Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong bối cảnh nền công nghiệp chế tạo hiện đại và sự chuyển dịch theo xu hướng tự động hóa, các doanh nghiệp gia công cơ khí và chế biến gỗ đối mặt với yêu cầu liên tục nâng cao năng suất, chuẩn hóa chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí nhân công. Đối với các quy trình sản xuất các cấu kiện như bàn, ghế, tủ, cửa hoặc khung vật liệu, hai nguyên công cắt phôi theo chiều dài quy định và khoan lỗ lắp ráp (lỗ bản lề, chốt khóa) thường chiếm tỷ trọng thời gian thao tác lớn. Phương thức gia công bán tự động hoặc thủ công truyền thống phân tách riêng biệt nguyên công cắt và khoan, dẫn đến thời gian gá đặt kéo dài, sai số tích lũy giữa các lần định vị và tỷ lệ phế phẩm cao.
Xuất phát từ thực tiễn trên, nhóm tác giả Huỳnh Thái An, Lê Thế Duân và Lê Trung Hiếu (sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Viện Kỹ thuật HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh) đã thực hiện đề tài đồ án môn học Kỹ thuật điều khiển tự động: "Ứng dụng mạng truyền thông trong điều khiển tự động máy cắt khoan hai đầu", dưới sự hướng dẫn của giảng viên Nguyễn Vạn Quốc.
Văn bản đồ án xác định hệ thống các nhiệm vụ nghiên cứu cốt lõi gồm:
- Thiết kế và phát triển mô hình máy cắt khoan hai đầu tự động hoàn chỉnh về cơ khí và hệ thống điều khiển.
- Nghiên cứu các giải pháp và công nghệ điều khiển khả trình (PLC), công nghệ truyền động cơ điện và khí nén.
- Chế tạo mô hình thực tế, tiến hành thử nghiệm, hiệu chỉnh và đánh giá hiệu suất vận hành của hệ thống.
Mục tiêu cụ thể được thiết lập bao gồm: tối ưu hóa quy trình cắt nhằm nâng cao độ chính xác; tăng cường năng suất thông qua rút ngắn chu kỳ gia công; nâng cao độ tin cậy và khả năng hoạt động ổn định của thiết bị; giảm thiểu lãng phí vật liệu và điện năng; hoàn thiện ứng dụng điều khiển tự động hóa; và đánh giá tính khả thi kinh tế trong thực tiễn sản xuất.
Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống cơ cấu cơ khí phối hợp với hệ thống điều khiển tự động tích hợp PLC, động cơ điện, động cơ bước và khí nén nhằm thực hiện đồng thời thao tác cắt và khoan ở hai đầu chi tiết. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế, gia công và vận hành thử nghiệm mô hình thực tế xử lý phôi gỗ tại xưởng thực hành, hoàn thành trong năm 2024.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Về cơ sở lý thuyết, đồ án dựa trên nền tảng kỹ thuật điều khiển tự động và khí nén công nghiệp, tham chiếu trực tiếp hai giáo trình chuyên ngành: "Lập trình PLC" (Nguyễn Vạn Quốc, Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, 2019) và "Hệ thống thủy lực khí nén" (Phạm Bá Khiển, Trường Đại học Công nghệ TP.HCM, 2017). Cơ sở điều khiển logic khả trình tập trung vào kiến trúc tập lệnh, kỹ thuật quét I/O, giao tiếp ngoại vi và xử lý tín hiệu analog/digital của dòng điều khiển Mitsubishi FX Series. Lý thuyết truyền động khí nén cung cấp các phương pháp tính toán lực chấp hành của xi lanh hai chiều, vận tốc hành trình và nguyên lý phân phối áp suất qua cụm van điện từ 5/2.
Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai theo hướng tiếp cận thực nghiệm kỹ thuật, bao gồm:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp kỹ thuật: Khảo sát các quy trình gia công hai đầu phôi thực tế trong công nghiệp chế biến gỗ và sản xuất đồ nội thất; phân tích các yêu cầu về tốc độ quay, mô-men xoắn, lực cắt và độ sâu khoan để lựa chọn thông số thiết bị phù hợp.
- Phương pháp thiết kế mô hình cơ khí: Xây dựng mô hình 3D cho toàn bộ kết cấu máy (khung máy, cơ cấu cấp phôi, cụm cắt và cụm khoan); ứng dụng công cụ mô phỏng để phân tích tính chịu tải cơ học của bộ khung thép gia công.
- Phương pháp tích hợp hệ thống cơ điện tử: Thiết kế đồng bộ sơ đồ mạch điện động lực, sơ đồ mạch cấp nguồn 24VDC/220VAC, mạch điều khiển rơ-le trung gian, mạch kích van khí nén và sơ đồ đấu nối ngoại vi I/O của bộ lập trình PLC.
- Phương pháp lập trình và mô phỏng logic: Soạn thảo chương trình điều khiển tuần tự trên phần mềm chuyên dụng GX Works 2, sử dụng công cụ mô phỏng tích hợp (Simulation) để gỡ lỗi thuật toán, gán giả lập tín hiệu ngõ vào trước khi nạp vào phần cứng.
- Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Tiến hành kiểm tra tĩnh hệ thống dây nối, điện áp nguồn và cảm biến; sau đó vận hành động đơn lẻ từng cơ cấu (chạy nhấp động cơ bước, đóng mở xi lanh khí) và chạy thử nghiệm chu trình tự động liên hoàn trên phôi gỗ thật.
Nguồn dữ liệu của nghiên cứu bao gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn từ nhà sản xuất linh kiện công nghiệp (Mitsubishi Electric, Airtac, Puls Power, Nidec/Minebea) và số liệu đo đạc thực nghiệm trực tiếp trong quá trình thi công, chạy thử mô hình máy tại phòng thực hành.
Thiết kế kỹ thuật và triển khai hệ thống
Hệ thống máy cắt khoan hai đầu tự động được triển khai dựa trên sự liên kết giữa kết cấu cơ khí, hệ thống chấp hành khí nén và tủ điện điều khiển trung tâm sử dụng PLC.
Kết cấu phần cứng và các cụm chức năng cơ khí
Cơ cấu cơ khí của máy được cấu thành từ 6 cụm chi tiết chính:
- Khung máy: Chế tạo từ thép gia công định hình, tạo bệ đỡ chịu tải vững chắc cho các trục chuyển động. Kết quả phân tích mô phỏng cơ học cho thấy phân bố ứng suất của bộ khung nằm hoàn toàn trong vùng an toàn (hiển thị màu xanh trên mô hình ứng suất).
- Hệ thống cấp và di chuyển phôi: Gồm khung chứa phôi gỗ, cơ cấu kẹp giữ định vị và bộ truyền động đẩy phôi tự động vào khu vực gia công.
- Hệ thống cắt: Bố trí đối xứng ở hai đầu, trang bị các lưỡi cắt sắc bén có khả năng tùy chỉnh góc cắt và chiều dài gia công theo yêu cầu sản phẩm.
- Hệ thống khoan: Bao gồm các đầu khoan gắn mũi khoan với kích cỡ thay đổi được, hỗ trợ hiệu chỉnh cự ly và độ sâu hành trình khoan.
- Cơ cấu đỡ phôi: Đảm nhiệm chức năng nâng đỡ, định vị chính xác phôi trong suốt thời gian lưỡi cắt và mũi khoan tác động lực lên vật liệu.
- Hệ thống khí nén: Sử dụng hệ thống đường ống, van chia khí và xi lanh để thực hiện kẹp chặt chi tiết gia công và dẫn tiến các cụm cắt/khoan.
Đặc tính kỹ thuật của các linh kiện điện và cơ điện tử
Các linh kiện cơ điện tử được nhóm nghiên cứu tính toán lựa chọn và lắp đặt đồng bộ, có các thông số kỹ thuật định danh như sau:
| Tên thiết bị / Linh kiện |
Model / Quy cách |
Thông số kỹ thuật chính |
Vai trò trong hệ thống |
| Động cơ điện một chiều |
Motor 775 |
Điện áp: 12V–24V; Tốc độ: 4.000 rpm (12V), 8.000 rpm (24V); Công suất: 150W; Dòng cực đại: 6A; Kích thước thân: Ø45 x 67 mm; Trục: Ø5 x 17 mm; Khối lượng: 350 g |
Truyền động các cơ cấu phụ trợ và bánh xe di chuyển |
| Động cơ điện một chiều |
Motor 895 |
Điện áp: 12V–24V; Tốc độ: 6.000 rpm (12V), 12.000 rpm (24V); Công suất: 368W; Dòng không tải: 1,51A (24V); Kích thước thân: Ø50 x 100 mm; Trục: Ø5 x 16 mm; Khối lượng: 500 g |
Dẫn động trục chính cụm cắt và cụm khoan tốc độ cao |
| Động cơ bước (Step Motor) |
23KM-K351 / 23KH-K351-G2V |
Động cơ bước 2 pha, 6 dây; Góc bước: 1,8° (fullstep 200 xung/vòng); Dòng điện: 2A; Kích thước: 57 x 57 x 50 mm; Trục: Ø8 mm |
Dẫn động vitme/trục truyền động tịnh tiến định vị chính xác vị trí gia công |
| Xi lanh khí nén tròn |
MAL 16x25 |
Xi lanh tác động kép; Đường kính trong: 16 mm; Hành trình: 25 mm; Ty xi lanh: Ø6 mm; Ren ty: M6; Chân ren cấp khí: M5 |
Đẩy, kẹp và định vị phôi gia công |
| Xi lanh khí nén 2 ty |
TN 16x50s |
Thân nhôm; Đường kính trong: 16 mm; Hành trình: 50 mm; Tốc độ: 30–800 mm/s; Nhiệt độ làm việc: -20°C đến 70°C; Cấp bảo vệ: IP65 |
Dẫn tiến tịnh tiến cụm gia công chống xoay trục |
| Xi lanh khí nén 2 ty |
TN 16x20s |
Thân nhôm; Đường kính trong: 16 mm; Hành trình: 20 mm; Áp suất vận hành: 1–9 kg/cm²; Tốc độ: 100–500 mm/s; Cấp bảo vệ: IP65 |
Cố định và ép chặn phôi tại bàn gá |
| Van điện từ điều khiển khí |
AIRTAC 5/2 |
Điện áp cuộn coil: 24VDC; Cấu hình 5 cổng, 2 vị trí; Áp suất làm việc: 0,15–0,8 MPa |
Đảo chiều luồng khí nén cấp cho các xi lanh MAL và TN |
| Rơ-le điều khiển trung gian |
G3S4-D1 |
Điện áp nguồn cuộn hút: 24VDC; Số tiếp điểm: 4 cặp tiếp điểm (DPDT); Dòng tải tối đa: 10A; Công suất tải: 2.500VA (AC) / 30W (DC); Kích thước: 40 x 40 x 27 mm |
Cách ly tín hiệu ngõ ra PLC, đóng cắt mạch động lực bảo vệ ngắn mạch và quá tải |
| Bộ nguồn công nghiệp |
Puls QT20 |
Điện áp đầu vào: 90–264 VAC; Điện áp đầu ra: 24VDC; Dòng ngõ ra tối đa: 20A; Công suất cực đại: 480W; Hiệu suất chuyển đổi: >90% |
Chuyển đổi nguồn lưới xoay chiều sang nguồn một chiều 24VDC cung cấp cho PLC, rơ-le và van khí |
| Bộ điều khiển khả trình |
Mitsubishi FX3U-32MT |
Cấu hình: 16 ngõ vào số (NPN 0VDC), 16 ngõ ra transistor 24VDC (chịu tải tối đa 5A, khuyến nghị 1A); 6 ngõ vào analog 12-bit (A0–AD2: 0–10V, A3–AD5: 0–20mA đọc qua lệnh RD3A); 2 ngõ ra analog 12-bit (0–10V, ghi qua lệnh WR3A); Tần số phát xung tốc độ cao: 100 kHz (khuyến nghị 40 kHz); Bộ đếm tốc độ cao 6 kênh 8k; Bộ nhớ: 8.000 bước lệnh; Giao tiếp RS232/RS485 |
Tiếp nhận tín hiệu cảm biến hành trình, điều phối logic chu trình cắt gọt, phát xung điều khiển động cơ bước |
Phần mềm và giải thuật điều khiển
Hệ thống được lập trình thông qua phần mềm Mitsubishi GX Works 2, sử dụng ngôn ngữ Ladder Logic kết hợp các khối hàm chức năng. Quy trình kết nối nạp chương trình sử dụng cáp chuyển đổi chuyên dụng USB-SC09 (hoặc USB-to-RS422) kết nối từ cổng máy tính đến cổng nạp RS232/DP9 trên bo mạch PLC với tốc độ truyền thông 38,4 kbps.
Trình tự giải thuật vận hành tự động diễn ra theo các bước:
- Tiếp nhận phôi gỗ từ khay chứa và kích hoạt cơ cấu cấp phôi tự động.
- Xi lanh khí nén tác động ép giữ phôi cố định trên bàn đỡ gá đặt.
- PLC phát chuỗi xung điều khiển động cơ bước 57 tịnh tiến cụm cắt và cụm khoan vào vị trí tọa độ đã thiết lập.
- Động cơ Motor 895 kéo các lưỡi cưa quay ở tốc độ cao thực hiện cắt phẳng đồng thời hai đầu chi tiết gỗ; kế tiếp, hệ thống cụm khoan tịnh tiến tạo các lỗ chốt theo chiều sâu lập trình.
- Sau khi hoàn thành gia công, hệ thống xi lanh khí đảo chiều kéo các đầu cắt/khoan về gốc tọa độ ban đầu, nhả kẹp phôi và đẩy sản phẩm hoàn thiện ra vùng dỡ tải.
Nội dung chính theo từng chương
Bố cục của báo cáo đồ án được xây dựng qua 5 chương chuyên môn:
Chương 1: Tổng quan về máy cắt khoan 2 đầu tự động
Chương mở đầu phân tích vai trò của máy cắt khoan hai đầu tự động trong xu thế sản xuất cơ khí và đồ gỗ nội thất. Tác giả trình bày chi tiết sự cần thiết của thiết bị trong việc kết hợp hai công đoạn gia công then chốt nhằm rút ngắn thời gian chết, tối ưu hóa vật liệu và hạn chế phế phẩm. Chương này cũng phân định rõ ràng 6 mục tiêu phát triển, phạm vi nội dung nghiên cứu (từ công nghệ, hiệu suất đến tác động sản xuất) và nêu ra các rào cản bước đầu như chi phí thiết bị, kỹ năng vận hành và giới hạn vật liệu phôi.
Chương 2: Tổng quan về giải pháp
Chương 2 đào sâu vào bối cảnh thực tiễn của công nghệ gia công, nhu cầu giảm bớt nhân công trực tiếp và xu hướng sản xuất bền vững. Tác giả làm rõ cấu tạo tổng thể gồm 4 phần: khung máy, hệ thống cắt, hệ thống khoan và bộ điều khiển PLC. Nội dung chương trình bày quy trình 4 giai đoạn chuẩn hóa: Chuẩn bị nguyên liệu -> Thiết lập chương trình -> Tiến hành cắt và khoan -> Kiểm tra sản phẩm. Song song đó, chương phân tích tính năng nổi bật về mức độ an toàn (cơ cấu dừng khẩn cấp), ưu điểm năng suất, đồng thời chỉ ra các thách thức nội tại gồm chi phí bảo trì, tính chất phụ thuộc công nghệ, sự cố gián đoạn nguồn cung linh kiện thay thế và khả năng mở rộng sang các ngành xây dựng, ô tô, điện tử.
Chương 3: Phương pháp giải quyết cho máy cắt khoan hai đầu tự động
Đây là chương trọng tâm về mặt kỹ thuật phần cứng của đồ án. Tác giả cung cấp bảng liệt kê 6 chi tiết cơ khí kết hợp các sơ đồ mạch điện động lực, mạch điều khiển khí nén và mạch cấp nguồn. Chương này thống kê chi tiết đặc tính kỹ thuật, kích thước, điện áp, dòng tải và phạm vi ứng dụng của từng linh kiện: động cơ Motor 775, Motor 895, động cơ bước 2 pha 23KM-K351, ba mã xi lanh khí nén MAL 16x25, TN 16x50s, TN 16x20s, rơ-le G3S4-D1, van đảo chiều khí Airtac 5/2, bộ nguồn công nghiệp Puls QT20 và bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-32MT. Phần cuối chương giới thiệu các tính năng của phần mềm GX Works 2, đặc biệt là công cụ mô phỏng logic (Simulation), công cụ giám sát trực tuyến (Online Monitoring) và khả năng xử lý ngõ vào/ra analog thông qua các lệnh RD3A và WR3A.
Chương 4: Trình tự thi công và thực nghiệm mô hình máy cắt khoan hai đầu
Chương 4 mô tả cụ thể tiến trình chế tạo, lắp ráp cơ điện và kiểm thử mô hình thực tế. Quá trình thi công cơ khí trải qua các bước: chuẩn bị vật liệu, lắp ráp khung chịu lực, tích hợp động cơ cùng cơ cấu truyền động (bánh răng, vít me, đai truyền), lắp cụm dao cắt - mũi khoan và kiểm tra cơ học bằng mô phỏng ứng suất. Về phần điện, các thiết bị nguồn, rơ-le và PLC được cố định vào tủ điện, kết nối dây dẫn theo đúng sơ đồ nguyên lý và tiến hành đổ chương trình điều khiển. Tiến trình thực nghiệm được chuẩn hóa qua hai bảng tiêu chí kiểm tra hệ thống và chạy thử chu trình gia công tự động.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Chương tổng kết khẳng định việc hoàn thành các mục tiêu chế tạo hệ thống máy cắt khoan hai đầu tự động điều khiển bằng PLC với độ chính xác và tính đồng bộ cao. Tác giả đánh giá khách quan các ưu điểm về năng suất, độ tin cậy cơ cấu, đồng thời thẳng thắn chỉ ra hai nhược điểm của mô hình thực nghiệm: kích thước tổng thể còn lớn (chiếm nhiều diện tích xưởng) và chi phí linh kiện gia công ban đầu tương đối cao. Từ đó, chương đề ra các định hướng mở rộng gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI/Machine Learning), nâng cấp hệ điều khiển CNC, bổ sung mô-đun IoT giám sát từ xa, bổ sung chế độ tự kiểm tra (Auto check mode) và mở rộng phạm vi gia công sang kim loại mềm và composite.
Kết quả và đóng góp
Nghiên cứu đã hoàn thành việc chế tạo mô hình thực tế của máy cắt khoan hai đầu tự động và tiến hành kiểm chứng chất lượng vận hành qua hai giai đoạn đánh giá nghiêm ngặt, với kết quả được ghi nhận bằng văn bản như sau:
Kết quả kiểm tra hệ thống trước khi vận hành:
| STT |
Nội dung hạng mục kiểm tra hệ thống |
Kết quả ghi nhận |
| 1 |
Đảm bảo các kết nối điện và cơ khí được lắp đúng sơ đồ thiết kế |
Đạt |
| 2 |
Kiểm tra độ ổn định nguồn cấp 24VDC/220VAC và tín hiệu điều khiển |
Đạt |
| 3 |
Cài đặt các thông số cấu hình ban đầu trên PLC |
Đạt |
| 4 |
Cài đặt tọa độ và tốc độ di chuyển của đầu khoan và đầu cắt |
Đạt |
| 5 |
Kiểm tra tín hiệu đóng cắt của các cảm biến và công tắc hành trình |
Đạt |
Kết quả chạy thử nghiệm chức năng vận hành:
| STT |
Nội dung quy trình chạy thử nghiệm |
Kết quả ghi nhận |
| 1 |
Chạy thử vận hành độc lập từng phần chức năng |
Đạt |
| 2 |
Chạy từng động cơ bước (Step Motor) để kiểm tra đúng hướng quay và tốc độ |
Đạt |
| 3 |
Kiểm tra chức năng bảo vệ của cảm biến và các thiết bị an toàn |
Đạt |
| 4 |
Cho máy hoạt động chu trình liên hoàn tự động để kiểm tra độ chính xác cắt và khoan |
Đạt |
Về mặt giải pháp, đồ án đã giải quyết thành công bài toán gia công đồng thời hai đầu phôi, giảm thao tác gá đặt thủ công, loại bỏ sai lệch vị trí giữa hai công đoạn cắt và khoan. Hệ thống điều khiển tích hợp PLC FX3U-32MT kết hợp với động cơ bước 57 và xi lanh dẫn hướng hai ty TN đảm bảo chuyển động tịnh tiến êm, không bị rung lắc hay biến dạng chi tiết gỗ trong quá trình gia công.
Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc xây dựng thành công một mô hình thực nghiệm kết hợp liên ngành giữa cơ khí chế tạo máy, truyền động khí nén và kỹ thuật lập trình PLC; cung cấp tài liệu kỹ thuật chi tiết về đặc tính linh kiện, sơ đồ đấu nối và kinh nghiệm xử lý thực nghiệm có thể ứng dụng trong các xưởng mộc quy mô vừa và nhỏ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên kết quả thực nghiệm mô hình, nhóm tác giả chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện hữu:
- Kích thước tổng thể của máy còn tương đối lớn, chiếm nhiều diện tích sàn, gây khó khăn cho việc bố trí tại các cơ sở sản xuất có mặt bằng hạn chế.
- Chi phí đầu tư chế tạo và linh kiện ban đầu tương đối cao so với quy mô máy thực nghiệm môn học, làm giảm tính cạnh tranh trực tiếp nếu thương mại hóa ngay lập tức.
- Giới hạn chủng loại vật liệu gia công: mô hình hiện mới tập trung thực nghiệm trên phôi gỗ, chưa được kiểm chứng trên các vật liệu có độ cứng cao hơn như kim loại màu hay nhựa kỹ thuật dày.
- Mức độ tùy biến cơ khí còn giới hạn khi muốn thay đổi đột ngột biên dạng hoặc kích thước phôi vượt quá cự ly của khung gá hiện tại.
Để hoàn thiện hệ thống, nhóm nghiên cứu đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật tiếp theo:
- Tự động hóa thông minh: Tích hợp thuật toán trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy (Machine Learning) để tối ưu hóa quỹ đạo cắt, tốc độ tiến dao theo từng thớ gỗ; nâng cấp cấu trúc điều khiển tiệm cận hệ thống CNC công nghiệp.
- Tích hợp Internet of Things (IoT): Kết nối mạng truyền thông công nghiệp cho phép giám sát thông số vận hành, thống kê sản lượng và cảnh báo sự cố từ xa qua mạng Internet.
- Nâng cao tính năng tự kiểm soát: Cài đặt bổ sung các cảm biến đo lường chính xác và kích hoạt chế độ tự kiểm tra (Auto check mode) để phát hiện mũi khoan mòn hoặc lưỡi cắt bị đảo.
- Bảo trì dự đoán (Predictive Maintenance): Ứng dụng cảm biến rung và dòng điện để theo dõi tình trạng động cơ Motor 895, dự đoán hư hỏng bạc đạn và vòng bi nhằm chủ động lập kế hoạch bảo trì.
- Đa dạng hóa ứng dụng: Gia công thử nghiệm mở rộng trên các dòng vật liệu mới như nhôm thanh định hình, thép tấm mỏng và tấm composite phục vụ cho ngành sản xuất nội thất ô tô và thiết bị điện tử.
Giá trị tham khảo
Đồ án là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, và Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp về thiết kế máy công cụ tự động.
Các nội dung đáng tham khảo bao gồm:
- Quy cách lựa chọn, tính toán thông số kỹ thuật cho động cơ một chiều công suất cao (Motor 775, Motor 895) và động cơ bước dẫn động chính xác (Motor 23KM-K351).
- Bảng thông số và phương pháp kết nối van khí nén đảo chiều AIRTAC 5/2 với các loại xi lanh hành trình ngắn MAL và xi lanh chống xoay hai ty TN.
- Cấu hình phần cứng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX3U-32MT, cách sử dụng tập lệnh đọc/ghi kênh analog RD3A/WR3A và kỹ thuật phát xung điều khiển chuyển động trên phần mềm GX Works 2.
- Quy trình chuẩn hóa thực nghiệm và kiểm tra hệ thống cơ - điện trước khi đóng điện vận hành chính thức.
Câu hỏi thường gặp
1. Bộ điều khiển trung tâm và phần mềm lập trình nào được sử dụng trong hệ thống?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi FX3U-32MT (16 ngõ vào NPN, 16 ngõ ra transistor 24VDC, tích hợp 6 ngõ vào và 2 ngõ ra analog 12-bit, bộ nhớ 8.000 bước). Phần mềm được sử dụng là GX Works 2, hỗ trợ mô phỏng kiểm tra logic, gỡ lỗi ngõ vào và giám sát thời gian thực (Online Monitoring) thông qua cáp kết nối USB-SC09 hoặc USB-to-RS422.
2. Các loại động cơ trong mô hình đảm nhận những nhiệm vụ gì?
Hệ thống kết hợp ba loại động cơ: Motor 775 (150W, tốc độ 4.000–8.000 rpm) dùng để dẫn động cơ cấu truyền động phụ trợ; Motor 895 (368W, tốc độ 6.000–12.000 rpm) dùng để quay các trục dao cắt và mũi khoan với vận tốc lớn; và động cơ bước 57 mã 23KM-K351 (động cơ bước 2 pha, góc bước 1,8°, dòng 2A) dùng để định vị tọa độ tịnh tiến các cụm gia công với độ chính xác cao.
3. Cơ cấu chấp hành khí nén của máy bao gồm những thiết bị cụ thể nào?
Hệ thống khí nén sử dụng van điện từ AIRTAC 5/2 (điện áp 24VDC, áp suất 0,15–0,8 MPa) để điều phối khí cho: xi lanh tròn MAL 16x25 (hành trình 25 mm) và hai loại xi lanh thân nhôm hai ty chống xoay TN 16x20s (hành trình 20 mm, áp suất 1–9 kg/cm²), TN 16x50s (hành trình 50 mm, tốc độ 30–800 mm/s) nhằm thực hiện kẹp giữ phôi gỗ và tịnh tiến các đầu công cụ.
4. Khung máy được kiểm tra tính bền cơ học như thế nào trước khi chế tạo?
Kết cấu khung máy gia công từ thép được đưa vào phần mềm mô phỏng cơ học để tính toán khả năng chịu lực dưới tác động của trọng lượng thiết bị và lực cắt gọt. Kết quả mô phỏng thể hiện toàn bộ khung nằm ở dải màu xanh, biểu thị độ bền kết cấu nằm hoàn toàn trong ngưỡng ứng suất an toàn cho phép.
5. Kết quả thực nghiệm vận hành chu trình tự động của mô hình đạt được những gì?
Tất cả các tiêu chí trong hai bảng thực nghiệm đều đạt kết quả 100%: hoàn thiện đấu nối mạch đúng sơ đồ, điện áp và tín hiệu ổn định, cảm biến hành trình ngắt mở chính xác, các động cơ bước quay đúng chiều và vận tốc; hệ thống thực hiện đồng thời chu trình cắt phẳng hai đầu và khoan lỗ định vị trên phôi gỗ mẫu một cách chính xác theo chuỗi lệnh tuần tự đã nạp vào PLC.
Kết luận
Đồ án môn học của nhóm sinh viên Viện Kỹ thuật HUTECH đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy cắt khoan hai đầu tự động ứng dụng điều khiển khả trình PLC FX3U-32MT. Hệ thống kết hợp cơ khí chính xác, động cơ bước định vị và cơ cấu kẹp khí nén, giúp thực hiện đồng thời hai công đoạn gia công trên phôi gỗ với độ đồng nhất cao. Dù còn một số điểm cần cải tiến về mặt chi phí chế tạo và tối ưu hóa diện tích khung máy, công trình đã cung cấp một giải pháp kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị học thuật và khả năng ứng dụng thực tế rõ ràng trong lĩnh vực tự động hóa chế tạo máy.
