Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, ngành công nghiệp chế tạo máy dập CNC ngày càng phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất các sản phẩm thép dạng tấm đa dạng và phức tạp. Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ chế tạo máy dập CNC vẫn còn hạn chế, chủ yếu dựa vào nhập khẩu với chi phí cao và chưa phù hợp hoàn toàn với điều kiện sản xuất trong nước. Đề tài "Thiết kế và chế tạo bộ điều khiển lập trình máy dập CNC 20 tấn" được thực hiện trong năm 2014 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh nhằm phát triển một bộ điều khiển lập trình hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và đào tạo ngành cơ khí chế tạo máy.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển lập trình cho máy dập CNC 20 tấn, đồng thời lắp ráp hoàn chỉnh máy dập để phục vụ công tác nghiên cứu và thực hành của sinh viên. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế bo mạch điều khiển tự động cho máy dập, hệ thống cấp phôi tự động và máy xả cuộn, với thời gian thực hiện từ tháng 1 đến tháng 12 năm 2014 tại TP. Hồ Chí Minh. Ý nghĩa của đề tài không chỉ nâng cao năng suất và độ chính xác trong sản xuất mà còn góp phần đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật chất lượng cao, đáp ứng yêu cầu phát triển công nghiệp trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình điều khiển tự động trong công nghiệp, bao gồm:

  • Lý thuyết điều khiển tự động: Tập trung vào việc sử dụng vi điều khiển PIC16F887 làm trung tâm xử lý, kết hợp với các cảm biến quang, công tắc hành trình và các mạch điện tử công suất để điều khiển chính xác hành trình dập và chu kỳ vận hành máy.
  • Mô hình hệ thống dập tự động: Bao gồm các module chính như khuôn dập, máy dập thủy lực, máy cấp phôi tự động và máy xả cuộn, được tích hợp với hệ thống điều khiển điện tử và khí nén.
  • Khái niệm về vi điều khiển và lập trình nhúng: Vi điều khiển PIC16F887 với cấu trúc CPU RISC, bộ nhớ Flash và EEPROM, các module ngoại vi như timer, bộ chuyển đổi tương tự-số, giao tiếp SPI và I2C, được sử dụng để lập trình điều khiển linh hoạt và chính xác.
  • Khái niệm về hệ thống điện – khí nén – thủy lực điều khiển bằng PLC/MCU: Kết hợp các phần tử điện tử truyền thống với bộ điều khiển khả trình để thực hiện các chức năng phức tạp trong hệ thống tự động.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu chuyên ngành, khảo sát các loại máy dập CNC tương tự trong và ngoài nước, cùng với việc mô hình hóa và mô phỏng trên máy tính. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Phương pháp tham khảo tài liệu: Tổng hợp các nghiên cứu, tài liệu kỹ thuật về máy dập CNC và hệ thống điều khiển tự động.
  • Phương pháp khảo sát thực tế: Tiếp cận và phân tích các loại máy dập CNC hiện có để rút ra yêu cầu kỹ thuật và thiết kế phù hợp.
  • Phương pháp thiết kế và chế tạo: Thiết kế bo mạch điều khiển, mạch động lực, mạch công suất, và các phần cứng liên quan; lắp ráp và tích hợp hệ thống.
  • Phương pháp lập trình và thử nghiệm: Lập trình vi điều khiển PIC16F887 để điều khiển hành trình dập, chu kỳ dập và giao tiếp giữa các module; tiến hành thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.
  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong vòng 12 tháng (01/2014 – 12/2014), bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lập trình, thử nghiệm và đánh giá.

Cỡ mẫu nghiên cứu là hệ thống máy dập CNC 20 tấn được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh, với các linh kiện điện tử, cảm biến và cơ cấu chấp hành được lựa chọn dựa trên tiêu chuẩn kỹ thuật và khả năng ứng dụng thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công bộ điều khiển lập trình cho máy dập CNC 20 tấn
    Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC16F887 với tốc độ xử lý 20 MHz, cho phép thực hiện các lệnh điều khiển nhanh chóng với chu kỳ lệnh 200 ns. Hệ thống có khả năng vận hành ở các chế độ: tay, bán tự động và tự động hoàn toàn, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và linh hoạt trong sản xuất.

  2. Tích hợp hệ thống cấp phôi và máy xả cuộn tự động
    Hệ thống cấp phôi hoạt động bằng khí nén, phối hợp chặt chẽ với máy dập CNC thông qua mạch giao tiếp hai chiều, đảm bảo cấp phôi đều đặn theo chu kỳ dập. Máy xả cuộn được điều khiển tự động dựa trên tín hiệu cảm biến quang, giúp duy trì độ căng phôi ổn định, giảm thiểu lỗi sản phẩm.

  3. Hiệu quả vận hành và độ tin cậy cao
    Qua thử nghiệm thực tế, hệ thống đạt độ chính xác hành trình dập trong khoảng 0.1 mm, chu kỳ dập có thể điều chỉnh linh hoạt từ vài giây đến vài chục giây, phù hợp với nhiều loại sản phẩm khác nhau. Tỷ lệ lỗi sản phẩm giảm khoảng 15% so với vận hành thủ công.

  4. Khả năng ứng dụng trong đào tạo và nghiên cứu
    Bộ điều khiển và máy dập CNC được sử dụng làm thiết bị thực hành cho sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy và công nghệ tự động, giúp nâng cao kỹ năng thực tế và hiểu biết về công nghệ CNC hiện đại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của đề tài nằm ở việc lựa chọn vi điều khiển PIC16F887 với cấu trúc CPU RISC, cho phép xử lý nhanh và chính xác các tín hiệu điều khiển. Việc tích hợp các cảm biến quang Fotek SU-07X và Omron EE-SX672 giúp hệ thống nhận biết chính xác vị trí phôi và hành trình dập, từ đó điều chỉnh kịp thời các cơ cấu chấp hành. So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống này có ưu điểm về chi phí thấp, dễ dàng sửa đổi và nâng cấp do sử dụng các linh kiện phổ biến và lập trình linh hoạt.

Dữ liệu thử nghiệm có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa chu kỳ dập và độ chính xác hành trình, cũng như bảng so sánh tỷ lệ lỗi sản phẩm giữa vận hành thủ công và tự động. Kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của bộ điều khiển lập trình trong ứng dụng thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng ứng dụng bộ điều khiển cho các loại máy dập có công suất khác nhau
    Đề xuất nghiên cứu và thiết kế các phiên bản bộ điều khiển phù hợp với máy dập từ 10 tấn đến 50 tấn nhằm đáp ứng đa dạng nhu cầu sản xuất. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và phát triển công nghệ tự động.

  2. Nâng cấp phần mềm lập trình điều khiển với giao diện người dùng thân thiện
    Phát triển phần mềm điều khiển có giao diện đồ họa trực quan, hỗ trợ lập trình nhanh và dễ dàng cho người vận hành, giảm thiểu sai sót trong quá trình thiết lập thông số. Thời gian hoàn thiện khoảng 6 tháng, do nhóm kỹ thuật phần mềm và tự động hóa thực hiện.

  3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các trường đại học và doanh nghiệp
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế, lập trình và vận hành máy dập CNC cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết. Thời gian triển khai liên tục hàng năm, do các trường đại học và trung tâm đào tạo phối hợp thực hiện.

  4. Ứng dụng công nghệ IoT và SCADA để giám sát và điều khiển từ xa
    Nghiên cứu tích hợp hệ thống SCADA và kết nối IoT nhằm giám sát trạng thái máy dập, cảnh báo sự cố và điều khiển từ xa, nâng cao hiệu quả quản lý và bảo trì. Dự kiến thực hiện trong 18-24 tháng, do các đơn vị công nghệ thông tin và tự động hóa phối hợp phát triển.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy và công nghệ tự động
    Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và vận hành máy dập CNC, giúp sinh viên nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu biết về công nghệ điều khiển lập trình.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí và tự động hóa
    Tài liệu chi tiết về thiết kế mạch điều khiển, lập trình vi điều khiển và tích hợp hệ thống giúp hỗ trợ công tác giảng dạy và nghiên cứu phát triển công nghệ mới.

  3. Kỹ sư thiết kế và vận hành máy móc công nghiệp
    Cung cấp giải pháp thiết kế bộ điều khiển lập trình hiệu quả, giúp cải tiến máy dập thủy lực hiện có, nâng cao năng suất và độ chính xác trong sản xuất.

  4. Doanh nghiệp sản xuất và chế tạo máy CNC
    Tham khảo để phát triển sản phẩm máy dập CNC phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và tăng tính cạnh tranh trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bộ điều khiển lập trình máy dập CNC 20 tấn sử dụng vi điều khiển nào?
    Bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển PIC16F887 với tốc độ xử lý 20 MHz, cho phép thực hiện các lệnh điều khiển nhanh và chính xác, phù hợp với yêu cầu vận hành máy dập CNC.

  2. Hệ thống cấp phôi tự động hoạt động như thế nào?
    Hệ thống cấp phôi sử dụng cơ cấu khí nén phối hợp với cảm biến quang để nạp phôi đều đặn theo chu kỳ dập, đảm bảo quá trình sản xuất liên tục và ổn định.

  3. Độ chính xác hành trình dập đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
    Độ chính xác hành trình dập đạt khoảng 0.1 mm, giúp sản phẩm có kích thước đồng đều và chất lượng cao hơn so với vận hành thủ công.

  4. Phần mềm lập trình điều khiển có hỗ trợ giao tiếp giữa các module không?
    Có, phần mềm được lập trình để giao tiếp hai chiều giữa máy dập CNC và máy cấp phôi, giúp đồng bộ hóa hoạt động và tăng hiệu quả sản xuất.

  5. Luận văn có thể áp dụng cho các loại máy dập khác không?
    Có thể, với một số điều chỉnh về phần cứng và phần mềm, bộ điều khiển lập trình có thể được tùy biến để phù hợp với các loại máy dập có công suất và cấu hình khác nhau.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công bộ điều khiển lập trình hoàn chỉnh cho máy dập CNC 20 tấn, đáp ứng yêu cầu về độ chính xác và linh hoạt trong sản xuất.
  • Hệ thống tích hợp hiệu quả các module cấp phôi tự động và máy xả cuộn, nâng cao năng suất và giảm thiểu lỗi sản phẩm.
  • Kết quả thử nghiệm cho thấy độ chính xác hành trình dập đạt khoảng 0.1 mm, chu kỳ dập có thể điều chỉnh linh hoạt.
  • Sản phẩm nghiên cứu có giá trị ứng dụng cao trong đào tạo và nghiên cứu ngành cơ khí chế tạo máy và công nghệ tự động.
  • Đề xuất mở rộng nghiên cứu, nâng cấp phần mềm và ứng dụng công nghệ IoT để phát triển hệ thống điều khiển máy dập CNC hiện đại hơn trong tương lai.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp nâng cấp và đào tạo nhằm phổ biến công nghệ, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại máy dập khác. Các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực cơ khí chế tạo máy được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả sản xuất và đào tạo nguồn nhân lực chất lượng cao.