CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Khái quát về dây chuyền sản xuất trong ngành công nghiệp hàn
2.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển của robot trong công nghiệp
Sáng kiến về cổ máy thay thế con người đã xuất hiện từ thời Ai Cập cổ đại, nhưng phải đến cuối thế kỷ 19, Nikola Tesla mới chế tạo thiết bị vận hành tương tự robot hiện đại Mặc dù phát minh của ông không được chú ý ngay lập tức, nhưng đã đặt nền tảng cho sự phát triển của robot, dẫn đến sự ra đời của hai sản phẩm nổi bật ngày nay: Unimate và Stanford Arm.
Robot Unimate là robot công nghiệp đầu tiên, được ứng dụng trong dây chuyền sản xuất của General Motors vào năm 1961 Nó đảm nhận công việc đúc khuôn, một trong những công việc nguy hiểm nhất do phải làm việc ở nhiệt độ cao và tiếp xúc với hóa chất độc hại trong quá trình nóng chảy kim loại Việc sử dụng robot Unimate không chỉ giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu rủi ro cho công nhân ở những khu vực nguy hiểm và độc hại.
Stanford Arm, được giới thiệu vào năm 1969 bởi Victor Scheinman, sinh viên ngành cơ khí tại Đại học Stanford, California, đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong ngành công nghiệp Đây là robot đầu tiên có khả năng quay 6 bậc tự do, cho phép hoạt động linh hoạt và hiệu quả Sự kết hợp với máy tính giúp robot nhận diện các vật thể, lắp ráp chi tiết và thực hiện nhiều tác vụ phức tạp, từ đó mở ra nhiều ứng dụng mới trong tự động hóa.
2.1.2 Sơ lược về đồ gá
Đồ gá là công nghệ quan trọng trong gia công cơ khí, lắp ráp và kiểm tra sản phẩm, giúp xác định vị trí phôi so với dụng cụ hàn và cắt Nó giữ chặt sản phẩm ở vị trí cần gia công, đảm bảo độ chính xác và an toàn trong quá trình sản xuất Việc cố định vị trí giúp tránh ảnh hưởng từ các ngoại lực xung quanh, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.
Có nhiều loại đồ gá tùy vào nhu cầu và mục đích sử dung nhưng hầu hết đều có các bộ phận cơ bản sau:
- Thân và đế đồ gá
- Cơ cấu định vị, kẹp chặt đồ gá vào máy
Phân loại và ứng dụng
- Theo công dụng: gồm 3 loại
Đồ gá gia công: phay, tiện, khoan…
- Theo tính chất vạn năng
Đồ gá vạn năng: có thể sử dụng cho nhiều chi tiết khác nhau: Ê tô, bàn gá quay, đầu phân độ…
Đồ gá chuyên dụng: chỉ sử dụng cho 1 loại chi tiết xác định
- Theo nguyên tắc truyền lực kẹp:
Đồ gá khí nén, thủy lực
2.1.3 Đồ gá phục vụ cho robot hàn tự động
Việc ứng dụng robot vào dây chuyền sản xuất mang lại nhiều lợi ích như tăng chất lượng, năng suất, giảm lãng phí nguyên liệu và chi phí nhân công Tuy nhiên, robot hàn tự động không phải lúc nào cũng phù hợp với mọi sản phẩm Do đó, các nhà sản xuất cần tìm cách tối ưu hóa hoạt động của robot để đảm bảo hiệu quả trên nhiều loại sản phẩm, đồng thời vẫn giữ chi phí đầu vào thấp hơn so với việc sử dụng công nhân Hơn nữa, công nhân có khả năng linh hoạt hơn trong việc hàn các sản phẩm đa dạng, điều mà robot gặp khó khăn.
Đồ gá hàn là một loại đồ gá lắp ráp vạn năng, được phát triển nhằm khắc phục những nhược điểm trong quá trình training Việc sử dụng đồ gá hàn giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả làm việc.
Sơ đồ nguyên lý làm việc:
- Bộ điều khiển: PLC, Vi điều khiển, biến tần…: Nhận lệnh từ người dùng và cảm biến, điều khiển động cơ và kết nối với robot hàn
- Động cơ: Servo, Step…: Nhận lệnh từ Bộ điều khiển, điều chỉnh đồ gá sau cho phù hợp với yêu cầu
Bộ phận truyền động bao gồm bộ truyền đai, bộ truyền xích và hộp giảm tốc, có chức năng tăng khoảng cách giữa hai trục truyền, đồng thời điều chỉnh vận tốc và moment xoắn từ trục động cơ sang trục công tác.
Cảm biến vị trí Home là thiết bị quan trọng trong quá trình xác định vị trí của đồ gá Các loại cảm biến quang sẽ chuyển đổi thông tin vị trí thành tín hiệu số và truyền về bộ điều khiển, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
- Nối trục: Khớp nối cứng, khớp nối linh động và khớp nối ly tâm: Nối trục Hộp giảm tốc với trục của khung gá
- Khung gá: mặt bích, hàn ống, khung sắt…: Đặt và cố định vị trí vật được hàn
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của đồ gá dùng trong ngành công nghiệp hàn
Hình 2.2 Đồ gá hàn ống
Hình 2.3 Đồ gá mặt bích
Phân loài đồ gá hàn theo công dụng
Đồ gá hàn khung sắt
Đồ gá hàn bản mạch
Đồ gá hàn trong sản xuất ô tô…
Ứng dụng của đồ gá hàn:
Đồ gá hàn đóng vai trò quan trọng trong việc lắp ghép các chi tiết, giúp tăng độ chính xác và đồng nhất cho sản phẩm trong quy trình sản xuất hàng loạt Ngoài các loại đồ gá hàn hỗ trợ cho công nhân trong gia công thủ công, còn có những loại đồ gá hàn chuyên dụng cho robot, thường được sử dụng để hàn các khung xe, khung cửa và các chi tiết cần kết nối với nhau.
Hình 2.4 Đồ gá hàn khung sắt
Động cơ
Động cơ bước (Step Motor) là một loại động cơ điện đặc biệt, hoạt động khác biệt so với các động cơ điện thông thường Đây là động cơ đồng bộ, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện thành chuyển động góc hoặc di chuyển của Rotor, cho phép cố định rôto ở các vị trí mong muốn.
Cấu tạo: Gồm 2 phần: Rotor và Stator
Rotor là một cấu trúc bao gồm nhiều nam châm vĩnh cửu được sắp xếp theo một trình tự cụ thể Những nam châm này được phân chia thành các cặp cực đối xứng, tạo nên sự cân bằng trong hoạt động của rotor.
Stator được chế tạo từ sắt từ, được thiết kế với nhiều rãnh để lắp đặt cuộn dây Cuộn dây này được phân chia thành nhiều pha quấn, với mỗi pha có một tổ bối dây Mỗi bối dây chứa W vòng dây và được quấn quanh cực từ của Stator.
Khác với động cơ thông thường, động cơ step mang lại độ chính xác cao trong điều khiển nhờ khả năng quay từng bước Tần số, vận tốc và hướng quay của động cơ được xác định bởi bộ mạch điện tử Số lần chuyển mạch tương ứng với tổng số góc quay của Rotor, trong khi chiều quay và tốc độ quay của Rotor phụ thuộc vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Hình 2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ Step
Động cơ servo là thiết bị nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, cung cấp lực chuyển động cần thiết cho máy móc với tốc độ và độ chính xác cao.
Phân loai: có 2 loại động cơ servo: AC servo và DC servo
Động cơ servo DC không được thiết kế cho dòng điện cao, mà thường phù hợp hơn với các ứng dụng có dòng điện nhỏ như máy bơm nước và máy nén khí Có hai loại động cơ DC servo: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than Ngoài ra, còn có động cơ RC servo nhỏ gọn được sử dụng trong các ứng dụng IoT.
AC servo motor là loại động cơ xử lý dòng điện cao, thường được áp dụng trong các máy móc công nghiệp như máy CNC, máy phay và máy tiện cơ khí cũng như các hệ thống thủy lực Nhờ vào những ưu điểm và tính năng vượt trội, AC servo motor ngày càng trở nên phổ biến và được ưa chuộng trong ngành công nghiệp.
Cấu tạo Động cơ AC Servo đa số là động cơ 1 chiều không chổi than, gồm 2 phần chính là Rotor và Stator
- Rotor là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh
- Stator là một cuộn dây được cuốn riêng biệt, được cấp nguồn để làm quay Rotor
AC Servo hoạt động dựa trên nguyên tắc PWM (Điều chế độ rộng xung), trong đó góc quay được điều chỉnh thông qua thời gian xung được áp dụng cho mạch điều khiển của nó.
Hình 2.6 Cấu tạo động cơ Servo
Nếu thời gian và dòng điện cung cấp cho các cuộn dây là chính xác, thì chuyển động quay của rotor sẽ phụ thuộc vào tần số, pha, phân cực và dòng điện trong cuộn dây stator Động cơ servo được cấu thành từ các hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu đầu ra của động cơ được kết nối với mạch điều khiển Mạch điều khiển có nhiệm vụ tiếp nhận và so sánh vị trí cùng vận tốc lý thuyết và thực tế, từ đó điều chỉnh để hệ thống hoạt động một cách chính xác.
2.2.3 Bộ điều khiển động cơ
Có 2 phương pháp: biến tần và bộ điều khiển Servo
Biến tần là thiết bị thay đổi dòng điện ở tần số này sang tần số khác, có thể điều chỉnh được
Bộ phận chuyển đổi điện áp đầu vào với tần số cố định thành điện áp có tần số thay đổi để điều khiển tốc độ động cơ bao gồm các thành phần chính như bộ chỉnh lưu, bộ lọc, bộ nghịch lưu IGBT và mạch điều khiển.
Nguồn điện đầu vào 1 pha hay 3 pha đều sẽ được chỉnh lưu và lọc thành dòng điện
1 bằng phẳng thông qua bộ chỉnh lưu cầu và tụ điện, điện áp có thể ở mức 1 pha hay 3 pha nhưng sẽ có tần số ổn định
Sau đó điện áp 1 chiều sẽ được biến đổi nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng và được lưu trữ trong giàn tụ điện
Cuối cùng thông qua trình tự kích hoạt thích hợp sẽ tạo ra điện áp xoay chiều 3 pha nhờ vào phương pháp điều chế độ rộng xung PWM
Hệ thống servo bao gồm bộ điều khiển servo, động cơ servo, và bộ mã hóa quay hoặc chiết áp để truyền tín hiệu phản hồi từ động cơ về bộ điều khiển.
Bộ điều khiển servo (Servo driver) nhận tín hiệu lệnh từ PLC và truyền lệnh đến động cơ servo để điều khiển hoạt động của nó Đồng thời, bộ điều khiển cũng nhận tín hiệu phản hồi liên tục về vị trí và tốc độ hiện tại của động cơ servo từ encoder.
- Điều khiển năng lượng cho động cơ servo
- Tín hiệu điều khiển động cơ servo
- Phản hồi trong hệ thống servo
Encoder, hay còn gọi là bộ mã hóa, là một thiết bị cảm biến chuyển động cơ học có khả năng chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu kỹ thuật số Thiết bị này hoạt động như một bộ chuyển đổi cơ điện, tạo ra các xung hoặc tín hiệu số tương ứng với chuyển động.
Hình 2.7 Cấu tạo hệ thống Servo
Cấu tạo của Encoder gồm:
- Một đĩa quang tròn có nhiều rảnh quay quanh trục
- Một đèn Led dùng làm nguồn phát sáng
- Một cảm biến quang đóng vai trò là đầu thu tín hiệu
- Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu
Khi đĩa quay và ánh sáng chiếu qua, sẽ xảy ra hiện tượng ngắt quãng Các rãnh trong cùng một dãy được phân chia theo nhu cầu sử dụng, và có thể có nhiều dãy tính từ tâm của đường tròn.
Số xung của Encoder được xác định dựa trên số lần ánh sáng đi qua khe Chẳng hạn, nếu đĩa có 300 khe, thì mỗi vòng quay, encoder sẽ ghi nhận được 300 tín hiệu.
- Cảm biến thu ánh sáng sẽ bật tắt liên tục để tạo ra các tín hiệu dạng xung vuông
Hình 2.8 Cấu tạo của Encoder
- Tín hiệu dạng xung sẽ được truyền về bộ xử lý trung tâm để đo đạc, xác định vị trí/ tốc độ của động cơ
Có 2 loại Encoder: Encoder tuyệt đối và tương đối
Cơ cấu truyền động
Có 3 loại truyền động: truyền động điện, truyền động cơ khí và truyền động thủy lực, khí nén Vì đồ gá khung sắt hoạt động theo quy tắc truyền động cơ khí nên phần này nhóm em chỉ tập trung vào phần truyền động cơ khí
Truyền động cơ khí là hệ thống quan trọng dùng để chuyển giao cơ năng từ động cơ đến các bộ phận và chi tiết máy móc Hệ thống này không chỉ thay đổi vận tốc và moment, mà còn có khả năng điều chỉnh lực và các đặc tính, quy luật chuyển động của thiết bị.
Dựa vào nguyên lý làm việc, người ta chia làm 2 loại:
- Truyền động ma sát: truyền động đai, bánh ma sát…
- Truyền động ăn khớp: bánh răng, trục vít…
Động cơ điện thường có tốc độ quay cao, nhưng trong sản xuất thực tế, đôi khi cần tốc độ hoạt động thấp hơn Việc chế tạo động cơ công suất nhỏ để đáp ứng yêu cầu sử dụng là tốn kém, trong khi động cơ công suất lớn với tốc độ quay cao lại có thiết kế đơn giản, nhỏ gọn và sản xuất hàng loạt với chi phí thấp.
Hộp giảm tốc là thiết bị truyền động sử dụng cơ cấu ăn khớp trực tiếp, với tỉ số truyền cố định, nhằm mục đích tăng moment xoắn và giảm tốc độ quay.
Có rất nhiều loại hộp giảm tốc nhưng thường được phân loại theo 2 tiêu chí sau:
- Số cấp: 1 cấp, 2 cấp, 3 cấp…
- Theo loại truyền động: bánh răng trụ, răng côn, răng côn – trụ, trục vít, trục vít – bánh răng, cyclo …
Hình 2.10 Các hệ thống truyền động
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Hộp giảm tốc có cấu tạo đơn giản, bao gồm các bánh răng thẳng và nghiêng ăn khớp theo tỉ số truyền nhất định Khi lắp ráp, một đầu hộp số kết nối với trục động cơ qua xích, dây đai hoặc khớp nối, trong khi đầu còn lại được nối với tải.
Hình 2.11 Hộp giảm tốc cyclo
Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của hộp giảm tốc
Khái niệm và nguyên lý hoạt động
Truyền động đai hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động ma sát, cho phép truyền moment xoắn và tốc độ qua dây đai Phương pháp này có khả năng truyền động hiệu quả hơn so với hộp giảm tốc, đặc biệt là khi cần truyền khoảng cách lớn Bên cạnh đó, tỉ số truyền của hệ thống cũng rất linh hoạt, đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau trong công nghiệp.
- Bộ truyền đai bao gồm: bánh đai chủ động, bánh đai bị động, dây đai, căng đai
Dây đai được sản xuất từ nhựa hoặc vải dệt, thường có từ 2 lớp trở lên Lớp tiếp xúc được chế tạo từ các vật liệu như crom, thép hoặc gang để tăng hệ số ma sát, trong khi lớp còn lại thường làm bằng nhựa với độ giãn nở thấp và độ bền kéo cao.
Truyền động xích hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động ăn khớp với cấu tạo đơn giản Công suất được truyền qua dây xích bằng các liên kết kim loại, được kết nối với bánh răng xích.
Cấu tạo: Xích chủ, xích bị động, dãy xích và đĩa căng xích
Hình 2.13 Bộ truyền đai răng
Khớp nối trục
Khớp nối trục là một bộ phận cơ khí quan trọng, có chức năng nối và truyền momen xoắn giữa hai thành phần chuyển động Nó không chỉ giúp khử độ đồng trục giữa động cơ và bộ phận truyền động mà còn đóng vai trò như thiết bị khởi động mềm cho động cơ.
Có 3 loại khớp nối cơ bản: khớp nối cứng, khớp nối linh động và khớp nối ly hợp
Hình 2.14 Truyền động xích trên xe máy
Hình 2.15 Các loại khớp nối trục
19 Ứng dụng: Nối trục động cơ với một dây chuyền sản xuất, điều chỉnh tốc độ, ngăn ngừa quá tải, truyền động trên ô tô…
Khớp nối linh động, hay khớp nối đàn hồi, được sử dụng cho các trục có sai lệch tâm do biến dạng đàn hồi, sai số trong quá trình chế tạo và lắp đặt Có nhiều loại khớp nối đàn hồi khác nhau, nhưng tất cả đều có khâu đàn hồi, giúp tích lũy năng lượng từ va đập và rung động Nhờ vào chức năng này, năng lượng không cần thiết được hạn chế tối đa khi truyền qua trục kế tiếp.
- Nối trục vòng đàn hồi
- Nối trục đàn hồi với đĩa hình sao
- Nối trục đàn hồi với đĩa hình côn
- Nối trục với vỏ đàn hồi
Khớp nối cứng dùng để nối cái trục có đường tâm trên cùng một đường thẳng và không di chuyển tương đối với nhau
Khớp nối rất bền bỉ, có thể thay thế cho then, không có độ rơ dọc trục, được ứng dụng trong: Bánh răng, xích đĩa, cánh quạt, hộp số…
Phân loại: có 2 loại: khớp nối ống và khớp nối mặt bích
Hình 2.16 Khớp nối đĩa hình sao
Gối đỡ trục
Gối đỡ trục có nhiều hình dạng đa dạng như Omega, vuông và ô van, đóng vai trò quan trọng trong việc giữ trục cố định với vị trí chính xác trong không gian Chúng không chỉ tiếp nhận tải trọng mà còn truyền lực đến bệ máy, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
Gối đỡ trục có 2 loại: Gối đỡ trục ngang và gối đỡ trục dọc
Cấu tạo gối đỡ trục gồm bệ đở và con lăn Con lăn có cấu tạo giống như con lăn của vòng bi thông thường
Khi thiết kế máy, gối đỡ trục sẽ được chọn dựa vào khả năng tải động và khả năng tải tĩnh
Hình 2.17 Khớp nối bu lông - 1 dạng khớp nối mặt bích
Hình 2.18 Các loại gối đỡ trục trên thị trường
Cố định khung đặt vật hàn
Ê tô được sử dụng để kẹp và giữ chặt các chi tiết gia công
Cấu tạo: gồm 2 bộ phận chính: Thân ê tô và ngàm kẹp
- Thân ê tô làm từ gang cứng hoặc thép, có độ bền cao, chịu nhiệt, va đập tốt
- Ngàm kẹp ê tô gồm ngàm cố định và ngàm di động được làm từ gang hoặc thép
- Hàm di động di chuyển tịnh tuyến nhờ vào cơ cấu trục vít
- Ngoài ra còn các bộ phận khác, chi tiết miêu tả trong hình 2.15
- Theo đặt điểm thiết kế: Ê tô kẹp vuông góc và ê tô mâm xoay
- Theo ứng dụng: khoan, phay, tiện, kẹp…
Thiết bị điều khiển
PLC, hay Bộ điều khiển Logic có thể lập trình được, nổi bật với khả năng thay đổi thuật toán điều khiển theo ý người sử dụng thông qua ngôn ngữ lập trình Điều này khác biệt hoàn toàn so với các bộ điều khiển thông thường, vốn chỉ có một thuật toán cố định Nhờ vào tính linh hoạt này, PLC có thể giải quyết đa dạng các bài toán điều khiển một cách hiệu quả.
Hình 2.19 Cấu tạo của ê tô song hành
Cấu trúc cơ bản của PLC
- Bộ xử lý trung tâm CPU
- Các ngõ vào/ra tín hiệu
Các loại PLC phổ biến:
Hình 2.21 Các loại PLC phổ biến hiện nay
- Trong các ngành công nghệ sản xuất: Sản xuất giấy, sản xuất xi măng, thủy tinh, vi mạch, chế tạo linh kiện bán dẫn, đóng gói sản phẩm…
- Hệ thống điều khiển: điều khiển robot, băng tải, nâng vật…
- Hệ thống báo động, báo cháy, ổn định áp xuất…
Có 5 ngôn ngữ lập trình PLC theo tiêu chuẩn IEC 61131-3, bao gồm:
Ngoài ra còn có rất nhiều ngôn ngữ khác, tùy vào ngành, lĩnh vực như: Assembly
“hợp ngữ”, Cobol, Fortran, Pascal, HTML, JavaScript, Python, Java, Smalltalk, PHP, CSS, Swift, C# (C Sharp), Ruby, Perl, Objective-C, SQL, C/C++…
Hình 2.22 Hệ thống PLC dùng trong hệ thống ổn định áp suất và gọi bơm
Trong những ngôn ngữ này, Ladder Logic có nhiều ưu điểm nhất:
- Ngôn ngữ dễ viết, dễ hiểu, là ngôn ngữ dành cho người mới bắt đầu
- Chương trình mô phỏng hệ thống nối dây của mạch điện
Mô phỏng sự di chuyển của dòng điện từ nguồn qua các linh kiện và điều kiện ngõ vào, đồng thời phân tích tác động của nó đến ngõ ra như cơ cấu vận hành và bóng đèn.
Ladder Logic (LAD) được tạo ra từ các nấc thang logic, do đó có tên là “Ladder Logic” hay sơ đồ bậc thang
Các lệnh logic được biểu diễn bằng các kí hiệu đồ họa, có 3 dạng cơ bản:
Hình 2.23 Cấu trúc chương trình PLC được viết trên ngôn ngữ Ladder Logic
Tiếp điểm thường hở (không có tính hiệu) và tiếp điểm thường đóng (có tính hiệu) thể hiện các điều kiện logic đầu vào của hệ thống, bao gồm công tắc, nút nhấn và cảm biến.
- Cuộn dây Biểu diễn các kết quả logic ngõ ra : động cơ, đèn, relay…
Khối block: Tượng trưng cho các hàm, điều kiện khác nhau
2.7.2.1 Vi điều khiển là gì?
Vi điều khiển là một máy tính tích hợp trên một chip, thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử Nó bao gồm một vi xử lý có hiệu suất vừa đủ và giá thành thấp, khác với các bộ vi xử lý đa năng trong máy tính Vi điều khiển kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, và các module chuyển đổi tín hiệu tương tự và số Trong máy tính, các module này thường được xây dựng bằng các chip và mạch ngoài.
Vi điều khiển được cấu tạo từ một lõi CPU có hiệu suất phù hợp, kết hợp với các thiết bị ngoại vi như ROM hoặc flash, RAM và các module vào ra, tất cả đều nằm trên một môi trường vi mạch tích hợp.
Hình 2.24 Vi điều khiển HCF4016BE
Có nhiều loại vi điều khiển do các nhà sản xuất chế tạo: AMCC, Atmel, Intel, Microchip…
Có nhiều loại ngôn ngữ lập trình như C, C++, Visual Basic và hợp ngữ Assembler (ASM) Trong số đó, ngôn ngữ C và C++ được sử dụng rộng rãi nhất, trong khi ASM là ngôn ngữ đi đầu trong lĩnh vực lập trình.
Ngôn ngữ C, thường được gọi là ngôn ngữ cho người mới bắt đầu, cho phép lập trình viên không cần hiểu sâu về cấu trúc bộ vi điều khiển Điều này giúp việc tái sử dụng các chương trình đã có trở nên dễ dàng hơn, cho phép người dùng sử dụng toàn bộ hoặc chỉnh sửa một phần theo nhu cầu.
Hình 2.25 Cấu trúc cơ bản của vi điều khiển
Assembly Language (ASM) là ngôn ngữ lập trình bậc thấp thuộc thế hệ thứ 2, sử dụng các từ gợi nhớ (mnemonics) để viết các chỉ thị cho máy tính, thay vì sử dụng các dãy số nhị phân 0 và 1.
Các ASM cần sử dụng một chương trình Assembler như NASM, AS hoặc DASM để chuyển đổi mã nguồn thành file nhị phân Bên cạnh đó, việc sử dụng một trình linker để kết nối các thành phần và xác định địa điểm bắt đầu của chương trình là điều bắt buộc.
ASM được sử dụng trong ngành hệ thống nhúng (Embedded System) nhờ khả năng tương tác sâu với hệ thống, cho phép giao tiếp trực tiếp với phần cứng và điều khiển chúng theo ý muốn của lập trình viên.
Hình 2.26 Hợp ngữ ASM được dùng trong hệ thống nhúng
Tương tác và điều khiển hệ thống
Có nhiều tùy chọn cho màn hình hiển thị và điều khiển hệ thống, nhưng hai phương pháp phổ biến và đơn giản nhất là sử dụng màn hình HMI và Led 7 đoạn kết hợp với bàn phím.
HMI (viết tắt của Human-Machine-Interface), là một thiết bị để giao tiếp giữa người vận hành với máy móc trong qua một màn hình cảm ứng
Cấu tạo gồm màn hình, các nút nhấn , CPU, các bộ nhớ ROM, RAM, EPROM/PLASH… chuẩn truyền thông và giao thức hẫu trợ, phần mềm hệ thống
Màn hình cảm ứng trên HMI hiện đại cho phép hiển thị thông số và trạng thái của máy, đồng thời cho phép người sử dụng thao tác trực tiếp giống như trên điện thoại thông minh.
Phân loại: chia ra làm 2 loại: HMI truyền thống và HMI hiện đại
Hệ điều hành Không Window CE 6.0, MAC OS,
Giao tiếp Công tắc và nút nhấn Màn hình cảm ứng
Hiển thị Đèn báo, còi, đồng hồ đo…
Hình 2.27 Màn hình HMI Siemens KP400
HMI truyền thống HMI hiện đại
29 Độ chính xác và ổn định
Lưu trữ Hạn chế Rất lớn
Lắp đặt và bảo trì
Khó do hệ thống phức tạp Dễ
Kết nối Giao thức truyền thống Internet, thiết bị, giao thức đa dạng Bảng 2 So sánh giữa HMI truyền thống và HMI hiện đại
2.8.2 Module Led 7 đoạn và nút nhấn
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Module Led 7 đoạn được cấu tạo từ 7 đèn LED đơn, sắp xếp theo hình dạng số 8, cùng với một đèn LED tròn nhỏ ở góc dưới bên phải để biểu thị dấu thập phân.
Các LED 7 đoạn được ký hiệu từ a đến g, tương ứng với các chân kết nối, cho phép hiển thị các con số từ 0 đến 9 thông qua phương pháp phân cực thuận Các chân còn lại được kết nối với nhau thành một chân chung, giúp tạo ra hình ảnh rõ ràng và dễ hiểu cho người sử dụng.
Chức năng của chân chung là phân loại led 7 đoạn
Phân loại: có 2 loại: Led có chân another chung (CA) cathode chung (CC)
2.8.3 Màn hình LCD và nút nhấn
Công nghệ màn hình LCD
Màn hình LCD (Liquid Crystal Display) được cấu tạo từ các tế bào điểm ảnh chứa tinh thể lỏng, cho phép thay đổi tính phân cực của ánh sáng và điều chỉnh cường độ chiếu sáng khi kết hợp với kính lọc phân cực.
Những điểm hiển thị này tạo ra màu sắc dựa trên quy luật phối màu từ 3 màu cơ bản: Đỏ, lam, lục, bật tắt liên tục để tạo ra một điểm màu Tập hợp những điểm màu này sẽ tạo ra hình ảnh hiển thị trên màn hình như mong muốn Nguồn sáng của màn hình đến từ một đèn ở phía sau, cung cấp ánh sáng cần thiết để hiển thị hình ảnh.
Cấu tạo gồm 6 lớp xếp chồng lên nhau:
- Kính lọc phân cực thẳng đứng có tác dụng lọc ánh sáng tự nhiên khi vào
- Lớp kính có điện cực ITO
- Lớp kính có điện cực ITO chung
- Kính lọc phân cực nằm ngang
Hình 2.29 Cấu tạo màn hình LCD
Set home cho trục quay
Home là vị trí tọa độ được xác định dựa trên yêu cầu của bài toán Sau khi thiết lập vị trí này, nó sẽ trở thành điểm khởi đầu cho trục làm việc.
Chức năng của hệ thống Set home hoạt động dựa vào tín hiệu từ cảm biến Khi cảm biến phát hiện một vật thể, nó sẽ gửi tín hiệu đến bộ điều khiển Người dùng có thể lựa chọn bất kỳ loại cảm biến nào phù hợp với điều kiện và môi trường sử dụng.
Cảm biến là thiết bị dùng để phát hiện các vật thể dựa trên các yếu tố vật lý hoặc hóa học tại vị trí lắp đặt Sau khi phát hiện, cảm biến sẽ chuyển đổi thông tin thành dạng mã hóa và gửi về các thiết bị hiển thị để người dùng có thể theo dõi và phân tích.
Phân loại: có 4 loại cơ bản: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận và cảm biến khuếch tán
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang
Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) có khả năng phát hiện vật thể từ xa và đo khoảng cách cũng như tốc độ di chuyển của chúng Khi ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt cảm biến, các tính chất của cảm biến sẽ thay đổi.
Cấu tạo cảm biến quang: gồm 3 phần chính
- Mạch xử lý tín hiệu đầu ra
Hình 2.30 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến quang
- Phát hiện người, vật di chuyển qua cửa, cổng ở sân bay, khu vực an ninh…
- Kiểm tra sản phẩm trên băng tải có đạt chất lượng hay không (Đo mực nước trong chai Coca)…
- Đếm số lượng sản phẩm: hoa quả, hàng hóa…
- Tắt mở vòi nước rửa tay, toilet… Ưu và nhược điểm: Ưu điểm:
- Có thể phát hiện vật, bất kể là vật liệu gì
- Ít bị hao mòm, tuổi thọ, độ chính xác, tính ổn định cao
- Thời gian đáp ứng nhanh, dễ dàng tùy chỉnh theo ứng dụng
- Phạm vi phát hiện vật lớn, có thể lên đến 100m
- Hoạt động không tốt nếu bề mặt cảm biến bị bẩn
- Khoảng cách nhận biết phụ thuộc vào nhiều yếu tố: màu sắc, hệ số phản xạ của vật…
Hình 2.31 Cảm biến quang đếm số lượng lon
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THI CÔNG
Thiết kế cơ cấu kẹp khung gá
3.1.1 Chọn vật liệu chế tạo khung gá
Chọn vật liệu chế tạo các trục là thép 45 thường hóa
Theo Bảng 6.1 trang 92, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1, Trịnh Chất
- Giới hạn chảy: σch = 340 (MPa)
Hình 3.1 Mô hình 3D được xây dựng trên phần mềm Solidworks 2021
3.1.2 Thiết kế cơ cấu kẹp Để tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình gia công, giảm chi phí, ê tô được thiết kế từ 3 tấm kim loại với kích thước bằng nhau 120x90x10 (mm) Sau đó ta-rô lỗ ở 1 tấm để làm cơ cấu trục vít Đùng phương pháp hàn que để hàn tạo thành thân ê tô
Trục vít được gắn với núm vặn ở 1 đầu, cố định bằng bu-lông Đầu còn lại được khoang 1 lỗ để cố định với phần ngàm di động
Giữa 2 mặt tiết xúc với khung sắt giữa hàm cố định và hàm di động được đệm thêm 1 lớp cao su để cố định, giảm ảnh hưởng từ lực kẹp của ê tô, giúp bảo vệ khung sắt Để bù trừ các sai số trong quá trình chế tạo khung sắt, ê tô, và thuận tiện cho quá trình cố định khung sắt với ê tô, 2 ê tô được bố trí cách nhau 1 khoảng l1 = 1510mm tính từ mặt phẳng tiếp xúc với khung sắt, có phương vuông góc với trục công tác, dày l2 10mm
Cuối cùng, ê tô sẽ được hàn với trục để tạo thành cơ cấu trục truyền động – kẹp hoàn chỉnh
Hình 3.2 Cơ cấu kẹp khung gá
3.1.3 Tính toán trọng lượng cơ cấu kẹp
Trọng lượng thép tấm m1 = m2 = m3 = T.W.L.D = 10.70.120.7,85.10 -6 = 0,6594 = 659,4.10 -3 (kg) Trong đó: mn: khối lượng thép tấm (kg)
T: chiều dày thép tấm (mm)
W: chiều rộng thép tấm (mm)
L: chiều dài thép tấm (mm)
D: Trọng lượng riêng thép tấm (Kg/mm) Đối với thép c45, trọng lượng riêng D = 7,85.10 -6 (Kg/mm)
Thân ê tô được cấu tạo từ ba tấm thép giống nhau, và sau khi bỏ qua trọng lượng của thép mất đi khi khoan lỗ trục vít, trọng lượng của thân ê tô được tính là mthân = 3.mn = 3.0,6594 = 1,9872 kg.
Trọng lượng ngàm di động
Ngàm di động có dạng hình tròn, bán kính R = 25 (mm), ở giữa có lỗ φ = 6 mm để bắt chốt cố định với trục vitme
Vì lỗ bắt chốt cố định nhỏ (φ = 6 mm) nên ta bỏ qua phần trọng lượng bị mất khi khoan lỗ bắt chốt cố định m4 = 𝜋.R 2 T.D = 𝜋.25 2 10.7,85.10 -6 = 154,33.10 -3 (kg)
Trọng lượng trục vitme, chốt cố định, núm vặn, lớp cao su… m5 = 360.10 -3 (kg)
Tổng trọng lượng cơ cấu là: mc = mthân + md + mc = 1,9872 + 154,33.10 -3 + 350.10 -3 = 2,5 (kg)
3.1.4 Tính toán các lực và moment do cơ cấu sinh ra
3.1.4.1 Xác định trọng tâm cơ cấu
Cơ cấu được chia thành 5 phần, bao gồm 3 thép tấm giống nhau và 2 phần còn lại là trục vitme cùng hàm di động Trọng lượng của núm vặn bằng nhựa và lớp cao su là không đáng kể Theo hình vẽ, góc tọa độ được xác định với trọng tâm cơ cấu C(Xc, Yc).
Khoảng các từ các trọng tâm của từng phần đến tâm cơ cấu là:
Xh1 = Xh3 = Xh4 = Xh5 = 40 (mm) Xh2 = 5 (mm)
Yh1 = 5 (mm) Yh2 = 45 (mm) Yh3 = 85 (mm)
Hình 3.3 Xác định trọng tâm của cơ cấu kẹp
3.1.4.2 Lực tác dụng lên cơ cấu
Lực tối đa tác dụng lên cơ cấu
F = FTải = mtải g = 35.10 = 350 (N) Trong đó F: lực tác dụng (N) g = 10: gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Vì có 2 cơ cấu kẹp khung gá nên lực tác dụng chia điều cho 2 cơ cấu:
Hình 3.4 Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên cơ cấu kẹp y z x
Chọn loại động cơ
3.2.1 Động cơ chịu tải các cơ cấu
- Trọng lượng tối đa của khung đặt vật gá, vật gá, kẹp… là mtải = 35 (kg)
- Trọng lượng 2 cơ cấu kẹp là: mcc = 2.mT = 2.2,5 = 5 (kg)
Tổng tải trọng tác dụng lên thân đồ gá là: mmax = mtải + mc = 35 + 5 = 40 (kg)
- Vì có 2 trục chịu tải, nên tải trọng lớn nhất mỗi trục phải chịu là: m1 = m2 = (mmax)/2 = 40/2 = 20 (kg)
Lực tối đa tác dụng lên thân đồ gá
F = FTải = mmax g = 40.10 = 400 (N) Trong đó F: lực tác dụng (N) g = 10: gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Cơ cấu với hai gối đỡ hoạt động như một khớp nối, do đó có hiệu suất nhất định Theo bảng 2.1 trong sách "Thiết kế Đồ án Chi tiết máy" của TS Văn Hữu Thịnh và TS Nguyễn Minh Kỳ, hiệu suất được tính bằng công thức ɳ = ɳ ô 2 ɳkt = 0,99 2 1 = 0,98 Trong đó, ɳkt = 1 là hiệu suất của khớp nối trục đàn hồi, và ɳô = 0,99 là hiệu suất của gối đỡ trục.
Moment xoắn lớn nhất mà động cơ cần cung cấp để quay khung sắt là:
Tct = F.d ɳ Với Tct: moment xoắn trên trục công tác (N.mm) d: chiều dài cánh tay đòn (m)
Vì khung sắt có kích thước dx x dy = 1500 x 500mm, quay tròn theo phương trục
X nên cánh tay đòn được xác định theo hướng trục Y
Xét trường hợp khung song song với mặt đất:
Xét trường hợp khung vuông góc với mặt đất:
Vì khung làm từ thép hợp vuông 50x50x1,5 (mm) nên dy1 = 50 (mm) dvg = 50
Xét trường hợp khung hợp với mặt đất góc 𝛼, với 0 0 < 𝛼 < 90 0 :
Trường hợp khung song song với mặt đất có chiều dài cánh tay đòn lớn nhất nên ta lấy d = dss = 250 (mm) để tính moment xoắn
Để tối ưu hóa hiệu suất với moment xoắn lớn và tốc độ quay chậm (3 vòng/phút), việc sử dụng hộp giảm tốc là cần thiết Hộp giảm tốc giúp tăng moment xoắn và giảm số vòng quay, từ đó tiết kiệm chi phí Chúng ta sẽ chọn hộp giảm tốc có tỷ lệ 1/25 để đạt được hiệu quả mong muốn.
Moment xoắn tối đa trên trục động cơ:
Vận tốc trên trục động cơ: vđc = vct ɳ ℎ𝑔𝑡 = 3.25 = 75 (vòng/phút)
Công suất lớn nhất trên trục động cơ:
STT Thông số Số liệu
Bảng 3 Thông số động cơ cần thiết
Tiến hành so sánh giữa các phương án đã đưa ra ở Chương 2 để chọn ra phương án thích hợp
Tốc độ Cao, tối đa 3000 ÷ 5000 rpm Thấp, tối đa 1000÷2000 rpm Đối tượng điều khiển Tốc độ, vị trí, moment Vị trí
Phương pháp điều khiển Điều khiển vòng kín Điều khiển vòng hở
Bộ điều khiển phức tạp được cung cấp bởi nhà sản xuất có khả năng tự chế tạo đơn giản Nó có độ phân giải rất cao, lên đến 23 bit, tùy thuộc vào loại Encoder được sử dụng.
Nhiễu và rung động Ít Nhiều
Hiện tượng trược bước sảy ra khi tăng tải trọng
Khó sảy ra Có sảy ra
Bảo dưỡng Phức tạp, cần bảo dưỡng định kì thường xuyên Đơn giản, nhỏ gọn, ít bảo dưỡng
Bảng 4 So sánh giữa động cơ AC Servo và động cơ Step Động cơ AC Servo Động cơ bước
Thông số Ứng dụng điều khiển Tốc độ, độ chính xác cao, thay đổi trạng thái nhanh và liên tục
Không yêu cầu tốc độ, độ chính xác cao, ổn định Đối tượng điều khiển Tốc độ, vị trí, moment Tốc độ
Khả năng đa nhiệm Không Có Độ đáp ứng Nhanh (200 ÷ 1500 rad/s) Chậm ( > 100 rad/s) Độ chớnh xỏc Cao ( > 1 às) Chậm ( > 100 àm)
Chế độ khóa Có Không
Tần số khởi động/dừng 20 ÷ 600 vòng/phút > 20 vòng/phút
Moment xoắn tối đa Lớn (300%) Nhỏ (150%)
Công suất Đa dạng (10W ÷ 60kW) Ít đa dạng (100W ÷
Kích thước Nhỏ, gọn tiện lợi To, nặng
Bảng 5 So sánh giữa điều khiển bằng biến tần và bộ điều khiển Servo
Yêu cầu thực tế của Đồ gá khung sắt:
- Điều khiển được các yếu tố tốc độ, vị trí, moment theo từng trường hợp hàn
- Tải lớp (40kg) nếu dùng động cơ Step sẽ cần nguồn lớn, dễ bị trược bước
- Ưu tiên kích thước nhỏ gọn để dễ bố trí, tối ưu hóa hệ thống
Bộ điều khiển Servo Biến tần
Ta chọn động cơ Servo HG-KR43J Mitsubishi và Driver MR J4 40A Mitsubishi
STT Thông số Số liệu
6 Kích thước trục ra 14 (mm)
7 Động cơ có phớt chặn dầu
Bảng 6 Thông số kỹ thuật Servo HG-KR43J Mitsubishi
Hình 3.5 Động cơ Servo HG-KR43J
STT Thông số Số liệu
1 Điện áp nguồn cấp 3-phase 200 VAC hoặc
5 Motor tương thích HC-KFS43, HC-KFS43B
6 Phương pháp điều khiển Điều chế xung PWM, điều chỉnh dòng điện
7 Hãng sản xuất Mitsubishi – Nhật Bản
Bảng 7 Thông số kỹ thuật Driver MR J4 40A
Lựa chọn phương án truyền động
Dựa vào cơ sở lý thuyết đã đưa ra ở chương 2, kết hợp với yêu cầu thực tế để chọn cơ cấu truyền động thích hợp
Kích thước Nhỏ gọn To Vừa
Khoảng cách trục Nhỏ Lớn Lớn
Tỉ số truyền Lớn Thấp hơn Ổn định
Tải trọng tác dụng lên trục
Thấp Do có tính đàn hồi nên an toàn khi bị quá tải
Phạm vi công suất Đa dạng tùy loại Lớn Lớn
Hiệu xuất Cao Thấp hơn Cao, có thể truyền cho nhiều trục cùng lúc
Cấu tạo Phức tạp Đơn giản, dễ sử dụng, thay thế…
Phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao Độ bền Cao Bị giới hạn bởi nhiệt độ ứng dụng
Phải căng dây đai khi thêm tải trọng
Có thể hoạt động ở nhiều môi trường khắc nghiệt
Tiếng ồn Vận hành êm Ít Khả năng chịu sốc cao
Bảo trì Cần thường xuyên kiểm tra các chi tiết và thêm dầu bôi trơn định mức
Không cần bôi trơn, tiếp kiệm chi phí bảo dưỡng
Thường xuyên căn xích vì xích dễ bị dãn dài ra do bản lề mòn
Hiện tượng trượt Không Có Không
Bảng 8 So sánh các bộ truyền động
Hộp giảm tốc Bộ truyền đai Bộ truyền xích
Chúng tôi đã quyết định chọn Hộp giảm tốc làm phương án truyền động cho đồ gá khung sắt, vì sản phẩm này phù hợp với môi trường làm việc bình thường, có nhiệt độ không cao và yêu cầu không gian làm việc nhỏ gọn Thiết kế đơn giản của Hộp giảm tốc cũng giúp dễ dàng trong việc bảo trì.
Dựa vào những đặc điểm đã đưa ra ở chương 2, kết hợp với những yêu cầu thực tế để chọn hộp giảm tốc thích hợp Đặc điểm so sánh
Dễ sử dụng, sửa chữa, bảo dưỡng, giản nhiệt tốt, hiệu suất cao
HGT bánh răng côn – trụ
Năng suất, hiệu quả cao Dễ bảo trì, sửa chữa
Giá thành cao, khó lắp ghép, kích thước lớn
HGT trục vít Nhỏ gọn, tỉ số truyền lớn, làm việc êm, có khả năng hãm
Hiệu suất thấp, giá thành cao
HGT hành tinh Nhỏ gọn, tỉ số truyền lớn, có thể kết nối với động cơ điện và động cơ thủy lực
Bảng 9 So sánh các loại hộp giảm tốc
Ta có tỉ số truyền u = 25, để đáp ứng yêu cầu nhỏ gọn, thuận lợi cho việc thiết kế, chế tạo và bảo dưỡng, ta chọn HGT NMRV–040
STT Thông số Số liệu
1 Loại HGT HGT trục vít, cốt âm
3 Đường kính trục vào Φ1 = 14 (mm)
4 Đường kính trục ra Φ1 = 18 (mm)
5 Vật liệu Hộp kim nhôm
Bảng 10 Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc NMRV-040 Ưu điểm Nhược điểm
Hình 3.7 Hộp giảm tốc NMRV 040 mặt bích 86x86
Hình 3.8 Thông số kích thước hộp giảm tốc NMRV-040 mặt bích 86x86
Tí nh toán thiết kế trục và khung
Lựa chọn khớp nối từ các phương án được đưa ra trên chương 2, theo nhu cầu thiết kế và các chức năng khác
Bảng 11 So sánh giữa khớp nối linh động (Khớp nối đàn hồi) và khớp nốicứng
Dựa trên các tiêu chí và điều kiện làm việc của máy, như làm việc ở nhiệt độ bình thường, quay với tốc độ chậm, thường xuyên dừng lại, yêu cầu moment khởi động lớn, và độ lệch tâm trong quá trình hàn và gá vật, nhóm chúng em quyết định chọn khớp nối linh động.
Điều kiện chọn khớp nối:
𝑇 𝑘𝑛 𝑐𝑝 : Moment xoắn lớn nhất có thể truyền được (N.mm)
𝑑 𝑘𝑛 𝑐𝑝 : Đường kính lớn nhất của nối trục (mm) dt: đường kính trục cần nối (mm)
Giá thành Cao Thấp Độ lệch tâm Dùng được, có thể khử được độ lệch tâm
Không dùng cho trục có độ lệch tâm, trục có sự duy chuyển tương đối
Khả năng chịu nhiệt Thấp, dưới 120 o C Cao
Khả năng chịu lực Cao Cao
Rung lắc, chấn động Giảm Không giảm
Tỉ lệ truyền Cao Cao
Bảo trì Dễ Tùy loại
Lắp đặt Dễ Tùy loại
Khớp nối mềm Khớp nối cứng
Đường kính trục cần nối được xác định sơ bộ dựa trên momen xoắn, theo công thức (7.4) trong sách "Thiết kế Đồ án Chi tiết máy" của TS Văn Hữu Thịnh và TS Nguyễn Minh.
Trong đó [τ] = 15…30 MPa ứng suất xoắn cho phép với vật liều là thép C45, lấy giá trị nhỏ với trục vào, lớn với trục ra, chọn [τ] = 30 MPa
Hệ số chế độ làm việc K có giá trị 1,2, ảnh hưởng đến lực mô men xoắn Tk, được tính bằng công thức Tk = k.Tct = 1,2.102040,81 = 122448,97 (N.mm) Giá trị K phụ thuộc vào loại máy và được tham khảo từ Bảng 16.1 trong sách "Thiết kế Hệ thống dẫn động cơ khí tập 2" của Trịnh Chất.
Tra bảng 16.11 trang 58, sách Thiết kế Hệ thống dẫn động cơ khí tập 2,Trịnh Chất
Tk = 122448,97 (N.mm) ≤ 𝑇 𝑘𝑛 𝑐𝑝 = 125000 (N.mm) dt = 25,71 (mm) ϵ 𝑑 𝑘𝑛 𝑐𝑝 = 25 ÷ 36 (mm)
𝑇 𝑘𝑛 𝑐𝑝 = 250 (N.mm) dt = 30 (mm) Dựa vào những số liệu đã tính toán được, nhóm chúng em quyết định chọn khớp nối mềm SRJ-55C
STT Thông số Số liệu
2 Vật liệu Nhôm, cao su
4 Kích thước lỗ số 1 18 (mm)
5 Kích thước lỗ số 2 25 (mm)
7 Momen xoắn, Momen xoắn tối đa Tkn = 60 (N.m), Tkn Max = 120 (N.m)
Bảng 12 Thông số khớp nối mềm SRJ-55C
Kích thước lỗ trục tiêu chuẩn được quy định theo dãy 12, 15, 16, 18, 19, 20, 22, 24, 25 phù hợp với trục ra của hộp giảm tốc (18mm) Tuy nhiên, kích thước này không đáp ứng đường kính trục công tác (30mm) Do đó, cần chọn khớp nối với kích thước lỗ lớn nhất (25mm) và sử dụng phương pháp tiện để tăng kích thước lên 30mm.
Không thể chọn khớp nối lớn hơn (SRJ-65C) vì kích thước lỗ trục nhỏ nhất là 20, lớn hơn so với kích thước trục ra của hộp giảm tốc
3.4.1.2 Kiểm tra ứng suất dập
Kiểm tra ứng suất dập lớn nhất sinh ra trên đĩa, theo công thức trang 70, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 2, Trịnh Chất
D: đường kính khớp nối (mm) H: độ dày lớp cao su (mm)
[𝜎 𝑑 ] = 7 Mpa khi n = 100 vòng/phút, theo trang 71, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 2, Trịnh Chất
Thỏa điều kiện bền dập
Hình 3.9 Khớp nối mềm SRJ-55C
3.4.1.3 Lực tác dụng lên trục
3.4.2 Tính toán sơ bộ trục
3.4.2.1 Chọn vật liệu chế tạo trục
Chọn vật liệu chế tạo các trục là thép 45 thường hóa
Theo Bảng 6.1 trang 92, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1, Trịnh Chất
- Giới hạn chảy: σch = 340 (MPa)
Dựa vào bảng 7.3/trang 193, sách Thiết kế Đồ án Chi tiết máy, ta có:
- Khoảng cách từ chi tiết quay (ê tô) đến thành đồ gá (khung sắt trục Z): k1 = 8…15
- Khoảng cách từ ổ lăn đến khớp nối chọn k2 = 10…20 mm
Khung để vật hàn có kích thước dài 1500 mm và rộng 500 mm, được làm từ thép hộp vuông với kích thước cạnh 50x50 mm Để bù trừ các sai số trong quá trình chế tạo khung sắt và tạo thuận lợi cho việc cố định khung sắt với cơ cấu kẹp, hai cơ cấu kẹp được bố trí cách nhau 1510 mm từ mặt phẳng tiếp xúc với khung sắt Các cơ cấu kẹp có phương vuông góc với trục công tác và mặt phẳng đứng của mỗi cơ cấu kẹp sẽ cách khung sắt 5 mm.
Cơ cấu kẹp khung sắt với các kích thước dài: ld = 120 mm, rộng:lr = 70 mm, cao: lc = 90 mm, dày lf = 10 mm
Xác định các khoảng cách đặt lực
Chiều dài của thân đồ gá:
Khoảng cách giữa hai trọng tâm gối đỡ được tính là lBF = D1 – a = 1610 mm Khoảng cách từ trọng tâm khớp nối trục A đến trọng tâm gối đỡ trục cố định F là lAF = D1 + k2 + lkn/2 = 1660 + 20 + 78/2 = 1719 mm Khoảng cách từ gối đỡ trục B đến trọng tâm cơ cấu kẹp C được xác định là lBC = a/2 + k1 + Xc = 50/2 + 15 + 30,74 = 70,74 mm Khoảng cách trọng tâm giữa hai cơ cấu kẹp C và E là lCE = l1 + (lf – Xc).2 = 1510 + (10 – 30,74).2 = 1348,52 mm Cuối cùng, khoảng cách trọng tâm của cơ cấu kẹp D đến trọng tâm gối đỡ E cần được tính toán để hoàn thiện các thông số kỹ thuật.
Phản lực tại các gối đỡ:
Vì trục chỉ chịu tải theo phương Y, nên khi tính toán nhóm chúng em chỉ đề cập đến những lực, phản lực và moment có liên quan theo phương Y
2 - Fkẹp.(lBF - lEF) + YC.lBF
∑𝑌 = YB + YF – Ftải – 2.FCC = YB + 200 – 350 – 2.25 = 0
Hình 3.10 Sơ đồ phân bố lực tác dụng và nội lực của khung sắt và 2 trục
Moment uốn tổng Mj và moment tương đương Mtđj tại các thiết diện j trên chiều dài trục
Theo công thức 10.15 trang 194, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1, tác giả
Vì MxA = MxB = MxF = 0 (N.mm) nên:
MA = MB = ME = √M xA 2 = 0 (N.mm)
MtdA = MtdB = MtdF = √M xA 2 + 0,75 T ct 2 = √0 2 + 0,75 (102040,81) 2 = 88369,93 (N.mm)
Vì MxC = MxE = 14140 (N.mm) nên:
= 167797,87 (N.mm) Theo công thức 10.17 trang 194: dj = √ M tdj
3 trong đó [𝜎] = 63 MPa ứng với thép C45 có 𝜎 𝑏 > 600 MPa)đường kính trục d = 30 mm
Tại A, B và F: dA = dB = dF = 3 √ 0,1.[σ] M tdA = 3 √ 88369,93 0,1.63 = 24,11 (mm)
Xuất phát từ yêu cầu về độ bền, lắp ghép và công nghệ ta chọn: dA = dB = dF = 30 (mm)
3.4.4 Kiểm nghiệm đồ bền uốn của khung
Moment kháng uốn của mặt cắt hình vuông:
Wx = bh 2 / 6 Trong đó: b là chiều dài vuông góc với mômen kháng uốn h là chiều cao của mặt cắt
6 = 20833,33 Công thức kiểm tra khả năng kháng uốn:
Với: 𝜎 𝑢 : ứng suất uốn (MPa) f: cường độ tính toán của thép, chọn f = 245 theo TCVN 5709
𝑦 𝑐 : hệ số phụ thuộc vào điều khiện làm việc của kết cấu thép, tra bảng 4, TCVN 5575:2012 ta chọn 𝑦 𝑐 = 1
A: diện tích thiết diện cắt
Thỏa điều kiện bền uốn
Thỏa điều kiện bền uốn
3.4.5 Chọn và kiểm nghiệm then
Số liệu đầu vào: dHGT = 18 (mm) dct = 30 (mm)
Then chịu tải trọng va đạp nhẹ
Chọn vật liệu làm then là thép 45
Theo TCVN 2261-77 bảng 9.1a, trang 173, sách Thiết kế Hệ thống dẫn động cơ khí tập 1, Trịnh Chất:
Để thiết kế then cho trục đường kính 18mm, ta chọn kích thước tiết diện ren là b=6mm và h=6mm Chiều sâu rãnh then trên trục là t1=3,5mm, còn trên mayo là t2=2,5mm Chiều dài then được chọn là l1=30mm.
Trục đường kính 30mm yêu cầu chọn then có kích thước tiết diện ren b=8mm, h=7mm Chiều sâu rãnh then trên trục là t1 = 4mm và trên mayo là t2 = 3,3mm Chiều dài then được chọn là l2 = 25mm.
Điều kiện bền dập, theo công thức 9.1 trang 173 :
Với [𝜎 𝑑 ]-ứng suất dập cho phép, tra bảng 9.5 trang 178 sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1, tác giả Trịnh Chất
Then đã chọn thỏa mãn yêu cầu độ bền dập
Điều kiện bền cắt, theo công thức 9.2 trang 173:
Với [𝜏 𝑐 ] = 40 ÷ 60 𝑀𝑃𝑎: ứng suất cắt cho phép
Then đã chọn đạt yêu cầu về độ bền cắt
Kiểm nghiệm độ bền mỏi:
Các gối đỡ trục là những vị trí có nguy cơ cao, vì vậy việc kiểm nghiệm độ bền mỏi là rất cần thiết Theo công thức 10.19 trong sách "Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1" của tác giả Trịnh Chất, độ bền mỏi được tính bằng s j = s θj s τj.
≥ [s] trong đó [s] = 1,5…2 là hệ số an toàn cho phép
Với 𝜎 −1 = 0,436 σ b : giới hạn mỏi uốn của thép cacbon
Vì trục làm từ thép C45 có 𝜎 𝑏 = 600 MPa, nên ta có:
Hệ số 𝜓 𝜎 = 0,05 và 𝜓 𝜏 = 0 được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng, theo bảng 10.17, trang 196 Các ký hiệu σ aj, 𝜏 aj, σ mj và τ mj đại diện cho biên độ và trị số trung bình của ứng suất pháp và ứng suất tiếp tại tiết diện j.
Do trục quay, theo công thức 10.22/196 ta có
Vì trục quay 2 chiều ứng suất xoắn thay đổi theo chu kỳ mạch động do đó
16 vì trục hình tròn, đường kính 30 mm nên
Hệ số tập trung ứng suất:
𝐾 𝑦 với K x: Hệ số tập trung ứng suất trạng thái bề mặt, đối với trục tiện Ra 2,5 … 0,63 chọn K x = 1,06
K y: Hệ số tăng bề mặt trục, do không dùng phương pháp tang bề mặt nên Ky = 1
𝜀 𝜎 và 𝜀 𝜏 là hệ số kích thước, đối với trục đường kính φ = 30 mm tra bảng 10.19 trang 197, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1, chọn 𝜀 𝜎 = 88; 𝜀 𝜏 = 81
Do ổ lăn 1 lắp dôi với trục nên trị số 𝐾 𝜎𝐵 /𝜀 𝐵 , 𝐾 𝜏𝐵 /𝜀 𝐵 tra được trong bảng 10.11 trang 198 với lắp ghép dôi k6 lần lượt là 2,06 và 1,64
Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp:
Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất tiếp:
1,7.60,64 + 0 = 1,47 Độ bền mỏi của gối đỡ:
Trục tại vị trí gối đỡ thỏa độ bền mỏi
3.4.6 Chọn và kiểm nghiệm ổ lăn
Thông số đầu vào: d = dB = dC = 30 (mm)
F = FB = FC = 200 (N) Ổ lăn chịu tải vòng trong cục bộ
Khi không cần độ chính xác cao, bạn nên chọn ổ lăn có cấp chính xác 0 Để xác định miền dung sai, hãy tham khảo bảng 2.61 trên trang 100 trong sách "Sổ tay Thiết kế Cơ khí tập 2" của PGS Hà Văn Vui và TS Nguyễn Văn Sáng.
3.4.6.1 Xác định tuổi thọ ổ lăn
Trong bảng 8.2, trang 225 của sách "Thiết kế đồ án Chi tiết máy", trị số Ln được khuyến nghị cho các máy hoạt động trong thời gian ngắn hoặc không liên tục là Ln (3…8)10^3 giờ Do đó, lựa chọn phù hợp là Ln = 6.10^3 giờ.
3.4.6.2 Xác định tải trọng quy ước
Xác định lực hướng tâm
0,25 = 144 (N) Xác định tải trọng quy ước
Tải trọng quy ước Q được tính theo công thức 8.3, trang 225, sách Thiết kế Đồ án Chi tiết máy Đối với ổ bi đỡ, bi đỡ - chặn và ổ đũa côn:
Q = (X.V.Fr + Y.Fa)kđ.kt Trong đó:
V: hệ số vòng quay, chọn V = 1 vì gối đỡ quay vòng trong kt: hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, chọn kt = 1 vì máy quay với tốc độ thấp, môi trường làm việc nhệt độ t < 105 o C kđ: hệ số kể đến tải trọng, tra bảng 8.3, trang 228 ta chọn kđ = 1 (Tải trọng tĩnh, không va đập, hộp giảm tốc công suất nhỏ)
X, Y là hệ số hướng tâm và hệ số dọc trục Tra bảng 8.4, trang 229 ta chọn X = 1,
3.4.6.3 Chọn ổ theo khả năng tải động
Chọn kích thước ổ theo tải động Cđ được tiến hành đối với các ổ có số vòng quay n ≥ 10 vòng/phút, khi n = 1…10 vòng/phút lấy n = 10 vòng/phút
Khả năng tải động Cđ được tính theo công thức:
Cđ = Q 𝑚 √𝐿 = 144 3 √6 10 3 = 2616,65 (N) Với: m – bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, m =3 đối với ổ bi
3.4.6.4 Chọn ổ lăn theo khả năng tải tĩnh
Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ qua công thức 11.18 trang 221:
𝑄 𝑡 ≤ 𝐶 0 với 𝑄 𝑡 : tải trọng tĩnh quy ước Là trị số lớn hơn trong 2 giá trị 𝑄 𝑡 được tính bằng công thức
𝑄 𝑡 = Fr trong đó X0 và Y0 là hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục chọn thep bảng 11.6 trang 221:
STT Thông số Số liệu
4 Đơn vị vòng bi, loại Bi cầu 1 dãy bi
Bảng 13 Thông số kỹ thuật gối đỡ trục
Dựa vào các số liệu vừa tính được, nhóm chúng em quyết định chọn gối đỡ trục UCP206 với thông số kỹ thuật như sau:
STT Thông số Số liệu
1 Đơn vị, loại Bộ phận mang
3 Mang Dia bên trong Hình dạng VÍt đặt lỗ hình trụ
4 Xử lý bề mặt Không
6 Đơn vị vòng bi, loại Loại gối
7 Vật liệu cơ thể đơn vị Gang
8 Loại khối gối Tiêu chuẩn
Bảng 14 Thông số kỹ thuật gối đỡ vòng bi UCP 206
Lựa chọn thiết bị điều khiển
Kích thước Nhỏ Rất nhỏ
Tốc độ điều khiển Nhanh Rất nhanh
Mức độ thay đổi điều khiển Đơn giản Phức tạp
Giá thành Cao Thấp Độ ổn định khi dùng trong công nghiệp
Bảng 15 So sánh PLC và vi điều khiển
Vi điều khiển thường gặp vấn đề về khả năng chống nhiễu và độ ổn định thấp, đặc biệt khi được lắp đặt trong môi trường công nghiệp với đồ gá khung sắt Do đó, PLC (Bộ điều khiển lập trình) trở thành sự lựa chọn tối ưu cho các ứng dụng này.
Hình 3.11 Gối đỡ trục UCP 206
PLC Mitsubishi, đến từ Nhật Bản, nổi bật với bộ nhớ EEPROM giúp lưu trữ dữ liệu ngay cả khi mất nguồn đột ngột Sản phẩm tích hợp bộ đếm tốc độ cao và các bộ tạo ngắt, cho phép xử lý hiệu quả nhiều ứng dụng phức tạp, với sự đa dạng trong các dòng sản phẩm.
Ta chọn FX3G-24MT/ES-A
STT Thông số Số liệu
1 Tên sản phẩm PLC FX3G-24MT/ES
2 Dòng sản phẩm FX3G Series
8 Kiểu đầu vào Sink/Source
10 Kiểu lắp đặt DIN Rail
12 Dung lượng chương trình 32000 steps
13 Ngôn ngữ lập trình Ladder Logic
15 Kiểu cáp kết nối USB, RS232C, RS485
16 Cáp kết nối FX-USB-AW, USB-SC09, USB-SC09-
18 Dòng điện đầu ra 800 (mA)
Bảng 16 Thông số kỹ thuật PLC FX3G-24MT/ES
Lựa chọn giao tiếp giữa người dùng và hệ thống
Dựa trên các lý thuyết đã trình bày trong chương 2 và kết hợp với yêu cầu thực tiễn của Đồ gá khung sắt, chúng tôi sẽ lựa chọn phương án tối ưu nhất.
Màn hình HMI Module Led 7 đoạn kết hợp nút nhấn
Màn hình LCD kết hợp nút nhấn
Khả năng hiển thị Đa dạng Hạn chế Đa dạng
Lập trình Dễ Khó Khó
Giao tiếp và kết nối Đa dạng, trong đó có PLC
Hạn chế, chủ yếu là vi điều kiển
Hạn chế, chủ yếu là vi điều khiển và Adruino
Giá thành Cao Thấp Thấp
Khả năng tương tác Màn hình cảm ứng Bàn phím rời Bàn phím rời
Bảng 17 So sánh giữa các phương án giao tiếp giữa người dùng và hệ thống
Hình 3.12 PLC Mitsubishi FX3G-24MT/ES
Chúng em đã quyết định sử dụng màn hình HMI WEINTEK MT6070IP 7 INCH để giao tiếp với PLC, nhờ vào ưu điểm giá cả phải chăng và chất lượng phù hợp cho các tác vụ vừa và nhỏ.
- Kích thước hiển thị: 7 inch TFT
- Độ phân giải (WxH dots): 800×480, 65.536 màu
- Tấm cảm ứng: 4-wire Resistive Type
Hình 3.13 Màn hình HMI WEINTEK MT6070IP 7 INCH
Cảm biến Home
Nhóm chúng em đã quyết định sử dụng một khóa cổ dê quấn chặt quanh trục, nằm giữa hộp giảm tốc và khớp nối, nhằm thuận tiện cho việc thiết kế và sửa chữa, đồng thời làm vật liệu hiện cho cảm biến.
Khóa cổ dê là một giải pháp đai xiết đa dụng, lý tưởng cho việc giữ chặt ống mềm trong nhiều ứng dụng khác nhau, bao gồm cả việc làm tín hiệu cho cảm biến Với kích thước tay khóa cánh bướm 12mm, 16mm, 20mm, sản phẩm này được chế tạo từ chất liệu inox bền bỉ, đảm bảo độ chắc chắn và tuổi thọ cao.
304 có khả năng chịu tải tốt và chống ăn mòn hiệu quả Tay vặn bằng nhựa giúp người dùng sử dụng nhanh chóng mà không cần đến tua vít, đồng thời cũng đóng vai trò là đầu tín hiệu cho cảm biến.
Vì đầu của khóa cổ cò làm từ nhựa nên sẽ dùng cảm biến quang, cụ thể là cảm biến quang siêu nhỏ Omron EE-SX47/67
Hình 3.14 Khóa cổ dê sắt tay vặn φ 16 ÷ 25mm
STT Thông số Số liệu
2 Khoảng cách phát hiện 5 mm (Chiều rộng khe)
3 Vatah pháy hiện chuẩn Mờ đục: 2.0,8 mm
4 Nguồn sáng Led hồng ngoại 940 nm
5 Chế độ hoạt động Dark – ON/Light – ON; Light – ON
6 Ngõ ra NPN; PNP collector hở
7 Chỉ thị hoạt động Led đỏ (On khi ánh sáng bị gián đoạn với các model A,R)
8 Chức năng bảo vệ Ngắn mạch ngõ ra (loại có giắc cắm)
Không bảo vệ mạch (loại có dây liền)
9 Kiểu đầu nối Chân hàn, có sẵn cáp dài 1m hoặc tùy chọn giắc cắm
Hình 3.16 Thông số kỹ thuật của cảm biến quang siêu nhỏ Omron EE-SX47/67
Hình 3.15 Cảm biến quang siêu nhỏ Omron EE-SX47/67
Lựa chọn nguồn cấp cho hệ thống điều kiển
Dựa vào những tiêu chí của những thiết bị đã nêu ở trên, nhóm chúng em quyết định chọn 24V AD1024-FS làm nguồn cấp HMI
STT Thông số Số liệu
2 Điện áp đầu vào 110 V, 220 VAC
3 Điện áp đầu ra 24 VDC
Bảng 18 Thông số kỹ thuật nguồn 24V AD1024-FS
Sơ đồ nguyên lý hoạt động
PLC nhận tín hiệu từ màn hình HMI để điều khiển Servo, thay đổi vị trí khung sắt Momnet xoắn từ Servo được tăng qua Hộp giảm tốc để quay khung sắt Cảm biến vị trí Home xác định vị trí khung sắt và đếm số vòng quay, sau đó chuyển đổi thành tín hiệu số và gửi về PLC Khi khung sắt đạt vị trí cần thiết, PLC phát tín hiệu cho Robot thực hiện hàn tại các vị trí đã cài sẵn Sau khi hàn xong, PLC tiếp tục phát tín hiệu cho Servo, điều chỉnh khung sắt về vị trí đã xác định theo yêu cầu lập trình.
Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cụ thể của đề tài
Giải thuật điều khiển
Chương trình điều khiển của đồ gá sẽ tương tác qua I/O với chương trình điều khiển của robot Khi đồ gá đạt đến góc quay yêu cầu, tín hiệu sẽ được gửi đến robot để bắt đầu quá trình hàn Sau khi robot hoàn thành hàn, nó sẽ gửi tín hiệu trở lại đồ gá để tiếp tục quay đến các góc hàn tiếp theo Quá trình này sẽ lặp lại cho đến khi hoàn tất việc hàn và đồ gá quay về vị trí ban đầu.
Hình 3.19 Lưu đồ giải thuật điều khiển
