Nội dung
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Cơ khí hóa là quá trình thay thế các động tác cơ bắp của con người bằng máy móc trong các quy trình công nghệ chính Việc áp dụng cơ khí hóa không chỉ nâng cao năng suất lao động mà còn giữ vai trò quan trọng trong việc điều khiển và theo dõi quá trình, cũng như thực hiện các chuyển động phụ trợ khác mà con người vẫn cần đảm nhiệm.
Hình 2.1: Dây chuyền sản xuất ô tô
Tự động hóa là công nghệ cho phép thực hiện quy trình mà không cần sự can thiệp của con người, thông qua việc sử dụng các hệ thống điều khiển cho máy móc, quy trình trong nhà máy, nồi hơi, lò xử lý nhiệt, và nhiều ứng dụng khác Công nghệ này giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người, với nhiều quy trình đã được hoàn toàn tự động hóa.
Tự động hóa trong sản xuất đánh dấu bước tiến quan trọng sau cơ khí hóa, đảm nhận những nhiệm vụ mà cơ khí hóa không thể thực hiện.
Các thiết bị vạn năng và bán tự động yêu cầu người thợ thực hiện các chuyển động phụ, trong khi các thiết bị tự động hóa và máy tự động hoàn toàn thực hiện quá trình làm việc, bao gồm cả các tác động điều khiển, một cách tự động mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.
Hệ thống cấp phôi tự động cho máy là một bước tiến quan trọng trong tự động hóa, cho phép máy tháo chi tiết đã gia công xong và thay thế bằng phôi mới một cách tự động Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn khởi động ngay chu kỳ gia công cho chi tiết mới, nâng cao hiệu suất sản xuất.
Hình 2.2: Tay robot trong dây truyền sản xuất bia
1.3 KHOA HỌC TỰ ĐỘNG HÓA
Khoa học tự động hóa là lĩnh vực kỹ thuật tập trung vào việc thiết lập các hệ thống điều khiển và kiểm tra tự động cho các quá trình khác nhau Nó dựa trên các nguyên tắc lý thuyết cơ bản nhằm đạt được mục tiêu cuối cùng mà không cần sự can thiệp trực tiếp của con người.
Khoa học tự động hóa bao gồm nhiều lĩnh vực như lý thuyết điều khiển tự động, mô hình hóa, phân tích hệ thống, tối ưu hóa, truyền tin và lập trình Việc tự động hóa trong sản xuất đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và năng suất.
6 hướng phát triển khoa học tự động hóa Sự phát triển của nó gắn liền với các khoa học liên quan
1.4 HỆ THỐNG THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO CÓ TRỢ GIÚP CỦA MÁY TÍNH ( CAD – CAM)
Sự ra đời của máy điều khiển số và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin cùng công nghệ máy tính đã mang lại những thay đổi căn bản trong việc chuẩn bị và điều hành sản xuất Đặc biệt, quá trình chuẩn bị thiết kế đã được tự động hóa nhờ vào hệ thống thiết kế tự động hỗ trợ bởi máy tính.
Định nghĩa về công cụ CAD
CAD (Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính) cho phép tạo ra các bản vẽ chi tiết hoặc mô hình 3D bằng máy vi tính Quá trình phát triển sản phẩm bao gồm hai bước chính: thiết kế và chế tạo Trong giai đoạn thiết kế, thông tin được thu thập và xử lý, kết hợp với khả năng sáng tạo của người thiết kế để phân tích và chọn ra phương án tối ưu Đối với các sản phẩm có cấu trúc phức tạp và yêu cầu cao về kỹ thuật cũng như kinh tế, việc đạt được giải pháp tối ưu thường cần đến các phương pháp và công cụ tiên tiến hơn là những phương pháp thông thường.
Thiết kế hỗ trợ bởi máy tính điện tử (CAD) là ứng dụng hiệu quả của công nghệ kỹ thuật tin học và điện tử, giúp giải quyết các nhiệm vụ liên quan đến thiết kế.
Định nghĩa về công cụ CAM
CAM (Computer-aided Manufacturing) tức là công nghệ gia công, chế tạo, sản xuất có sự trợ giúp của máy tính
Quy trình sản xuất vớ với sự hỗ trợ của máy tính điện tử bao gồm việc sử dụng máy tính để lập kế hoạch và điều khiển quá trình sản xuất Việc áp dụng công nghệ này giúp tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Các thiết bị tính toán thiết kế như máy tính, màn hình đồ họa, và phần mềm chuyên dụng như Matlab, Catia, và CAD cho phép tạo ra mô hình sản phẩm 3D, giúp khảo sát và chỉnh sửa nhanh chóng Bản vẽ trong CAD có thể lưu trữ và truy xuất dễ dàng, tiết kiệm thời gian, vật liệu và chi phí trong giai đoạn thiết kế trước khi sản xuất.
Hình 2.3: Thiết kế các sản phẩm có sự trợ giúp máy tính
1.5 GIỚI THIỆU VỀ MÁY TÔI CAO TẦN
Tôi cao tần là phương pháp gia nhiệt sử dụng nguyên lý cảm ứng điện từ, với nguồn điện tần số cao đi qua vật liệu dẫn điện để tạo ra nhiệt cực lớn trong lòng phôi Hiện tượng gia nhiệt cảm ứng này giúp nung nóng đỏ phôi, từ đó dễ dàng gia công, tôi, và luyện các chi tiết máy cũng như vật dụng kim loại một cách chắc chắn Nhờ vào hiệu quả vượt trội, công nghệ gia nhiệt cảm ứng kim loại đã trở thành một giải pháp hàng đầu trong ngành chế tạo phôi.
Cảm ứng điện từ đã trở thành một ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất, đặc biệt trong quá trình nung nóng các thành phần kim loại ở nhiệt độ cao, có thể lên tới vài nghìn °C Một lò nung cảm ứng đơn giản bao gồm một cuộn dây đồng rỗng chứa nước, mang dòng điện AC tần số cao, với đối tượng gia nhiệt là một thanh thẳng đứng đặt ở trung tâm cuộn dây.
Hình 2.4: Cuộn dây cảm ứng
Máy tôi cao tần hiện nay chủ yếu được sử dụng tại các nhà máy và công ty lớn, với hệ thống điều khiển tự động cho việc cấp phôi và di chuyển trục tôi Trong khi đó, các máy tôi cao tần nhỏ và xách tay lại không được trang bị hệ thống tự động, mà phải sử dụng đồ gá để thực hiện quá trình tôi.
QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN
2.1.1 SO SÁNH ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA 2 LOẠI ĐỘNG CƠ
Khi lựa chọn giữa động cơ servo và động cơ bước cho các ứng dụng cụ thể, cần xem xét những điểm khác biệt giữa chúng Cả hai loại động cơ đều có khả năng xác định vị trí chính xác, nhưng động cơ servo yêu cầu tín hiệu hồi tiếp analog và cần một bộ tắc cô để cung cấp thông tin về vị trí rotor, cùng với mạch phức tạp để điều chỉnh sai lệch vị trí Động cơ bước có thể hoạt động trong hệ thống điều khiển vòng hở, phù hợp với tải trọng tĩnh, nhưng khi tải trọng thay đổi hoặc cần gia tốc lớn, hệ thống điều khiển vòng kín với động cơ bước là lựa chọn tốt hơn Nếu động cơ bước quá tải trong hệ thống vòng mở, vị trí của nó sẽ bị mất và cần phải nhận diện lại, trong khi động cơ servo không gặp phải vấn đề này.
Hình 3.1: Động cơ bước và động cơ servo
40 Động cơ Động cơ bước Động cơ servo
Mạch driver Đơn giản, thông thường người dùng có thể tạo chúng
Phức tap Thông thường người sử dụng phải mua mạc driver từ nhà sản xuất
Nhiễu và rung động Nhiều Rất ít
Tốc độ chậm từ 1000 - 2000 rpm có thể gặp hiện tượng trượt bước nếu tải quá lớn, trong khi tốc độ nhanh từ 3000 - 5000 rpm thường không xảy ra hiện tượng này, động cơ vẫn hoạt động trơn tru ngay cả khi tải tăng Độ phân giải của động cơ 2 pha PM là 7.5° (48 ppr).
2 pha HB: 1.8° (200 ppr) hoặc 0.9° (400 ppr)
5 pha HB: 0.72° (500 ppr) hoặc 0.36° (1000 ppr)
Phụ thuộc độ phân giải của encoder
Thông thường vào khoảng 0.36° (1000ppr) – 0.036° (10000ppr)
Giá thành Giá thành thấp Giá thành cao
Bảng 3.1: So sánh độn cơ bước và động cơ servo
2.1.2 CHỌN ĐỘNG CƠ SERVO Để chọn động cơ phù hợp với khả năng làm việc của trục vit cần tính toán và lựa chọn các thông số phù hợp
Các thông số ban đầu:
Tổng khối lượng nâng: m = 4,5 kg
Tổng khối lượng đối trọng: mdt = 3 kg
Tốc độ di chuyển lớn nhất: 100 mm/s
Tổng chiều dài trục vít: 500 mm
Đường kính trục vít: 15mm
hệ số ma sát trượt: = 0.05
Hiệu suất làm việc trục vít: = 0.9
Dựa vào đó nhóm quyết định chọn động cơ ac sevo MSMD012P1 , dirver MSD043A1X
Hình 3.2: Động cơ MSMD012P1 Hình 3.3: Dirver MSD043A1X
2.2 CHỌN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC
Hệ thống điều khiển PLC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như tiêu thụ năng lượng thấp, lắp đặt nhanh chóng, tiết kiệm không gian và dễ dàng thay đổi chương trình Với độ bền cao và khả năng hoạt động tin cậy, PLC được ứng dụng rộng rãi và có thể thích ứng tốt trong các môi trường khắc nghiệt Đặc biệt, PLC cho phép bổ sung hoặc điều chỉnh các lệnh theo yêu cầu công nghệ, thể hiện tính linh hoạt trong khả năng điều khiển.
Tính linh hoạt: có thể sử dụng một bộ điều khiển cho nhiều đối tượng khác nhau với các thuật toán điều khiển khác nhau
Việc thiết kế và thay đổi logic điều khiển trở nên dễ dàng hơn với hệ thống điều khiển PLC Khác với hệ thống sử dụng rơ-le, nơi mà việc thay đổi logic yêu cầu nhiều thời gian để nối lại dây cho các thiết bị và bảng điều khiển, hệ thống PLC cho phép thay đổi logic chỉ bằng cách chỉnh sửa chương trình qua thiết bị lập trình và ngôn ngữ lập trình chuyên dụng Điều này giúp giảm đáng kể thời gian thiết kế hệ thống.
Dựa cào các mẫu PLC có sẵn trên thị trường, loại động cơ mà nhóm đang sử dụng, nhóm quyết định sử dụng PLC Mitsubishi FX3UC-64MT/D
Hình 3.4: PLC Mitsubishi FX3UC-64MT/D Thông số kỹ thuật PLC Mitsubishi FX3UC-64MT/D
Kiểu kết nối: RS232C, RS 485
Cáp kết nối: FX-USB-AW, USB-SC09, USB-SC09-FX
Thông số và các tiêu chí khi lựa chọn màn hình Độ lớn màn hình: quyết định thông tin cần hiển thị cùng lúc của HMI
Dung lượng bộ nhớ chương trình, bộ nhớ dữ liệu, Flash dữ liệu: quyết định số lượng tối đa biến số và dung lượng lưu trữ thông tin
Số lượng các phím và các phím cảm ứng trên màn hình: khả năng thao tác vận hành
Chuẩn truyền thông, các giao thức hỗ trợ
Số lượng các đối tượng, hàm lệnh mà HMI hỗ trợ
Các cổng mở rộng: Printer, USB, CF, PCMCIA, PC100…
Dựa vào thực tế mô hình và các loại màn hình có sẵn trên thị trường, nhóm chọn màn hình: OP320-A V8.0
Bộ nhớ ROM: 64Kb Flash
Sử dụng phần mềm: OP20 Edit Tool V8
Nhóm sử dụng phần mềm GX DEVELOPER để lập trình cho PLC DRIVER MSD043A1X
Hình 3.6: Phần mềm GX Developer
Mở chương trình GX Developer
Hình 3.7: Bước 1 tạo file thiết kế Để tạo chương trình mới, vào Project → chọn New Project
Hình 3.8: Bước 2 tạo file thiết kế Cửa số New Project hiện ra:
PLC series: chọn dòng PLC, ở đây chọn FXCPU
PLC type: chọn loại PLC, ở đây chọn FX3G
Program type: chọn ngôn ngữ lập trình, ở đây chọn Ladder
Hình 3.9: Bước 3 tạo file thiết kế Một số công cụ và chức năng phần mềm
Hình 3.10: Bước 3 tạo file thiết kế
2.4.3 TẢI CHƯƠNG TRÌNH VÀO PLC
Cáp tải chương trình PLC USB-SC09
Hình 3.11 : Cáp tải chương trình PLC USB-SC09
Khi cắm cáp vào máy tính và PLC, để thiết lập kết nối, trong GX Developer chọn Online → Tranfer Setup
Hình 3.12 : Các bước tải chương trình vào PLC
Tại PC side I/F: Chọn serial, thiết lập cổng COM và tốc độ truyền Sau đó nhấn
Hình 3.13 : Các bước tải chương trình vào PLC Nhấn nút Connection Test để kiểm tra kết nối giữa máy tính và PLC
Để tải chương trình vào PLC, trước tiên cần đảm bảo kết nối thành công với CPU FX3U(C) Nếu nhận được thông báo "Successfully connected with the FX3U(C) CPU", nghĩa là kết nối đã được thiết lập thành công Ngược lại, nếu không có thông báo này, bạn cần kiểm tra cáp kết nối hoặc đảm bảo PLC đã được cấp điện.
49 Để download chương trình từ PC xuống PLC, vào Online, chọn Write to PLC
Để tải chương trình vào PLC, đầu tiên, cửa sổ "Write to PLC" sẽ xuất hiện Tại đây, người dùng cần tích chọn các mục muốn tải xuống PLC, bao gồm chương trình chính, ghi chú và cài đặt.
Hình 3.16 : Các bước tải chương trình vào PLC Chọn Execute để tải chương trình xuống
Hình 3.17 : Các bước tải chương trình vào PLC Để Upload chương trình, vào Online, chọn Read form PLC
Để tải chương trình vào PLC, trước tiên, cửa sổ "Read from PLC" sẽ xuất hiện Tại đây, người dùng cần tích chọn các mục muốn tải từ PLC lên máy tính, bao gồm chương trình chính, ghi chú và cài đặt.
Hình 3.19 : Các bước tải chương trình vào PLC Sau đó chọn Execute để upload chương trình lên máy tính
Nhóm sử dụng phần mềm OP20 Edit Tool để thiết kế giao diện màn hình
Hình 3.20: Phần mềm OP20 Edit Tool
Mở chương trình OP20 Edit Tool, để tạo chương trình mới, vào Project chọn New Project
Hình 3.21: Các bước tạo file thiết kế Trong Cửa số New Project: Chọn loại màn hình HMI, ở đây chọn OP320/5-A sau đó nhấn OK
Hình 3.22: Các bước tạo file thiết kế Sau khi chọn loại màn hình HMI, ta chọn loại PLC kết nối với HMI, ở đây chọn PLC Mitsubishi(FX)
Hình 3.23: Các bước tạo file thiết kế Sau khi chọn loại PLC kết nối với HMI ta thiết kế màn hình
Hình 3.24: Các bước tạo file thiết kế
Hình 3.25: Các bước tạo file thiết kế
2.5.3 TẢI CHƯƠNG TRÌNH VÀO HMI
Cáp nạp chương trình màn hình HMI OP320-A H003224
Hình 3.26: Cáp nạp chương trình màn hình HMI OP320-A H003224
Khi cắm cáp vào máy tính và HMI, để thiết lập kết nối, trong OP20 Edit Tool chọn File → Comm Port
Hình 3.27: Các bước tải chương trình vào HMI
Cửa sổ Comm Port hiện lên chọn cổng COM, ở đây chọn COM5
Hình 3.28: Các bước tải chương trình vào HMI Sau đó nhấn nút Download để download vào HMI
Hình 3.29: Các bước tải chương trình vào HMI
Sau khi đã lập trình PLC và thiết lập giao diện màn hình, ta có giao diện màn hình hiển thị gồm:
Vi tri thuc: vị trí hiện tại của phôi trên trục vít-me
Diem bat dau: Vị trí bắt đầu tôi của phôi trên trục vít-me
Do dai mm: Độ dài phôi cần tôi
So lan: số lần di chuyển lên xuống của phôi
Van toc Jog: Tốc độ di chuyển của phôi từ vị trí thực đến vị trí điểm bắt đầu
Van toc toi: Tốc di chuyển của phôi khi tôi
Ta có sơ đồ điều khiển trục vít-me khi gia tôi:
56 Hình 3.30: Sơ đồ điểu khiển trục vít-me
Trong đó các nút nhấn ngoài trên tủ điện:
Home: đưa phôi về vị trí 0 trên trục vít-me
Auto: chế độ chạy tự động sau khi đã nhập các thông số
Reset: dừng khẩn cấp khi có sự cố
Hình 3.31: Màn hình hiển thị thông số khi điều khiển
2.7 GIA CÔNG, LẮP RÁP CÁC BỘ PHẬN
Lắp ráp hộp đựng động cơ với trục vit-me
Hình 3.32: Sơ đồ lắp ráp hộp đựng động cơ với trục vit-me
Hình 3.33: Hộp đựng động cơ với trục vít-me
Sau khi lắp rạp cụm động cơ – vít-me Nhóm thiết kế khung máy phù hợp và tiến hành hàn khung máy
Hình 3.34: Thiết kế ban đầu khung máy
Hình 3.35: Khung máy sau khi hàn
Hình 3.37: Lắp ráp hộp đựng động cơ với trục vít-me vào khung máy
Lắp ráp các thiết bị điện vào tủ điện
Hình 3.38: Lắp ráp các thiết bị điện vào tủ điện
Lắp ráp màn hình, nút nhấn
Hình 3.39: Lắp ráp màn hình, nút nhấn
VẬN HÀNH THỬ MÁY
Bước 1: Đo chiều dài trục cần tôi khi kẹp vào đồ gá
Để thực hiện quá trình tôi, bạn cần nhập các giá trị quan trọng trên màn hình hiển thị, bao gồm vị trí cần tôi, độ dài phôi, số lần lập lại quá trình, vận tốc chạy đến vị trí và vận tốc trong quá trình tôi.
Bước 3: Nhấn nút Home để phôi về vị trí trên trục vít-me
Bước 4: Nhấn Auto để máy chạy tự động theo các thông số đã nhập ở trên
Lưu ý: Trường hợp nếu gặp sự cố thì nhất Reset để dừng máy khẩn cấp
Kẹp phôi đường kính 20mm, dài 200mm để tôi
3.3 KẾT QUẢ, KIỂM TRA VÀ ĐÁNH GIÁ
Sau khi tôi phôi ta tháo tay kẹp phôi ra và được kết quả
.Hình 3.42: Cụm tay kẹp sau khi tôi
3.4 MỘT VÀI HÌNH ẢNH CỦA CƠ CẤU TRUYỀN ĐỘNG CHO MÁY TÔI CAO TẦN
Một vài hình ảnh tổng quan của máy
Hình 3.43: Cơ cấu truyền động cho máy tôi cao tần
Một vài hình của máy khi đang vận hành tôi
Hình 3.44: Máy khi đang vận hành tôi
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỄN
Sau khi thực hiện nghiên cứu khoa học, các mục tiêu đề ra cho đề tài đã được hoàn thành Một số kết quả đạt được bao gồm:
Chọn bộ trục vít-me
Chọn được động cơ servo và dirver
Chọn hệ thống điều khiển PLC
Lắp ráp các thiết bị vào khung máy
Đảm bảo an toàn cho mạch điện
Nhóm em chuyên thiết kế và chế tạo cơ cấu truyền động cho máy tôi cao tần Tuy nhiên, máy vẫn gặp phải một số nhược điểm ảnh hưởng đến thẩm mỹ, đặc biệt là các mối hàn chưa đạt độ chính xác cao, dẫn đến sự kém thẩm mỹ.
Nhóm đã hoàn thành đúng kế hoạch ban đầu mặc dù gặp một số sai sót do lần đầu thực hiện Qua quá trình làm việc, chúng em đã rút ra nhiều kinh nghiệm quý báu và áp dụng kiến thức đã học để giải quyết vấn đề, củng cố lại kiến thức Nếu có cơ hội nghiên cứu tiếp, nhóm em sẽ phát triển thiết kế máy thẩm mỹ hơn.
Do những hạn chế về khả năng và điều kiện kinh tế, công nghệ hiện tại vẫn chưa đủ để khắc phục những khuyết điểm và thiếu sót còn tồn tại.
- Khung máy hàn chưa đạt độ chính xác cao, nên bị gập ghềnh khi để máy dưới dàn phẳng
- Góc kẹp phôi của cụm tay kẹp phôi hơi nhỏ nên không kẹp được các phôi có đường kính lớn
- Các nút bấm trên màn hình điều khiển hơi cứng nên khó cho việc thao tác vận hành máy
Vì vậy, để đề tài được hoàn thiện nhóm chúng em xin đề xuất phát triển máy như sau:
Khung máy được thiết kế với các mối hàn có tính thẩm mỹ và độ chính xác cao, giúp giảm thiểu rung lắc khi gia nhiệt phôi Điều này tránh tình trạng va chạm với vòng dây cảm ứng điện từ, đảm bảo hiệu suất hoạt động ổn định.
- Thiết kế lại cụm tay kẹp để kẹp được các loại phôi khác nhau với nhiều kích thước khác nhau
- Khi chọn màn hình, nên chọn những màn hình có các nút bấm hoạt dộng tốt hơn
- Lắp thêm các bánh xe sẽ tiện hơn cho việc di chuyển máy
CHƯƠNG 5 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Giáo trình môn học PLC MITSUBISHI Progammable Controllers – Lê Hoàng Vinh – Đào Duy Phương – Võ Thị Ánh Tuyết – Trần Thị Thu Thủy, 2006
[2] Giáo trình vật liệu đại cương - Trần Thế San, Đại học Quốc gia Tp HCM, 2013
[3] Tài liệu động cơ bước và động cơ servo, vi.wikipedia.org/wiki/Động_cơ_bước vi.wikipedia.org/wiki/Động_cơ_servo
[4] Tài liệu lập trình OP20 software, http://www.imenista.com/pdf/OP20%20software%20manual.pdf
[5] Tài liệu Panasoic Instruction Manual AC Servo Motor and Driver
