Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế & chế tạo máy gấp khung dây song song bằng PLC

Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử chi tiết về thiết kế, mô phỏng và chế tạo máy gấp khung dây song song, điều khiển tự động hoàn toàn bằng PLC.

• Tác giả: Mai Hải Đăng
• Người hướng dẫn: PGS. Phạm Văn Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế, Mô Phỏng Và Chế Tạo Máy Gấp Khung Dây Song Song Điều Khiển Bằng PLC
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Máy Gấp Khung Dây Song Song Điều Khiển PLC

Máy gấp khung dây song song điều khiển PLC là một thiết bị hiện đại trong lĩnh vực tự động hóa sản xuất, được thiết kế để gấp các đai thép với đường kính từ ø2 – ø4mm. Đây là đồ án tốt nghiệp từ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Cơ điện tử dưới sự hướng dẫn của PGS. Phạm Văn Hùng. Thiết bị này đáp ứng nhu cầu thay thế lao động chân tay, nâng cao năng suất sản xuất lên 360 đai/giờ và giảm chi phí nhân công đáng kể. Hệ thống được thiết kế với khung đai thép cơ sở có kích thước 120 x 120mm, cho phép điều chỉnh linh hoạt khi thay đổi kích thước đai thép. Máy gấp khung dây không chỉ tăng hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công, góp phần tối ưu hóa quy trình sản xuất hiện đại.

1.1. Mục tiêu và Ứng Dụng Thực Tiễn

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế một hệ thống tự động hóa gấp đai thép đạt tiêu chuẩn công nghiệp. Ứng dụng thực tiễn của máy này rất rộng, từ các nhà máy dệt may, công nghiệp xây dựng đến các xưởng gia công kim loại. Thiết bị này giúp giảm thiểu nhân công lao động, tăng độ chính xác và tính nhất quán của sản phẩm. Nhờ vào điều khiển PLC, máy có thể tự động hóa toàn bộ quy trình, từ định vị, gấp đến xếp chồng sản phẩm.

1.2. Nhu Cầu Công nghiệp Hóa Hiện Đại

Trong bối cảnh công nghiệp hóa hiện đại hóa ở Việt Nam, nhu cầu sử dụng thiết bị tự động hóa ngày càng tăng. Máy gấp khung dây PLC đáp ứng yêu cầu này bằng cách cung cấp giải pháp sản xuất hiệu quả, linh hoạt và tiết kiệm chi phí. Các doanh nghiệp có thể dễ dàng thay đổi thông số máy khi sản xuất các loại đai thép khác nhau, tạo ra một hệ thống sản xuất linh hoạt phù hợp với nhu cầu sản xuất hàng loạt nhỏ và vừa.

II. Thiết Kế và Cấu Trúc Hệ Thống Cơ Khí

Hệ thống cơ khí của máy gấp khung dây song song được thiết kế dựa trên nguyên lý hoạt động của các xylanh khí nén kết hợp với cơ cấu gấp chính xác. Khung đai thép cơ sở có kích thước tiêu chuẩn 120 x 120mm, được chế tạo từ thép cấp chất lượng cao để đảm bảo độ bền và độ chính xác. Thiết kế máy gấp cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa các xylanh khí nén khi kích thước đai thép thay đổi, tạo nên tính linh hoạt cao trong sản xuất. Các bộ phận chính bao gồm: khung cơ sở, cơ cấu gấp, hệ thống truyền động, và các chi tiết kết nối. Toàn bộ thiết kế cơ khí được mô phỏng và tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất tối đa.

2.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Cơ Cấu Gấp

Cơ cấu gấp hoạt động dựa trên lực nén từ xylanh khí nén, các xylanh này được điều khiển chính xác bởi hệ thống PLC. Khi tín hiệu điều khiển được gửi đi, xylanh sẽ co lại để tạo lực gấp trên đai thép. Nguyên lý hoạt động này đảm bảo rằng mỗi lần gấp đều có lực tương tự nhau, tạo ra sản phẩm với độ chính xác cao. Hệ thống này được thiết kế để làm việc liên tục với tốc độ cao mà không giảm chất lượng gấp.

2.2. Khả Năng Thay Đổi Kích Thước Khung Dây

Một trong những ưu điểm nổi bật của máy gấp khung dây là khả năng thay đổi kích thước một cách dễ dàng. Khi cần gấp các đai thép với kích thước khác nhau, người vận hành chỉ cần thay xylanh khí nén và điều chỉnh khoảng cách giữa các xylanh. Thiết kế modular này giúp máy có tính ứng dụng đa dạng, phù hợp với nhu cầu sản xuất đa hình thức của các doanh nghiệp hiện đại.

III. Hệ Thống Khí Nén và Điều Khiển Tự Động PLC

Hệ thống khí nén là trái tim của máy gấp khung dây, cung cấp năng lượng để thực hiện các chuyển động gấp. Các thành phần chính bao gồm: bình chứa khí nén, van điều chỉnh áp suất, van phân phối, xylanh khí nén, và các ống dẫn khí. Hệ thống điều khiển PLC là phần não của máy, xử lý tất cả các tín hiệu cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các van để kiểm soát hoạt động của xylanh. PLC (Programmable Logic Controller) cho phép lập trình các chuỗi hoạt động phức tạp, đảm bảo máy hoạt động theo trình tự chính xác với thời gian đồng bộ giữa các bước. Sự kết hợp này tạo nên một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh, giảm thiểu can thiệp của con người.

3.1. Cấu Tạo và Nguyên Tắc Hoạt Động của Hệ Khí Nén

Hệ thống khí nén bắt đầu từ một compressor nén không khí và lưu trữ trong bình chứa. Khí nén được điều chỉnh áp suất thông qua van điều chỉnh, sau đó được phân phối đến các xylanh thông qua van phân phối điện từ. Mỗi xylanh được thiết kế để hoạt động ở áp suất tối ưu, tạo ra lực gấp đủ mạnh mà vẫn tiết kiệm năng lượng. Nguyên tắc hoạt động này được thiết kế để đảm bảo độ ổn định và hiệu quả cao trong sản xuất liên tục.

3.2. Lập Trình và Điều Khiển Tự Động bằng PLC

Chương trình PLC được thiết kế để điều khiển toàn bộ quy trình gấp từ bước tiếp nhận đai thép đến bước xếp sản phẩm. Điều khiển PLC cho phép xác định các tham số như tốc độ gấp, áp suất khí, thời gian dừng giữa các chu kỳ. Các cảm biến quang học và cảm biến vị trí được tích hợp để phản hồi tình trạng thực tế, giúp hệ thống tự động hóa hoạt động an toàn và chính xác. Với tốc độ 360 đai/giờ, máy chứng tỏ hiệu suất cao của hệ thống điều khiển.

IV. Kết Quả Mô Phỏng Chế Tạo và Hiệu Quả Kinh Tế

Kết quả mô phỏng cho thấy máy gấp khung dây hoạt động ổn định với độ chính xác cao theo đúng yêu cầu thiết kế. Chế tạo thực tế của thiết bị này đã được hoàn thành thành công, với tất cả các bộ phận được kiểm tra và hiệu chỉnh để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Đồ án gồm 90 trang thuyết minh và 08 bản vẽ A0 chi tiết các khía cạnh cơ khí, điện, điều khiển và chương trình PLC. Hiệu quả kinh tế của máy rất rõ rệt: nâng cao năng suất từ 360 đai/giờ, giảm nhân công lao động, giảm sai sót trong sản xuất, và tăng tính cạnh tranh cho doanh nghiệp. Với khả năng thay đổi kích thước linh hoạt, máy có thể phục vụ nhiều loại sản xuất khác nhau, mang lại giá trị lâu dài cho đầu tư.

4.1. Kết Quả Mô Phỏng và Kiểm Tra Chức Năng

Mô phỏng máy gấp được thực hiện trên phần mềm chuyên dụng để xác minh thiết kế trước khi chế tạo. Kết quả kiểm tra cho thấy tất cả các chuyển động diễn ra đúng thứ tự, áp suất khí nén ở mức tối ưu, và các cảm biến hoạt động chính xác. Chế tạo thực tế đã xác nhận rằng máy hoạt động đúng như mô phỏng, với độ chính xác gấp đạt ±0.5mm. Hệ thống tự động hóa hoạt động ổn định trong các thử nghiệm dài hạn, không có lỗi hoạt động đáng kể.

4.2. Lợi Ích Kinh Tế và Triển Vọng Ứng Dụng

Hiệu quả kinh tế của máy gấp khung dây PLC rất cao: giảm chi phí nhân công lên tới 80%, tăng sản lượng gấp 5-6 lần so với gấp thủ công. Lợi nhuận thu được từ tăng năng suất và giảm lỗi sản phẩm sẽ giúp doanh nghiệp thu hồi vốn đầu tư nhanh chóng. Triển vọng ứng dụng của hệ thống này rất tốt trong các ngành công nghiệp dệt may, xây dựng, và gia công kim loại. Với công nghệ điều khiển PLC hiện đại, máy có thể dễ dàng tích hợp vào các dây chuyền sản xuất tự động hóa lớn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1.7 DANH MỤC HÌNH ẢNH. 10 DANH MỤC BẢNG. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY. Lý do chọn đề tài.

Phân tích nguyên lý và nêu ra ý tưởng. Khảo sát cơ cấu bẻ thép bằng tay. Khảo sát máy bẻ thép dùng thủy lực bán tự động. Khảo sát máy bẻ thép cơ khí hóa.

Khảo sát máy bẻ thép dùng thủy lực tự động. Đưa ra ý tưởng cho máy mới. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ. Bài toán tính lực.

Tính lực tại các điểm uốn ngoài. Áp dụng với vị trí gấp ngoài. Áp dụng với vị trí gấp trong. Áp dụng với vị trí gấp giữa.

Tính lực đặt vào piston của xi lanh. Tính bền cho các chốt tạo ra lực uốn tại vị trí gấp ngoài cùng. Tính bền cho chốt tì chịu lực tại vị trí chịu lực nhiều nhất là vị trí gấp giữa……. 33 Trang 7 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.

Tính toán cơ cấu nâng góc. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHÍ NÉN. Cơ sở lí thuyết các phần tử hệ thống khí nén. Van khí nén.

Tổng quan hệ thống khí nén. Phân tích quá trình phát triển khí nén. Khả năng ứng dụng của kỹ thuật khí nén. Nguyên tắc hoạt động hệ thống khí nén.

Khảo sát đặc tính của hệ thông khí nén và các hệ thống điều khiển khác……. HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN (PLC). Cơ sở lý thuyết các phần tử điện và sơ đồ điện. Role điện từ.

Công tắc hành trình. Giới thiệu về các hãng sản xuất PLC và nguyên nhân chọn PLC Siemens…. Giới thiệu khái quát về cấu tạo của bộ PLC của hãng Siemens. Giới thiệu về cấu trúc một chương trình và các lệnh thường sử dụng để lập trình trong bộ PLC Siemens.

Lập chương trình bằng sơ đồ hình thang Ladder Diagram. Bài toán điều khiển và các tín hiệu đầu vào và tín hiệu đầu ra của máy gấp khung dây.67 Trang 8 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Tín hiệu đầu vào. Tín hiệu đầu ra.

Xây dựng sơ đồ thuật toán cho hệ thống gấp khung dây. BẢN THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG. BẢN THIẾT KẾ. Cụm chi tiết.

Bản lắp ghép. Mô phỏng trên Solidwork. Mô phỏng trên Festo Fluidsim. …87 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

89 Trang 9 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Cốt thép trong xây dựng.2: Hình dạng thép có thể bẻ.3: Bàn bẻ thép bằng tay.4: Sơ đồ cơ cấu bẻ thép bằng tay.5: Máy bẻ thép thủy lực bán tự động.6: Sơ đồ máy bẻ thép thủy lực bán tự động.7: Máy bẻ thép cơ khí hóa.8: Sơ đồ máy bẻ thép cơ khí hóa.9: Máy bẻ thép dùng thủy lực tự động.10: Sơ đồ máy bẻ thép tự động.11: Sơ đồ máy gấp khung dây song song.1: Mô hình hóa gá đặt của phôi trên máy.2: Mô hình tính toán.3: Biểu đồ mômen khi dầm chịu tác dụng của lực P.4: Biểu đồ moomen khi dầm chịu tác dụng lực X1=1.5: Sơ đồ đặt lực của xi lanh.6: Sơ đồ chốt tạo lực uốn.7: Biểu đồ lực cắt và mômen của chốt tạo lực uốn.8: Sơ đồ chịu lực của chốt tì.9: Biểu đồ lực cắt và mômen khi chốt tì chịu tác dụng lực.1: Van khí nén 5/2.2: Cấu tạo bên trong và kí hiệu van 5/2.4: Van 5/2 khi chưa có khí.5: Van 5/2 khi cho khí vào.6: Xylanh khí nén.7: Sơ đồ cấu tạo một xi lanh tác động đơn.8: Phương án lắp ráp xi lanh.43 Trang 10 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng Hình 3.9: Các phương án profin cho kết cấu nối ghép mặt đầu.10: Xylanh gấp ngoài và gấp trong.11: Xylanh gấp cuối.12: Xylanh chốt tì và kẹp.1: Aptomat MCB 1 pha 2 cực.2: Nguyên lí hoạt động của Aptomat.3: Role điện từ OMRON MY2N 24VDC.4: Cấu tạo role điện từ.5: Công tắc hành trình LXW5.6: Cấu tạo công tắc hành trình.7: Nguyên lí làm việc công tắc hành trình.8: Sơ đồ điện - khí nén.9: Sơ đồ điện đấu nối PLC.10: PLC S7-1200 hãng siemens.11: Tiếp điểm thường hở.12: Mạch nối tiếp và song song tiếp điểm thường hở.13: Tiếp điểm thường đóng.14: Lệnh out và ví dụ.15: Mạch điều khiển ngõ ra có dùng tự duy trì.17: Sơ đồ bậc thang PLC.3: Bên trong tủ điện.4: Bộ van khí nén.5: Cụm gấp ngoài 1.6: Cụm gấp trong và gấp ngoài 2.7: Cụm gấp trong 1.8: Cụm kẹp, đẩy phôi và gấp giữa.9: Bản thiết kế 3D máy gấp khung dây song song.79 Trang 11 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng Hình 5.10: Quá trình kẹp phôi.11: Quá trình gấp ngoài.12: Quá trình gấp trong.13:Quá trình gấp giữa.14: Quá trình đẩy phôi ra ngoài.15: Phần mềm mô phỏng thuỷ lực khí nén Festo Fluidsim.16: Giao diện phần mềm.18: Quá trình gấp ngoài.19: Quá trình gấp trong.20: Quá trình gấp cuối.21: Quá trình đẩy phôi.86 Trang 12 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.

Phạm Văn Hùng DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thông số khung thép.2: Bảng thông số của thép khi bẻ ở vị trí gấp ngoài.3: Bảng thông số của thép khi bẻ ở vị trí gấp trong.4: Bảng thống số của thép khi bẻ ở vị trí gấp giữa.5: Thông số của chốt tạo lực uốn.6: Thông số vật lí của chốt tì.1: Bảng tín hiệu đầu vào.2: Bảng tín hiệu đầu ra.69 Trang 13 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY 2. Lý do chọn đề tài Ngày nay các công trình xây dựng mọc lên nhiều điều đó đã tạo rất nhiều công ăn việc làm cho người lao động đóng góp vào sự phát triển của đất nước.

Như ngày trước để xây dựng nhà máy, trường học hay là nhà ở thì cần rất nhiều thời gian vì tất cả đều phụ thuộc vào người lao động. Nhận thấy điều đó người ta đã sản xuất và đưa rất nhiều máy móc hiện đại để phục vụ cho việc xây dựng. Điều đó đã làm giảm được thời gian thi công và giảm được sức lao động của công nhân. Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.1: Cốt thép trong xây dựng Trong các công trình việc xây dựng các cốt trụ, dầm bê tông cốt thép là rất quan trọng bởi nó làm lên khung xương của công trình.

Để dựng được các cột trụ có hình dạng, kích thước như mong muốn người ta đã phải uốn thép, bẻ thép và liên kết chúng lại. Với ngày xưa tất cả việc này đề được thực hiện bằng tay chân nhưng ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ đã sáng tạo ra nhiều loại máy để phục vụ cho việc xây dựng khung bê tông cốt thép. Nhận thấy sự cần thiết của máy móc trong xây dựng nhóm chúng em xin đưa ra đề tài thiết kế máy gấp khung dây. Trang 14 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.

Phân tích nguyên lý và nêu ra ý tưởng 2. Khảo sát cơ cấu bẻ thép bằng tay Cơ cấu bẻ thép bằng tay có thể bẻ được những hình dạng như: Khung chữ L Khung chữ U Khung kín Khung cong Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.2: Hình dạng thép có thể bẻ Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.3: Bàn bẻ thép bằng tay Trang 15 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.4: Sơ đồ cơ cấu bẻ thép bằng tay 1-Dây thép 2-Chốt tác dụng lực 3-Chốt tì  Nguyên lý hoạt động áp dụng với khung dây kín: Phôi được đặt vào rãnh và được giới hạn bằng tấm chắn. Ban đầu thép được đặt nhô ra 1 đoạn để con lăn tác dụng lực có thể chạm được vào phôi.

Sau đó ta cầm tay cầm kéo và bẻ 1 góc 90 độ. Tiếp theo ta nhấc phôi ra đặt ngược lại sao cho góc được bẻ ở trên ôm vào chốt tùy chỉnh kích thước với mục đích để đo được chính xác kích thước khung cần bẻ. Sau đó ta cầm tay cầm và bẻ 1 góc 90 độ. Các bước tiếp theo ta làm tương tự và được khung dây mong muốn  Phân tích ưu nhược điểm: - Ưu điểm  Dễ chế tạo, dễ dàng thao tác  Giá thành rẻ  Dễ sửa chữa - Nhược điểm  Độ chính xác của khung thép phụ thuộc vào tay nghề của người thợ  Thời gian bẻ lâu dẫn đến chi phí nhân công cao  Chỉ bẻ được thép có tiết diện nhỏ vì dùng sức người 2.

Khảo sát máy bẻ thép dùng thủy lực bán tự động Trang 16 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.5: Máy bẻ thép thủy lực bán tự động Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.6: Sơ đồ máy bẻ thép thủy lực bán tự động 1: Xi lanh thủy lực 2: Chốt tì 3: Dây thép  Nguyên lý hoạt động Tương tự như máy bẻ thép bằng tay nhưng điểm khác biệt là máy có dùng thủy lực. Thép được đặt lên máy và khi đã đúng vị trí ta chỉ cần ấn nút và khi đó xi lanh Trang 17 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng thủy lực sẽ đẩy ra làm cho thanh thép bị bẻ cong.

 Phân tích ưu nhược điểm - Ưu điểm  Dễ dàng sử dụng  Bẻ được nhiều loại thép có tiết diện khác nhau  Độ chính xác cao - Nhược điểm  Vẫn còn mất nhiều thời gian 2. Khảo sát máy bẻ thép cơ khí hóa Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.7: Máy bẻ thép cơ khí hóa Trang 18 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Phạm Văn Hùng Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GẤP KHUNG DÂY.8: Sơ đồ máy bẻ thép cơ khí hóa 1: Chốt tác dụng lực 2: Thanh thép 3: Chốt tì 4: Bàn quay 5: Bánh răng 6: Hộp giảm tốc 7: Khớp nối 8: Động cơ  Nguyên lý hoạt động Với nguồn động lực là động cơ, mômen xoắn sẽ được truyền từ động cơ đến bàn quay thông qua hộp giảm tốc. Khi bàn quay quay, chốt tác dụng lực sẽ tác dụng lực vào thanh thép làm cho thanh thép bị bẻ cong.

 Phân tích ưu nhược điểm - Ưu điểm  Dễ dàng sử dụng với việc sử dụng nguồn điện gia đình 220v  Bẻ được loại thép có tiết diện lớn  Độ chính xác cao - Nhược điểm  Vẫn còn mất nhiều thời gian Trang 19 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.