Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Gia công ren trong là một nguyên công cơ bản và xuất hiện phổ biến trong quy trình sản xuất cơ khí chế tạo. Với sự phát triển của công nghệ gia công, các hệ thống máy phay, tiện CNC hiện đại có thể lập trình để thực hiện nguyên công taro ren tự động. Tuy nhiên, tại các xưởng sản xuất và doanh nghiệp cơ khí quy mô vừa và nhỏ ở Việt Nam, việc gia công các lỗ ren có kích thước từ M6 trở lên trên các máy CNC kích thước nhỏ thường gặp nhiều trở ngại do hạn chế về công suất trục chính, momen xoắn và hành trình máy.

Trên thị trường hiện nay, các dòng máy taro chuyên dụng được nhập khẩu chủ yếu từ Đức, Mỹ, Nhật Bản, Đài Loan hoặc Trung Quốc với giá thành rất cao. Các dòng máy taro sử dụng động cơ khí nén tuy có kết cấu đơn giản và chi phí thấp hơn nhưng lại khó kiểm soát chính xác độ sâu ren; trong khi đó, các dòng máy taro tự động dùng động cơ điện nhập khẩu đòi hỏi chi phí đầu tư lớn, gây khó khăn cho các cơ sở sản xuất có nguồn vốn hạn chế.

Từ thực tiễn đó, đề tài đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu thiết kế chế tạo tay máy taro bán tự động" được thực hiện bởi nhóm sinh viên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của GVHD. Nguyễn Văn Sơn. Mục tiêu của đề tài nhằm tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống tay máy taro bán tự động mang thương hiệu nội địa, tối ưu hóa chi phí gia công, vận hành đơn giản, linh hoạt và đáp ứng độ chính xác về bước ren cũng như chiều sâu ren.

Các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể như sau:

  1. Mục tiêu tổng quan: Chế tạo thiết bị taro bán tự động đáp ứng nhu cầu gia công ren trong kích thước từ M3 đến M8 cho các xưởng cơ khí nhỏ, tiết kiệm chi phí đầu tư, vận hành và sửa chữa.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Thiết kế kết cấu cơ khí dạng tay máy khớp bản lề, bán kính hoạt động đạt 500 mm, góc taro xoay linh hoạt từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.
    • Tính toán momen xoắn cắt gọt lớn nhất khi gia công trên các loại vật liệu: nhựa kỹ thuật, nhôm 6061 và thép C45.
    • Ứng dụng động cơ bước kết hợp bộ điều khiển PLC Delta và màn hình cảm ứng HMI để kiểm soát chính xác tốc độ quay, chiều quay và độ sâu ren.
    • Tích hợp nút nhấn điều khiển gia công trực tiếp trên tay cầm nhằm tăng tính tiện lợi cho người vận hành.
  3. Giới hạn đề tài: Máy thực hiện chu trình taro tự động dừng đúng độ sâu, đảo chiều rút dao và kiểm soát bước ren theo thông số cài đặt. Thao tác di chuyển tay máy và định vị mũi taro vào tâm lỗ gia công được thực hiện thủ công bởi người vận hành (chế độ bán tự động).
Thông số thiết kế Giá trị quy chuẩn trong đồ án
Không gian làm việc tổng thể $820 \times 820 \times 1500\text{ mm}$
Bán kính hoạt động của cánh tay $500\text{ mm}$
Khoảng kích thước ren gia công M3 – M8 (từ M3 $\times$ 0,5 đến M8 $\times$ 1,25)
Góc xoay đầu gia công $0^\circ - 180^\circ$
Tốc độ quay trục chính $0 - 500\text{ vòng/phút}$
Nguồn điện cung cấp AC 220V/50Hz (nguồn điều khiển DC 24V)
Vật liệu gia công áp dụng Nhựa, hợp kim nhôm 6061, thép C45

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết cơ học, mô phỏng thiết kế 3D và thực nghiệm chế tạo kiểm chứng:

  • Khung lý thuyết và công thức tính toán:

    • Lý thuyết cắt gọt kim loại: Ứng dụng công thức tính momen xoắn cắt ren $M_x$ theo Sổ tay Công nghệ Chế tạo Máy (Tập 2) với công thức tổng quát: $$M_x = 10 \cdot C_p \cdot D^q \cdot S^m \cdot k_p$$ Trong đó: $D$ là đường kính mũi taro, $S$ là bước ren, $C_p, q, m$ là các hệ số tra bảng phụ thuộc vào vật liệu gia công (thép C45 có $\sigma_b = 750\text{ MPa}$, lưỡi cắt P6M5, thời gian bền $T = 90\text{ phút}$), $k_p$ là hệ số điều chỉnh tổng quát ($k_p = 0,64$).
    • Sức bền vật liệu và tính toán chi tiết máy: Sử dụng tài liệu Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (Tập 1) để thiết lập phương trình cân bằng tĩnh lực, momen uốn tại các khớp xoay, từ đó tính toán đường kính các trục chịu tải theo công thức: $$d = \sqrt[3]{\frac{M_u}{0,1 \cdot [\sigma]}}$$ Với $[\sigma]$ là ứng suất uốn cho phép của thép C45 ($[\sigma] = 61\text{ MPa}$).
    • Tiêu chuẩn vật liệu: Áp dụng tiêu chuẩn thép Việt Nam TCVN 1966-75 cho các trục cơ khí và tiêu chuẩn JIS G3101 (Nhật Bản) cho các kết cấu thép hộp chịu lực với ứng suất cho phép $[\sigma] = 49\text{ kN/cm}^2$.

  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

    • Thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor để đánh giá không gian làm việc và phân bố tải trọng.
    • Gia công các chi tiết cơ khí trên máy công cụ truyền thống kết hợp lắp ráp mô hình thực tế.
    • Lập trình điều khiển logic cho PLC Delta DVP-14SS2 và thiết kế giao diện HMI.
    • Chạy thực nghiệm taro kiểm chứng trên phôi mẫu với chế độ thủ công (Manual) và chế độ tự động (Auto) theo các chiều sâu gia công xác định.

Thiết kế và triển khai hệ thống máy taro

1. Phân tích phương án kết cấu cơ khí

Nhóm tác giả đã tiến hành khảo sát và đánh giá hai phương án kết cấu:

  • Phương án 1: Đặt trực tiếp toàn bộ hộp thiết bị điện và màn hình điều khiển HMI lên cụm thân máy. Phương án này làm tăng tải trọng ở các khớp xoay, đòi hỏi kết cấu đúc phức tạp, chi phí gia công lớn và gây cồng kềnh cho tay máy nên đã bị loại bỏ.
  • Phương án 2 (Được lựa chọn): Sử dụng các thanh thép hộp kết hợp bản mã pát nối để tạo thành hệ cánh tay máy đa khớp song song, kết hợp 02 xylanh khí nén trợ lực ($450\text{ N}$/xylanh). Toàn bộ khối điều khiển, PLC và nguồn được tách riêng vào tủ điện cố định. Phương án này tối ưu hóa khối lượng chuyển động, giảm giá thành gia công và đảm bảo độ vững chắc khi làm việc.
Cụm cơ cấu Thành phần chi tiết chính Vật liệu / Quy cách
Cụm 1 (Đế và khớp trụ chính) Chân máy, trục chính $\varnothing 28$, cử chặn, thép hộp $40 \times 80 \times 450$, bạc lót trục $\varnothing 28$, khóa trục, bạc lót $\varnothing 26$, trục $\varnothing 26$, khớp xoay, trục $\varnothing 14$. Thép C45, Thép hộp tiêu chuẩn JIS G3101
Cụm 2 (Cánh tay truyền động) Thép hộp $25 \times 40 \times 360$, pát nối, tấm trung gian, vòng định vị, càng xoay, bạc lót $\varnothing 12, \varnothing 16$, các trục $\varnothing 10, \varnothing 12, \varnothing 16$. Thép C45, Thép hộp $25 \times 40 \times 2,5\text{ mm}$
Cụm 3 (Đầu gia công) Động cơ bước, nắp hộp động cơ, pát gắn tay cầm thao tác, bạc nối nhanh và collet kẹp mũi taro. Thép C45, nhôm gia công

2. Thiết kế hệ thống điều khiển và phần cứng

  • Bộ điều khiển lập trình (PLC): Sử dụng dòng Delta DVP-14SS2 với khả năng phát xung điều khiển động cơ bước và xử lý các tín hiệu vào/ra logic.
  • Giao diện điều khiển (HMI): Màn hình cảm ứng HMI Delta cho phép người vận hành cài đặt bước ren ($S$), chiều sâu ren ($h$), tốc độ quay gia công, tốc độ lùi dao và lựa chọn chiều quay ren (ren thuận/ren nghịch).
  • Động cơ chấp hành: Động cơ bước 86HS156 (mã 86HS156-5504), trọng lượng $5,5\text{ kg}$, đáp ứng momen xoắn lớn ở dải tốc độ thấp đến trung bình, kết hợp bộ nguồn tổ ong 24V-20A và cầu dao đóng cắt an toàn (CB).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 trình bày tính cấp thiết của đề tài gia công ren trong tại các cơ sở cơ khí nhỏ, phân tích mục tiêu tổng quan và mục tiêu cụ thể nhằm chế tạo máy taro bán tự động phạm vi M3–M8. Đồ án giới hạn phạm vi nghiên cứu ở việc tự động hóa quá trình taro đúng độ sâu và vận tốc, không tích hợp tự động di chuyển tọa độ. Tác giả tổng hợp khảo sát thị trường giữa máy taro khí nén và máy taro điện, từ đó phân tích ưu nhược điểm để đưa ra hai phương án thiết kế 3D trên phần mềm Inventor, quyết định lựa chọn Phương án 2 để tối ưu hóa khối lượng và chi phí gia công.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY

Chương này xác định toàn bộ yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống:

  • Yêu cầu cơ khí: Bán kính hoạt động $500\text{ mm}$, vùng không gian gia công $820 \times 820 \times 1500\text{ mm}$, vật liệu gia công gồm nhựa, nhôm 6061 và thép C45. Cấp chính xác gia công cho các kích thước quan trọng đạt cấp 7, các kích thước không quan trọng đạt cấp 16.
  • Yêu cầu hệ thống điều khiển: Sử dụng điện áp nguồn AC 220V/50Hz, hạ áp DC 24V, dải tốc độ điều khiển $0 - 500\text{ vòng/phút}$, hỗ trợ nhập liệu và tương tác trực tiếp qua nút bấm trên tay cầm và màn hình cảm ứng HMI.

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Chương 3 là phần trọng tâm về mặt cơ học tính toán:

  • Lựa chọn động cơ: So sánh đặc tính của động cơ bước, động cơ servo, động cơ DC và động cơ không đồng bộ 1 pha/3 pha; từ đó lựa chọn động cơ bước 86HS156 nhằm đảm bảo độ chính xác vị trí và tiết kiệm chi phí.
  • Tính toán momen xoắn cắt ren: Khi taro lỗ ren lớn nhất M8 $\times$ 1,25 trên thép C45, momen xoắn tính toán đạt $M_x \approx 6,935\text{ Nm}$.
  • Tính toán phân bố lực và đường kính các trục:
    • Khối lượng cụm đầu kẹp: Động cơ ($5,5\text{ kg}$) + Hộp điều khiển ($0,8\text{ kg}$) + Đầu kẹp và collet ($1,2\text{ kg}$) + Giá đỡ ($0,5\text{ kg}$) = $8\text{ kg}$ ($F_1 \approx 78,48\text{ N}$).
    • Khối lượng toàn cụm đầu cần: $G = 12\text{ kg}$ ($F_G = 117,6\text{ N}$).
    • Cân bằng lực và momen tại các trục: Trục 1 chịu lực $F_1 = 275,52\text{ N}$ ($M_u = 2755,2\text{ Nmm} \Rightarrow d \ge 7,67\text{ mm}$); Trục 2 chịu lực $F_2 = 353,92\text{ N}$ ($M_u = 3539,2\text{ Nmm} \Rightarrow d \ge 8,34\text{ mm}$).
    • Lực nâng xylanh khí: Tính toán phản lực cần thiết để cân bằng tĩnh hệ thống là $F_b = 433,81\text{ N}$, đồ án lựa chọn 02 xylanh khí nén loại $450\text{ N}$ với chiều dài $L = 200\text{ mm}$.
    • Trục 3 và 4: Lực tác dụng $F_3 = 2089,07\text{ N}$ và $F_4 = 1723,01\text{ N}$, đường kính tính toán lần lượt là $13,98\text{ mm}$ và $13,12\text{ mm}$ (quy chuẩn chọn trục $\varnothing 16$).
    • Trục 5 và 6: Khảo sát tại 3 góc nghiêng ($0^\circ, 60^\circ, -60^\circ$), trường hợp nguy hiểm nhất tại $-60^\circ$ cho lực tổng $1091,3\text{ N}$, lực trên một trục là $545,65\text{ N}$ (chọn trục $\varnothing 14$).
    • Trục 7 và 8: Trục 7 chịu momen $M_u = 49550\text{ Nmm}$ ($d \ge 20,21\text{ mm}$, chọn trục $\varnothing 26$); Trục 8 (trục chân đế) chịu tải trọng toàn bộ các khâu ($16,8\text{ kg}$), momen uốn tổng lớn nhất dẫn đến chọn trục $\varnothing 28$.
    • Kiểm nghiệm bền thép hộp: Cánh tay phụ chọn thép hộp $25 \times 40 \times 2,5\text{ mm}$; cánh tay chính chọn thép hộp $40 \times 80 \times 2\text{ mm}$ (hoặc $40 \times 60 \times 2\text{ mm}$), thỏa mãn điều kiện bền ứng suất pháp $[\sigma] \le 49\text{ kN/cm}^2$.

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT CƠ KHÍ

Chương 4 cung cấp bản vẽ chế tạo và thông số kích thước cụ thể của toàn bộ các chi tiết trong 3 cụm kết cấu:

  • Cụm 1: Thể hiện chi tiết chân máy, trục $\varnothing 28$, cử chặn hành trình, ống thép hộp $40 \times 80 \times 450$, bạc lót trục $\varnothing 28$, khóa định vị trục, bạc lót và trục $\varnothing 26$, khớp xoay trung gian, trục và bạc lót $\varnothing 14$.
  • Cụm 2: Thể hiện bản vẽ gia công ống thép hộp $25 \times 40 \times 360$, các pát nối liên kết, tấm trung gian chịu lực, vòng định vị, càng xoay và hệ thống bạc lót/trục xoay $\varnothing 10, \varnothing 12, \varnothing 16$.
  • Cụm 3: Thể hiện chi tiết nắp che hộp động cơ, pát liên kết tay cầm thao tác bọc cao su, khớp nối nhanh và đầu kẹp collet kẹp mũi taro.
  • Bảng kích thước tổng thể của máy sau khi hoàn thiện gia công cơ khí.

CHƯƠNG 5: ĐIỀU KHIỂN VÀ LẬP TRÌNH

Chương 5 xây dựng cấu trúc điều khiển tự động:

  • Sơ đồ kết nối phần cứng: Phân bổ địa chỉ đầu vào/đầu ra (I/O) cho PLC Delta DVP-14SS2, kết nối nút bấm tay cầm (Run/Stop/Reverse), công tắc hành trình, bộ điều khiển động cơ bước (Driver) và nguồn 24V.
  • Giao diện HMI Delta: Thiết kế các màn hình điều khiển chế độ Thủ công (Manual) và Tự động (Auto), cho phép người dùng giám sát số vòng quay, độ sâu cắt thực tế, thời gian dừng chuyển hướng và cảnh báo lỗi.
  • Giải thuật điều khiển: Lập trình phát xung tốc độ cao điều khiển động cơ bước quay thuận đủ số vòng tương ứng với độ sâu cài đặt ($n = \frac{h}{S}$), dừng đảo chiều và quay ngược với tốc độ cài đặt để rút mũi taro ra khỏi lỗ ren.

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ

Chương này tổng hợp các kết quả thử nghiệm thực tế trên mô hình máy hoàn chỉnh:

  • Thử nghiệm chế độ Manual: Thực hiện taro lỗ suốt trên phôi kim loại, người vận hành chủ động kích hoạt quay thuận và quay ngược bằng nút nhấn trên tay cầm.
  • Thử nghiệm chế độ Auto: Thực hiện taro lỗ ren có chiều sâu yêu cầu $14\text{ mm}$. Hệ thống điều khiển PLC phát xung chính xác, động cơ bước tự động đảo chiều quay sau khi đạt đủ hành trình chiều sâu $14\text{ mm}$, ren tạo thành đạt độ sâu và biên dạng tiêu chuẩn, không bị gãy mũi taro.

CHƯƠNG 7: TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Chương 7 đưa ra đánh giá tổng kết về khả năng vận hành của máy: kết cấu chắc chắn, hệ thống chuyển động êm ái nhờ trợ lực xylanh khí nén, giao diện điều khiển HMI dễ thao tác. Bên cạnh đó, chương này chỉ ra các điểm tồn tại về bố trí dây dẫn điện, vị trí tủ điện và định hướng cải tiến nâng cấp thẩm mỹ cũng như mức độ tự động hóa trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mẫu máy taro bán tự động hoàn chỉnh với kết cấu tay máy đa khớp song song, bán kính vươn tới $500\text{ mm}$ và khả năng xoay đầu taro từ $0^\circ$ đến $180^\circ$.
  • Máy thực hiện gia công ổn định các kích thước ren trong dải từ M3 đến M8 trên các vật liệu nhựa, nhôm 6061 và thép C45.
  • Thực nghiệm kiểm chứng chế độ tự động hóa thành công với mẫu lỗ ren sâu $14\text{ mm}$, động cơ bước tự động định lượng số vòng quay theo bước ren cài đặt và rút dao an toàn mà không gây bó kẹt hay gãy mũi.

2. Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Cung cấp một phương án thiết kế máy gia công cơ khí chuyên dụng giá thành thấp, sử dụng các linh kiện cơ điện phổ biến tại thị trường Việt Nam (thép C45, thép hộp tiêu chuẩn, PLC Delta, HMI Delta, động cơ bước).
  • Đưa ra giải pháp giảm tải chi phí đầu tư thiết bị cho các xưởng cơ khí nhỏ, thay thế phương pháp taro tay thủ công năng suất thấp hoặc thay thế các máy taro CNC/máy nhập khẩu đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được ghi nhận trong văn bản:
    • Thiết kế bố trí mạch điện và vị trí màn hình điều khiển HMI chưa thực sự tối ưu, dây dẫn và tủ điện còn gây cảm giác rườm rà cho tổng thể kết cấu máy.
    • Thiết bị mới đạt mức độ bán tự động; việc dịch chuyển tay máy đến đúng tâm lỗ gia công vẫn phải thực hiện bằng tay của người thợ.
  • Hướng phát triển:
    • Tái thiết kế bố trí hệ thống tủ điện, thu gọn đường dây dẫn và tích hợp vị trí màn hình HMI trực tiếp tại vị trí thao tác thuận tiện, tăng tính thẩm mỹ công nghiệp.
    • Nghiên cứu cơ cấu kẹp giữ hoặc cảm biến tự động định vị tâm lỗ taro nhằm nâng cao mức độ tự động hóa của thiết bị.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Chế tạo Máy, Cơ khí, Cơ điện tử và Tự động hóa:

  • Phần tính toán cơ khí (Chương 3): Là tài liệu mẫu hữu ích về quy trình tính toán lực cắt taro, lập biểu đồ nội lực, momen uốn và lựa chọn tiết diện trục, thanh chịu lực kết hợp xylanh khí nén trợ lực.
  • Phần thiết kế chi tiết (Chương 4): Cung cấp các thông số kích thước thực tế, quy cách dung sai của hệ thống khớp xoay, bản mã và bạc lót cơ khí.
  • Phần tích hợp điều khiển (Chương 5): Cung cấp giải pháp mẫu về việc kết nối giữa PLC Delta với động cơ bước và màn hình HMI Delta để điều khiển vị trí chính xác trong máy công cụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy taro bán tự động trong đồ án có khả năng gia công ren trên những vật liệu nào và dải kích thước ren là bao nhiêu?
Máy được thiết kế và tính toán để gia công ren từ M3 đến M8 (bước ren từ 0,5 mm đến 1,25 mm) trên các loại vật liệu gồm nhựa kỹ thuật, hợp kim nhôm 6061 và thép carbon C45.

2. Vì sao nhóm nghiên cứu lựa chọn động cơ bước thay vì động cơ khí nén hay động cơ servo?
Động cơ khí nén tuy có giá rẻ nhưng không kiểm soát được chính xác số vòng quay để khống chế chiều sâu ren. Động cơ servo có độ chính xác cao nhưng chi phí rất đắt. Động cơ bước 86HS156 đáp ứng đầy đủ yêu cầu về momen xoắn, khả năng đếm xung điều khiển chính xác chiều sâu ren theo chương trình PLC và có giá thành hợp lý.

3. Cơ cấu trợ lực trên cánh tay máy sử dụng thiết bị gì và thông số lực tính toán là bao nhiêu?
Cơ cấu cánh tay máy sử dụng 02 xylanh khí nén trợ lực (gas spring) với chiều dài $L = 200\text{ mm}$, lực đẩy mỗi xylanh là $450\text{ N}$ (tổng lực nâng $900\text{ N}$), giúp cân bằng trọng lượng toàn bộ cụm đầu gia công ($12\text{ kg}$) khi người vận hành di chuyển tay máy ở các góc nghiêng khác nhau.

4. Hai chế độ vận hành Manual và Auto của máy hoạt động như thế nào?
Ở chế độ Manual, người vận hành điều khiển trực tiếp chiều quay thuận/nghịch của mũi taro bằng nút bấm trên tay cầm (thích hợp gia công lỗ suốt). Ở chế độ Auto, người vận hành cài đặt bước ren và chiều sâu trên HMI; khi nhấn nút bắt đầu, PLC sẽ phát xung điều khiển động cơ quay đủ số vòng để đạt đúng chiều sâu (ví dụ thử nghiệm sâu 14 mm) rồi tự động đảo chiều quay để rút dao về vị trí ban đầu.

Kết luận

Đồ án "Nghiên cứu thiết kế chế tạo tay máy taro bán tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã hoàn thành đầy đủ các nội dung từ tính toán động lực học cơ khí, thiết kế chi tiết, chế tạo mô hình thực tế đến tích hợp hệ thống điều khiển tự động PLC – HMI. Thiết bị hoạt động ổn định, đảm bảo độ chính xác chiều sâu ren gia công từ M3 đến M8 trên nhiều loại vật liệu với bán kính làm việc 500 mm. Đây là giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, giúp giảm chi phí trang thiết bị cho các cơ sở và doanh nghiệp cơ khí nhỏ tại Việt Nam.