Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh nền công nghiệp Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển mạnh mẽ, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất công nghiệp trở thành yếu tố then chốt để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, ngành xây dựng công nghiệp và dân dụng đang tăng trưởng nóng, đòi hỏi các phương thức thi công nhanh gọn, chính xác và hiệu quả. Máy uốn ống, đặc biệt là máy uốn ống ba trục CNC, đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu này, phục vụ cho các công trình xây dựng, sản xuất thiết bị gia dụng và nhiều lĩnh vực khác.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển máy uốn ống ba trục CNC nhằm thay thế phương pháp uốn thủ công truyền thống bằng quy trình tự động hóa, từ đó nâng cao năng suất, giảm giá thành sản phẩm và giảm sức lao động. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế mô hình máy uốn ống tự động với khả năng xử lý ống có đường kính từ 6 mm đến 10 mm, trong điều kiện thực nghiệm tại thành phố Hồ Chí Minh năm 2020.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc tạo ra mô hình máy uốn ống tự động có thể ứng dụng trong các công ty, xí nghiệp nhỏ lẻ, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, đồng thời làm mô hình đào tạo nâng cao kỹ năng cho sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy. Nghiên cứu cũng đặt nền móng cho sự phát triển các phương pháp uốn ống không tâm và các hệ thống uốn tự động khác trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về phương pháp uốn ống kim loại, đặc biệt là phương pháp uốn dạng xoay-kéo (Rotary-draw bending) – chiếm khoảng 95% quá trình uốn ống trên thế giới. Phương pháp này sử dụng các công cụ như khối uốn xoay, khối kẹp, khối đẩy và trục đỡ bi lăn để đảm bảo độ chính xác và chất lượng uốn.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Phương pháp uốn xoay-kéo: Giúp tạo bán kính uốn chính xác, giảm thiểu biến dạng và nhăn trên ống.
  • Cơ cấu điều khiển động cơ bước: Sử dụng động cơ step với các chế độ điều khiển cả bước, nửa bước và vi bước để điều chỉnh chuyển động chính xác.
  • Hệ thống điều khiển PLC và HMI: PLC Mitsubishi FX3U-64MT ES/A được lập trình để điều khiển các động cơ và cảm biến, kết hợp với màn hình cảm ứng Weinview TK6071IP để giám sát và nhập liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu chuyên ngành, các báo cáo kỹ thuật và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình máy uốn ống ba trục CNC với kích thước ống từ 6 mm đến 10 mm, được thiết kế và chế tạo trong năm 2020.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Tính toán các thông số uốn dựa trên công thức hình học và cơ học vật liệu, ví dụ như công thức tính quãng đường di chuyển của các động cơ dựa trên bán kính uốn và góc uốn.
  • Lập trình hệ thống điều khiển trên phần mềm GX Works 2 cho PLC Mitsubishi, với các tham số được cài đặt chi tiết để điều khiển chính xác các động cơ bước.
  • Thử nghiệm vận hành mô hình máy uốn, đo đạc các chỉ số về độ chính xác góc uốn, tốc độ vận hành và chất lượng sản phẩm uốn.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm các giai đoạn thu thập tài liệu, thiết kế, chế tạo, lập trình và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế thành công hệ thống điều khiển máy uốn ống ba trục CNC: Mạch điều khiển được hoàn thiện với các thiết bị chính gồm động cơ step 86BYG250H, 57HSZ2N, driver DMA860H, HBS57, PLC Mitsubishi FX3U-64MT ES/A và màn hình cảm ứng Weinview TK6071IP. Hệ thống cho phép điều khiển chính xác các chuyển động kéo, uốn và quay ống.

  2. Độ chính xác góc uốn đạt trên 95% so với thiết kế: Qua các lần thử nghiệm, máy uốn đạt được góc uốn gần với giá trị mong muốn, ví dụ lần thử nghiệm thứ ba cho góc uốn 105 độ với sai số rất nhỏ, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

  3. Nâng cao năng suất và giảm sức lao động: So với phương pháp uốn thủ công, hệ thống tự động giúp giảm thời gian uốn ống khoảng 30-40%, đồng thời giảm thiểu sai sót do con người gây ra.

  4. Giới hạn kích thước ống uốn: Mô hình chỉ phù hợp với ống có đường kính từ 6 mm đến 10 mm và chiều dài tối đa 1 m, do giới hạn về thiết kế cơ cấu và điều kiện vật liệu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của hệ thống là do việc áp dụng phương pháp uốn xoay-kéo kết hợp với điều khiển động cơ bước chính xác và hệ thống PLC hiện đại. So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả này tương đương hoặc vượt trội hơn các mô hình máy uốn ống tự động nhỏ gọn khác, đặc biệt về độ chính xác và tính linh hoạt trong điều khiển.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh góc uốn thực tế và góc uốn thiết kế, cũng như bảng thống kê thời gian uốn và năng suất giữa phương pháp thủ công và tự động. Điều này minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống trong thực tế sản xuất.

Giới hạn về kích thước ống và chiều dài uốn là điểm cần cải tiến trong các nghiên cứu tiếp theo để mở rộng ứng dụng cho các loại ống lớn hơn và đa dạng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Mở rộng phạm vi kích thước ống uốn: Nghiên cứu và thiết kế thêm các cơ cấu điều khiển và truyền động phù hợp để xử lý ống có đường kính lớn hơn 10 mm, nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường.

  2. Tối ưu hóa phần mềm điều khiển: Cập nhật và nâng cấp chương trình PLC để tăng cường khả năng tự động hóa, giảm thiểu sự can thiệp của người vận hành, đồng thời tích hợp các thuật toán điều khiển thông minh để nâng cao độ chính xác.

  3. Phát triển hệ thống bôi trơn tự động: Áp dụng hệ thống bôi trơn tự động cho trục đỡ nhằm giảm ma sát, tăng tuổi thọ thiết bị và cải thiện chất lượng uốn, đặc biệt khi uốn các loại ống có bề dày mỏng.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Tổ chức các khóa đào tạo kỹ thuật cho sinh viên và kỹ sư vận hành máy, đồng thời xây dựng tài liệu hướng dẫn chi tiết để nhân rộng ứng dụng hệ thống trong các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tới, với sự phối hợp giữa các đơn vị nghiên cứu, đào tạo và doanh nghiệp sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành Cơ khí chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế và điều khiển hệ thống máy CNC, giúp nâng cao kỹ năng thực hành và hiểu biết chuyên sâu về công nghệ uốn ống.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành máy công nghiệp: Tài liệu chi tiết về cơ cấu máy, hệ thống điều khiển PLC và lập trình giúp kỹ sư áp dụng vào thiết kế, cải tiến và vận hành các loại máy uốn ống tự động.

  3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và xây dựng: Các công ty nhỏ và vừa có thể tham khảo để đầu tư hoặc nâng cấp thiết bị, từ đó tăng năng suất, giảm chi phí và nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Nhà nghiên cứu và giảng viên: Luận văn là nguồn tài liệu tham khảo quý giá cho các nghiên cứu phát triển công nghệ uốn ống, đồng thời hỗ trợ giảng dạy các môn học liên quan đến tự động hóa và cơ khí chế tạo.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy uốn ống ba trục CNC có ưu điểm gì so với máy uốn thủ công?
    Máy tự động hóa giúp tăng năng suất khoảng 30-40%, giảm sai sót do con người và nâng cao độ chính xác góc uốn, đồng thời giảm sức lao động và chi phí sản xuất.

  2. Phạm vi kích thước ống mà máy có thể xử lý là bao nhiêu?
    Mô hình nghiên cứu phù hợp với ống có đường kính từ 6 mm đến 10 mm và chiều dài tối đa 1 m, phù hợp với các ứng dụng nhỏ và vừa.

  3. Hệ thống điều khiển sử dụng thiết bị nào?
    Hệ thống sử dụng PLC Mitsubishi FX3U-64MT ES/A kết hợp với động cơ bước 86BYG250H và 57HSZ2N, cùng màn hình cảm ứng Weinview TK6071IP để giám sát và nhập liệu.

  4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác góc uốn?
    Thông qua lập trình chính xác trên PLC, tính toán quãng đường di chuyển động cơ dựa trên bán kính uốn và góc uốn, đồng thời sử dụng các cảm biến và cơ cấu truyền động chính xác.

  5. Có thể áp dụng hệ thống này cho các loại ống khác không?
    Hiện tại hệ thống chủ yếu thiết kế cho ống tròn có kích thước nhỏ, tuy nhiên với các điều chỉnh về cơ cấu và phần mềm, có thể mở rộng cho ống vuông hoặc các loại ống khác trong tương lai.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống điều khiển máy uốn ống ba trục CNC với độ chính xác cao và hiệu suất nâng cao.
  • Hệ thống giúp thay thế phương pháp uốn thủ công, giảm thời gian và sức lao động trong sản xuất.
  • Giới hạn hiện tại là xử lý ống có đường kính từ 6 mm đến 10 mm, chiều dài tối đa 1 m.
  • Đề xuất mở rộng phạm vi ứng dụng, tối ưu hóa phần mềm và phát triển hệ thống bôi trơn tự động trong các nghiên cứu tiếp theo.
  • Khuyến khích đào tạo và chuyển giao công nghệ để nhân rộng ứng dụng trong ngành cơ khí chế tạo máy và xây dựng.

Luận văn mở ra hướng đi mới cho việc tự động hóa trong ngành uốn ống, góp phần nâng cao năng lực sản xuất công nghiệp Việt Nam. Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi hệ thống.