 van tiết lưu để điều chỉnh tốc độ hoạt động Đối với xy lanh không trục nằm ngang, cần bổ sung van Pilot Operation Check Valve để duy trì ổn định khi xy lanh dừng ở vị trí giữa hành trình Hệ thống cũng bao gồm bộ lọc và bộ điều chỉnh khí để loại bỏ hơi nước và điều chỉnh áp suất hoạt động.
Hình 44 Pilot Operation check valve Hình 45 Kí hiệu bộ lọc và điều chỉnh áp suất khí hệ thống
Automation Studio cung cấp nhiều mô hình cho các phần tử thủy lực và khí nén, cùng với bộ Cataloge từ các hãng, giúp người dùng mô phỏng thiết kế chính xác, lựa chọn thiết bị phù hợp và tính toán chi phí ngay từ giai đoạn thiết kế ban đầu.
Hình 46 Hệ thống khí nén
3.2.1.5 Mô hình hóa, mô phỏng các thành phần trong mạch khí nén của hệ thống
Các xy lanh khí nén
Các mô hình xy lanh khí nén trong Automation Studio bao gồm nhiều loại như xy lanh không trục, xy lanh hai trục, và các xy lanh tác dụng đơn, tác dụng kép Việc mô hình hóa các phần tử này được thực hiện thông qua việc cài đặt các thông số cụ thể cho từng phần tử Hình 40 và 41 minh họa các thông số của xy lanh cùng với các mô hình và phương trình hệ thống được sử dụng để tính toán và mô phỏng hoạt động của xy lanh.
Hình 48 Mô hình và các phương trình để mô tính toán mô phỏng xy lanh
Hình 47 Các thông số của xy lanh
Dưới đây là bảng giá trị các thông số được trích xuất từ cataloge của hãng, nhằm hỗ trợ việc cài đặt thông số cho các xy lanh Các thông số này được cung cấp bởi hãng và tương đương với các xy lanh có dạng hình trụ.
Xy lanh Đường kính pít tông Đường kính cần Giới hạn hành trình
Xy lanh không trục nằm ngang 16 0 600
Việc đặt tải cho các xy lanh giúp quan sát giá trị áp suất, lưu lượng và đánh giá động lực học khí nén ở áp suất 6 bar Quá trình này nhằm xác định khả năng nâng hạ tải của xy lanh có đạt yêu cầu hay không Automation Studio cung cấp ba phương pháp để thực hiện việc đặt tải này.
Dùng Mechanism cho xy lanh nằm ngang và xy lanh di chuyển dọc
Đặt các giá trị tải cố định vào phần thông số của xy lanh.
Nhóm đã áp dụng phương pháp đồ thị để thể hiện lực cản và lực kéo cho xy lanh, sử dụng công cụ mechanism để đặt tải cho xy lanh không trục và xy lanh dọc trục, đồng thời xây dựng mô hình trực quan sơ bộ cho hệ thống Tuy nhiên, với xy lanh tay kẹp, do cấu tạo cơ khí phức tạp và hạn chế của phần mềm, nhóm không thực hiện đánh giá tay kẹp qua quá trình mô phỏng trong Automation Studio.