Nghiên Cứu Hệ Thống Cảm Biến Tự Động Trong Dây Chuyền Dập Liên Tục

Nghiên cứu hệ thống cảm biến trong khuôn dập liên tục và hệ thống cấp phôi tấm tự động, nâng cao hiệu suất sản xuất và độ chính xác.

• Tác giả: Trần Trọng Nghĩa
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Trung Kiên
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ điện tử
• Đề tài: Nghiên cứu hệ thống cảm biến tự động trong dây chuyền dập liên tục
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. Dây chuyền dập liên tục
• 1.2. Cảm biến và ứng dụng trong dây chuyền dập tấm liên tục
• 1.3. Bộ xử lý tín hiệu và điều khiển logic
• 1.3.1. Khái niệm PLC
• 1.3.2. Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loại
• 1.3.3. Ứng dụng của PLC trong công nghiệp
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
• 2.1. Sơ đồ hoạt động của hệ thống
• 2.2. Thiết kế mô hình cơ sở
• 2.2.1. Thiết kế khuôn dập
• 2.2.2. Tính lực dập, chọn máy dập phù hợp
• 2.2.3. Xác định thông số hệ cơ cấu cấp phôi liên tục
• 2.3. Thiết kế các cơ cấu đáp ứng hoạt động mô hình nghiên cứu
• 2.3.1. Cơ cấu kẹp và giữ cuộn phôi
• 2.3.2. Cơ cấu dẫn hướng phôi
• 2.4. Thiết kế hệ thống cảm biến
• 2.4.1. Cảm biến xác định đường kính cuộn phôi
• 2.4.2. Cảm biến phôi trên máy nắn phẳng
• 2.4.3. Cảm biến độ võng dải phôi
• 2.4.4. Cảm biến nhận biết phôi trên bộ cấp phôi tự động
• 2.4.5. Cảm biến phôi trong vùng làm việc của máy dập
• 2.4.6. Cảm biến định vị dải phôi
• 2.4.7. Cảm biến nhận biết phoi thoát ra
• 2.4.8. Cảm biến phát hiện tấm gạt phôi
• 2.4.9. Cảm biến nhận biết sản phẩm
• 2.4.10. Cảm biến vùng an toàn của máy dập
• 2.4.11. Cảm biến hành trình xylanh
• 2.5. Thiết kế chương trình điều khiển PLC
• 2.5.1. Xác định thông số bộ PLC
• 2.5.2. Đấu nối PLC với các thiết bị đầu vào, đầu ra
• 2.5.3. Lập trình chương trình điều khiển trên phần mềm
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI LIÊN TỤC VÀ DẬP TỰ ĐỘNG CHO LÁ TẢN NHIỆT CPU
• 3.1. Lá tản nhiệt CPU
• 3.2. Mô tả hoạt động của hệ thống
• 3.3. Thiết kế dây chuyền dập
• 3.3.1. Phân tích chi tiết
• 3.3.2. Thiết kế khuôn dập
• 3.3.3. Tính chọn máy dập
• 3.3.4. Thiết kế hệ cấp phôi liên tục cho máy dập
• 3.4. Thiết kế hệ thống cảm biến
• 3.4.1. Cảm biến đo đường kính cuộn phôi trên máy nhả cuộn
• 3.4.2. Cảm biến xác định chiều dày phôi vào máy nắn phẳng
• 3.4.3. Cảm biến xác định độ võng dải phôi
• 3.4.4. Cảm biến nhận biết phôi trong bộ cấp phôi tự động
• 3.4.5. Cảm biến nhận biết phôi trong vùng làm việc của máy dập
• 3.4.6. Cảm biến định vị dải phôi
• 3.4.7. Cảm biến nhận biết phoi đi qua lỗ thoát phoi
• 3.4.8. Cảm biến nhận biết có tấm gạt phôi khi máy dập đi xuống
• 3.4.9. Cảm biến cữ hành trình khuôn dập
• 3.4.10. Cảm biến đếm sản phẩm
• 3.4.11. Cảm biến vùng an toàn
• 3.5. Thiết kế chương trình điều khiển PLC
• 3.5.1. Xác định thông số của bộ PLC
• 3.5.2. Lập trình trên TIA-Portal
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Cảm Biến Dập Liên Tục Hiện Đại

Công nghệ dập liên tục ngày càng phát triển, đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp 4.0. Ứng dụng công nghệ này giúp giảm chi phí, nhân công, thời gian gia công và tăng chất lượng sản phẩm. Khuôn liên tục có khả năng cấp phôi tự động với vận tốc cao, thường khoảng 12m/phút, đảm bảo năng suất vượt trội. Tuy nhiên, khi có sự cố xảy ra với phôi, sản phẩm hoặc bộ phận máy, như đứt dải phôi, kẹt phôi, hoặc phôi nằm sai vị trí, có thể gây nguy hiểm cho hệ thống. Việc ứng dụng cảm biến và PLC giúp phát hiện các sự cố này và đưa ra các hành động thích hợp, đảm bảo an toàn cho hệ thống và người sử dụng. Dây chuyền dập tấm liên tục được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để gia công các sản phẩm có chiều dày mỏng, biên dạng phức tạp và yêu cầu năng suất sản phẩm lớn.

1.1. Dây Chuyền Dập Tấm Liên Tục Cấu Trúc và Ứng Dụng

Dây chuyền dập tấm liên tục bao gồm bốn thành phần chính: hệ cơ cấu cấp và định hướng phôi, máy dập, khuôn dập và hệ cơ cấu xử lý sản phẩm. Để đáp ứng yêu cầu về năng suất và chất lượng, tự động hóa dây chuyền dập liên tục là điều cần thiết. Tự động hóa cần các thiết bị nhận biết, đo đạc tín hiệu đầu vào, hệ thống xử lý tín hiệu và các thiết bị đầu ra để điều khiển dây chuyền theo ý muốn. Phạm vi nghiên cứu không bao gồm hệ thống xử lý sản phẩm, giả định hệ thống này đáp ứng được điều kiện hoạt động của các bộ phận khác.

1.2. Khuôn Dập Liên Tục Vai Trò và Đặc Điểm Thiết Kế

Khuôn dập liên tục đóng vai trò quyết định hình dáng sản phẩm và số nguyên công tạo ra sản phẩm. Đây là loại khuôn bao gồm nhiều cặp chày-cối được bố trí trên cùng một đế khuôn để thực hiện các nguyên công dập tấm khác nhau trong một hành trình của máy dập. Mỗi cặp chày-cối thực hiện một hoặc nhiều bước công nghệ riêng biệt, và nhờ cơ cấu cấp phôi tự động, phôi được chuyển dịch liên tục, tuần tự qua các vị trí chày-cối để hoàn thành chi tiết cần chế tạo. Sản phẩm được hình thành sau lần dập ở lòng khuôn cuối cùng, mỗi lần dập sẽ cho ra một sản phẩm. Việc thực hiện tuần tự các nguyên công khiến cho khuôn dập liên hoàn có khả năng tự động hóa rất cao.

II. Thách Thức Giải Pháp Cảm Biến Trong Dập Liên Tục

Trong quá trình dập liên tục, nhiều vấn đề có thể phát sinh, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và an toàn của hệ thống. Các vấn đề này bao gồm sai lệch vị trí phôi, kẹt phôi, đứt dải phôi, và các lỗi liên quan đến máy dập. Để giải quyết những thách thức này, việc tích hợp hệ thống cảm biến tự động là vô cùng quan trọng. Các cảm biến có thể giám sát liên tục các thông số quan trọng như vị trí, áp suất, lực, và nhiệt độ, từ đó phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý bởi PLC để đưa ra các quyết định điều khiển, đảm bảo quá trình dập diễn ra suôn sẻ và an toàn.

2.1. Các Loại Cảm Biến Thường Dùng Trong Dây Chuyền Dập

Nhiều loại cảm biến được sử dụng trong dây chuyền dập liên tục, bao gồm cảm biến quang, cảm biến tiệm cận, cảm biến lực, cảm biến áp suất, và cảm biến nhiệt độ. Cảm biến quang được sử dụng để phát hiện vị trí và sự hiện diện của phôi. Cảm biến tiệm cận được dùng để định vị chính xác dải phôi. Cảm biến lực và cảm biến áp suất giám sát lực dập và áp suất trong quá trình dập. Cảm biến nhiệt độ kiểm soát nhiệt độ của khuôn và các bộ phận khác để tránh quá nhiệt. Việc lựa chọn loại cảm biến phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

2.2. Vấn Đề An Toàn Lao Động và Giải Pháp Cảm Biến

An toàn lao động là một ưu tiên hàng đầu trong dây chuyền dập. Các cảm biến vùng và cảm biến an toàn được sử dụng để bảo vệ người vận hành khỏi các nguy cơ tiềm ẩn. Cảm biến vùng tạo ra một vùng bảo vệ xung quanh máy dập, và khi có người xâm nhập vào vùng này, máy sẽ tự động dừng. Cảm biến an toàn được lắp đặt trên các cửa và hàng rào bảo vệ, đảm bảo rằng máy chỉ hoạt động khi tất cả các biện pháp an toàn đã được kích hoạt. Theo tài liệu gốc, việc ứng dụng cảm biến và PLC giúp phát hiện các sự cố trong quá trình dập tấm đồng thời đưa ra các hành động thích hợp cho hệ thống để đảm bảo an toàn cho hệ thống và an toàn cho người sử dụng.

III. Phương Pháp Thiết Kế Hệ Thống Cảm Biến Tự Động Hiệu Quả

Thiết kế một hệ thống cảm biến tự động hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa kiến thức về cảm biến, PLC, và quy trình dập liên tục. Quá trình thiết kế bắt đầu bằng việc xác định rõ các yêu cầu và mục tiêu của hệ thống. Tiếp theo, lựa chọn các loại cảm biến phù hợp và vị trí lắp đặt tối ưu. Sau đó, thiết kế chương trình điều khiển PLC để xử lý dữ liệu từ cảm biến và đưa ra các quyết định điều khiển. Cuối cùng, kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống để đảm bảo hoạt động chính xác và tin cậy. Theo luận văn, việc thiết kế hệ thống cảm biến và lập trình chương trình điều khiển PLC giúp hệ thống máy dập liên tục nhận biết và xử lý các lỗi liên quan đến quá trình gia công sản phẩm.

3.1. Lựa Chọn Cảm Biến Phù Hợp Với Ứng Dụng Dập

Việc lựa chọn cảm biến phù hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả của hệ thống cảm biến. Các yếu tố cần xem xét bao gồm độ chính xác, độ tin cậy, tuổi thọ, và chi phí của cảm biến. Ngoài ra, cần xem xét môi trường làm việc của cảm biến, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, và mức độ rung động. Cảm biến phải có khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt này để đảm bảo hoạt động ổn định. Ví dụ, trong môi trường có nhiều bụi và dầu, cảm biến quang có thể không hoạt động tốt, và cảm biến tiệm cận có thể là lựa chọn tốt hơn.

3.2. Thiết Kế Chương Trình PLC Điều Khiển Hệ Thống Cảm Biến

Chương trình điều khiển PLC đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý dữ liệu từ cảm biến và đưa ra các quyết định điều khiển. Chương trình phải được thiết kế sao cho có thể phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và đưa ra các hành động khắc phục kịp thời. Ngoài ra, chương trình cần có khả năng ghi lại dữ liệu từ cảm biến để phân tích và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Theo luận văn, việc thiết kế chương trình điều khiển PLC để xử lý tín hiệu từ các cảm biến là một phần quan trọng của quá trình nghiên cứu.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Dập Lá Tản Nhiệt CPU Tự Động

Một ví dụ điển hình về ứng dụng của hệ thống cảm biến tự động trong dập liên tục là quá trình dập lá tản nhiệt CPU. Quá trình này đòi hỏi độ chính xác cao và năng suất lớn. Hệ thống cảm biến được sử dụng để giám sát vị trí, chiều dày, và độ võng của dải phôi, cũng như phát hiện các lỗi trong quá trình dập. Dữ liệu từ cảm biến được xử lý bởi PLC để điều khiển máy dập và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Theo luận văn, ứng dụng thiết kế hệ thống cấp phôi liên tục và dập tự động cho lá tản nhiệt CPU là một trong những nội dung chính của luận văn.

4.1. Thiết Kế Khuôn Dập Lá Tản Nhiệt CPU Liên Tục

Thiết kế khuôn dập cho lá tản nhiệt CPU đòi hỏi sự chính xác và tỉ mỉ. Khuôn phải có khả năng tạo ra các lá tản nhiệt với kích thước và hình dạng chính xác, đồng thời đảm bảo độ bền và tuổi thọ cao. Các yếu tố cần xem xét trong thiết kế khuôn bao gồm vật liệu khuôn, kết cấu khuôn, và phương pháp gia công khuôn. Theo luận văn, việc sử dụng phần mềm NX để thiết kế 3D chi tiết và layout bước dập là một phần quan trọng của quá trình thiết kế khuôn.

4.2. Tích Hợp Cảm Biến Vào Dây Chuyền Dập Lá Tản Nhiệt

Việc tích hợp cảm biến vào dây chuyền dập lá tản nhiệt CPU giúp giám sát và điều khiển quá trình dập một cách tự động. Các cảm biến được sử dụng để đo đường kính cuộn phôi, chiều dày phôi, độ võng dải phôi, và vị trí phôi trong vùng làm việc của máy dập. Dữ liệu từ cảm biến được sử dụng để điều khiển máy dập và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Theo luận văn, việc thiết kế hệ thống cảm biến tự động hóa cấp phôi tấm và dập liên tục sử dụng phần mềm NX và TIA-portal là một trong những kết quả quan trọng của luận văn.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Hệ Thống Cảm Biến Dập

Hệ thống cảm biến tự động đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và an toàn của dây chuyền dập liên tục. Việc tích hợp cảm biến và PLC giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và đưa ra các hành động khắc phục kịp thời. Trong tương lai, hệ thống cảm biến sẽ ngày càng thông minh hơn, với khả năng tự học và tự điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất. Theo luận văn, việc thiết lập mô hình nghiên cứu tổng quát cho hệ cảm biến trên hệ thống cấp phôi tấm tự động và dập liên tục là một trong những kết quả quan trọng.

5.1. Tối Ưu Hóa Quy Trình Dập Nhờ Phân Tích Dữ Liệu Cảm Biến

Dữ liệu từ cảm biến có thể được sử dụng để phân tích và tối ưu hóa quy trình dập. Bằng cách phân tích dữ liệu, có thể xác định các nguyên nhân gây ra lỗi và đưa ra các biện pháp khắc phục. Ngoài ra, dữ liệu có thể được sử dụng để điều chỉnh các thông số của máy dập để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lãng phí. Các kỹ thuật như machine learning và AI có thể được sử dụng để tự động phân tích dữ liệu và đưa ra các khuyến nghị cải tiến.

5.2. Ứng Dụng IoT và Cloud Computing Trong Giám Sát Dập

Việc ứng dụng IoT và cloud computing cho phép giám sát dây chuyền dập từ xa và theo thời gian thực. Dữ liệu từ cảm biến có thể được truyền lên cloud và được truy cập từ bất kỳ đâu. Điều này cho phép các kỹ sư và quản lý theo dõi hiệu suất của dây chuyền và đưa ra các quyết định điều khiển từ xa. Ngoài ra, cloud computing cung cấp khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu lớn, cho phép phân tích dữ liệu một cách toàn diện và hiệu quả.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, công nghệ dập liên tục trên phôi tấm đóng vai trò quan trọng trong sản xuất các chi tiết có độ chính xác cao và năng suất lớn. Theo ước tính, tốc độ vận hành của khuôn dập liên tục có thể đạt khoảng 12 m/phút, giúp tăng hiệu quả sản xuất đáng kể. Tuy nhiên, quá trình này cũng tiềm ẩn nhiều rủi ro như đứt dải phôi, kẹt phôi, hoặc phôi không đúng vị trí, gây thiệt hại về máy móc và sản phẩm. Do đó, việc nghiên cứu và ứng dụng hệ thống cảm biến tự động hóa trên khuôn dập liên tục và hệ thống cấp phôi tấm tự động là cần thiết để phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố, đảm bảo an toàn và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và phát triển hệ thống cảm biến kết hợp với bộ điều khiển logic lập trình (PLC) nhằm giám sát và điều khiển quá trình dập phôi tấm liên tục, đồng thời xây dựng hệ thống cấp phôi tấm tự động đáp ứng yêu cầu sản xuất. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế các loại cảm biến phù hợp, lập trình điều khiển PLC và ứng dụng vào dây chuyền dập liên tục tại một số dây chuyền sản xuất thực tế, đặc biệt trong gia công lá tản nhiệt CPU.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc giảm thiểu sự cố, tăng độ ổn định và tự động hóa dây chuyền sản xuất, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các chỉ số hiệu quả như tỷ lệ lỗi sản phẩm, thời gian dừng máy do sự cố và năng suất sản xuất được kỳ vọng cải thiện rõ rệt nhờ ứng dụng hệ thống cảm biến và PLC.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: công nghệ dập liên tục và tự động hóa công nghiệp bằng PLC.

1. Công nghệ dập liên tục: Đây là quá trình gia công áp lực trên phôi tấm, sử dụng khuôn dập liên tục gồm nhiều cặp chày-cối để thực hiện các nguyên công như cắt, dập vuốt, uốn trong một chu trình. Các khái niệm chính bao gồm:

   • Khuôn dập liên tục: cấu tạo gồm đế khuôn, chày, cối, trụ và bạc dẫn hướng, cuống khuôn.
   • Máy dập trục khuỷu: thiết bị biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến để thực hiện dập.
   • Hệ cơ cấu cấp và định hướng phôi: bao gồm máy nhả cuộn, máy nắn phẳng và bộ cấp phôi tự động.

2. Tự động hóa công nghiệp với PLC: PLC là bộ điều khiển logic lập trình được sử dụng phổ biến trong công nghiệp để xử lý tín hiệu từ cảm biến và điều khiển thiết bị đầu ra. Các khái niệm chính:

   • Cấu tạo PLC gồm CPU, bộ nhớ, module đầu vào/ra, nguồn cấp và thiết bị lập trình.
   • Nguyên lý hoạt động: PLC quét tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển đầu ra.
   • Các loại cảm biến công nghiệp: cảm biến quang điện, siêu âm, áp suất, tiệm cận, cảm biến vùng an toàn.

Các khái niệm chuyên ngành như lực dập, lực cắt, lực vuốt, và các thông số kỹ thuật của cảm biến cũng được áp dụng để thiết kế hệ thống.

Phương pháp nghiên cứu

Luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật, các báo cáo ngành và dữ liệu thực tế từ dây chuyền dập tấm liên tục tại một số nhà máy sản xuất lá tản nhiệt CPU.

• Phương pháp phân tích:

  • Phân tích kỹ thuật thiết kế khuôn dập và hệ cơ cấu cấp phôi dựa trên các công thức tính lực dập, lực cắt và các thông số công nghệ.
  • Thiết kế hệ thống cảm biến phù hợp với từng vị trí trong dây chuyền, lựa chọn loại cảm biến và tín hiệu đầu ra (digital hoặc analog).
  • Lập trình điều khiển PLC trên phần mềm TIA-Portal để xử lý tín hiệu cảm biến và điều khiển động cơ, xylanh trong hệ thống.
  • Mô phỏng hoạt động hệ thống trên phần mềm NX và TIA-Portal để đánh giá hiệu quả và độ tin cậy.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn khảo sát, thiết kế, lập trình, mô phỏng và đánh giá kết quả.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống được thiết kế và thử nghiệm trên dây chuyền dập tấm liên tục với các chi tiết lá tản nhiệt CPU, đại diện cho các sản phẩm có yêu cầu kỹ thuật cao và quy trình phức tạp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết lập mô hình tổng quát hệ thống cảm biến và điều khiển PLC: Mô hình bao gồm các cảm biến quang điện, siêu âm, tiệm cận và cảm biến vùng được bố trí trên ba đối tượng chính: phôi, khuôn và máy dập. Mô hình này giúp phát hiện các lỗi như đứt dải phôi, phôi sai vị trí, kẹt phôi và vật thể lạ trong vùng làm việc. Tỷ lệ phát hiện lỗi đạt trên 95% trong các thử nghiệm mô phỏng.

2. Ứng dụng phần mềm NX và TIA-Portal trong thiết kế và lập trình: Hệ thống được mô phỏng chi tiết trên phần mềm NX cho thiết kế cơ khí và TIA-Portal cho lập trình PLC. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có thể tự động dừng máy trong vòng 0,5 giây khi phát hiện sự cố, giảm thiểu thiệt hại vật lý và thời gian dừng máy không kế hoạch.

3. Hiệu quả của hệ thống cấp phôi tự động: Thiết kế cơ cấu cấp phôi trục lăn và bộ cấp phôi tự động giúp duy trì độ chính xác vị trí phôi trong phạm vi ±0,2 mm, đảm bảo bước dập liên tục và ổn định. Tốc độ cấp phôi được điều chỉnh linh hoạt theo đường kính cuộn phôi, giúp tăng năng suất lên khoảng 15% so với hệ thống cấp phôi thủ công.

4. Độ tin cậy và an toàn của hệ thống: Cảm biến vùng an toàn và cảm biến nhận biết tấm gạt phôi giúp ngăn ngừa tai nạn lao động và hư hỏng máy móc. Trong các thử nghiệm, hệ thống đã phát hiện và xử lý kịp thời 100% các trường hợp phôi không được ép đúng cách hoặc có vật thể lạ xâm nhập vùng làm việc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện tích cực là do việc lựa chọn và bố trí cảm biến phù hợp với từng vị trí trong dây chuyền, kết hợp với lập trình PLC tối ưu cho các tình huống sự cố. So với các nghiên cứu trước đây, hệ thống này có sự cải tiến về khả năng phát hiện đa dạng lỗi và thời gian phản hồi nhanh hơn nhờ ứng dụng cảm biến siêu âm và cảm biến vùng.

Việc sử dụng cảm biến siêu âm để đo độ võng dải phôi giúp khắc phục nhược điểm của cảm biến quang điện trong môi trường không bằng phẳng, tăng độ chính xác và độ bền của hệ thống. Các biểu đồ mô phỏng chu trình hoạt động và sơ đồ đấu nối PLC minh họa rõ ràng quá trình xử lý tín hiệu và điều khiển thiết bị, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và bảo trì.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc nâng cao tự động hóa dây chuyền dập tấm liên tục, giảm thiểu sự cố và tăng năng suất sản xuất, đặc biệt trong các ngành công nghiệp điện tử và cơ khí chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống cảm biến và PLC trên dây chuyền sản xuất thực tế: Áp dụng thiết kế đã nghiên cứu vào các nhà máy sản xuất lá tản nhiệt CPU trong vòng 6 tháng để đánh giá hiệu quả thực tế và điều chỉnh phù hợp.

2. Nâng cấp và mở rộng hệ thống cảm biến: Bổ sung thêm cảm biến áp suất và cảm biến nhiệt độ để giám sát các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình dập, nhằm nâng cao độ tin cậy và an toàn trong vòng 12 tháng tiếp theo.

3. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về lập trình PLC và bảo trì hệ thống cảm biến cho kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành ổn định và xử lý sự cố nhanh chóng.

4. Phát triển phần mềm giám sát và cảnh báo từ xa: Xây dựng hệ thống giám sát trực tuyến kết nối PLC với máy tính hoặc thiết bị di động để theo dõi trạng thái dây chuyền và nhận cảnh báo kịp thời, dự kiến hoàn thành trong 18 tháng.

5. Nghiên cứu ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong phân tích dữ liệu cảm biến: Áp dụng các thuật toán học máy để dự đoán sự cố và tối ưu hóa quá trình sản xuất, nâng cao hiệu quả tự động hóa trong tương lai.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư cơ điện tử và tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống cảm biến và lập trình PLC trong dây chuyền dập tấm liên tục, giúp họ nâng cao kỹ năng thiết kế và vận hành hệ thống tự động.

2. Nhà quản lý sản xuất trong ngành cơ khí và điện tử: Tham khảo để hiểu rõ về các giải pháp tự động hóa giúp giảm thiểu sự cố, tăng năng suất và đảm bảo an toàn lao động trong dây chuyền sản xuất.

3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật cơ điện tử: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng thực tế của cảm biến và PLC trong công nghiệp, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

4. Các nhà cung cấp thiết bị công nghiệp và cảm biến: Hiểu rõ yêu cầu kỹ thuật và ứng dụng thực tế để phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu tự động hóa trong ngành dập tấm liên tục.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống cảm biến này có thể áp dụng cho các loại máy dập khác không?
   Hệ thống được thiết kế chủ yếu cho máy dập trục khuỷu trong dây chuyền dập tấm liên tục, tuy nhiên các nguyên lý cảm biến và điều khiển PLC có thể điều chỉnh để áp dụng cho các loại máy dập khác với yêu cầu tương tự.

2. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác của cảm biến trong môi trường công nghiệp nhiều bụi bẩn?
   Việc lựa chọn cảm biến siêu âm và cảm biến tiệm cận có khả năng chống chịu môi trường tốt, kết hợp với bảo trì định kỳ và vệ sinh cảm biến giúp duy trì độ chính xác và độ bền.

3. Thời gian phản hồi của hệ thống khi phát hiện sự cố là bao lâu?
   Theo mô phỏng, hệ thống có thể dừng máy khẩn cấp trong vòng 0,5 giây sau khi phát hiện lỗi, giúp giảm thiểu thiệt hại và đảm bảo an toàn.

4. PLC được sử dụng trong nghiên cứu có khả năng mở rộng như thế nào?
   Bộ PLC S7-1200 được lựa chọn có khả năng mở rộng số lượng I/O và tích hợp nhiều module mở rộng, phù hợp với các dự án tự động hóa quy mô vừa và lớn.

5. Hệ thống có thể tự động điều chỉnh tốc độ cấp phôi không?
   Có, cảm biến đo đường kính cuộn phôi cung cấp tín hiệu analog để PLC điều chỉnh tốc độ động cơ máy nhả cuộn, đảm bảo tốc độ cấp phôi phù hợp với yêu cầu sản xuất.

Kết luận

• Đã thiết lập thành công mô hình tổng quát hệ thống cảm biến và điều khiển PLC cho dây chuyền dập tấm liên tục, giúp phát hiện và xử lý kịp thời các sự cố trong quá trình sản xuất.
• Ứng dụng phần mềm NX và TIA-Portal trong thiết kế và lập trình mang lại hiệu quả mô phỏng cao, rút ngắn thời gian phát triển hệ thống.
• Hệ thống cấp phôi tự động được thiết kế đảm bảo độ chính xác vị trí phôi trong phạm vi ±0,2 mm, nâng cao năng suất sản xuất khoảng 15%.
• Hệ thống cảm biến vùng an toàn và cảm biến nhận biết tấm gạt phôi góp phần tăng cường an toàn lao động và bảo vệ thiết bị.
• Đề xuất triển khai thực tế, nâng cấp hệ thống và phát triển các giải pháp giám sát từ xa, ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong tương lai nhằm tối ưu hóa dây chuyền sản xuất.

Luận văn mở ra hướng phát triển mới cho tự động hóa trong công nghiệp dập tấm liên tục, khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp áp dụng để nâng cao hiệu quả sản xuất. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tế, độc giả được khuyến khích tiếp cận toàn văn luận văn và các tài liệu liên quan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Công nghệ dập liên tục trong dập tấm đang rất phát triển trên thế giới và là một trong những công nghệ phổ biến trong các khu công nghiệp 4. Ứng dụng công nghệ dập liên tục có vai trò rất quan trọng trong việc giảm nhân công, chi phí, thời gian gia công đồng thời tăng chất lượng sản phẩm. Khuôn liên tục với đặc tính cấp phôi tự động cho phép phôi vào trong lòng khuôn với một vận tốc khá lớn (thường khoảng 12m/phút). Tốc độ này đảm bảo cho năng suất khi sử dụng khuôn liên tục rất cao.

Vấn đề đặt ra ở đây là khi phôi, sản phẩm, bộ phận máy có sự cố như: đứt dải phôi, bộ phận cấp phôi không cấp, phôi không di chuyển, phôi nằm ngoài vị trí gia công, kẹt phôi … thì rất nguy hiểm cho cả hệ thống máy và khuôn. Việc ứng dụng cảm biến và bộ điều khiển logic ( PLC ) sẽ giúp phát hiện các sự cố trong quá trình dập tấm đồng thời đưa ra các hành động thích hợp cho hệ thống để đảm bảo an toàn cho hệ thống và an toàn cho người sử dụng. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Dây chuyền dập tấm liên tục được sử dụng rộng dãi trong công nghiệp để gia công các sản phẩm có chiều dày mỏng, biên dạng phức tạp và yêu cầu năng suất sản phẩm lớn. Dây chuyền dập tấm liên tục bao gồm 4 thành phần chính là hệ cơ cấu cấp và định hướng phôi, máy dập, khuôn dập và hệ cơ cấu xử lý sản phẩm.

Để đáp ứng yêu cầu năng suất và chất lượng sản phẩm, tự động hóa dây chuyền dập liên tục là điều cần thiết. Tự động hóa dây chuyền cần có các thiết bị nhận biết, đo đạc tín hiệu đầu vào, hệ thống xử lý tín hiệu, các thiết bị đầu ra để điều khiển dây chuyền theo ý muốn.1 Sơ đồ dây chuyền tự động dập tấm liên tục Trong phạm vi nghiên cứu đề tài không nghiên cứu đến hệ thống xử lý sản phẩm và giả định hệ thống xử lý sản phẩm đáp ứng được với điều kiện hoạt động của các bộ phận khác của dây chuyền dập tự động.1 Dây chuyền dập liên tục 1.1 Khuôn dập liên tục Khuôn dập đóng vai trò quyết định hình dáng sản phẩm và số nguyên công tạo ra sản phẩm. Khuôn dập liên tục (gọi tắt là khuôn liên tục) là loại khuôn dập bao gồm nhiều cặp chày-cối được bố trí trên cùng một đế khuôn để thực hiện các nguyên công dập tấm khác nhau (dập vuốt, uốn, dập nổi, dập cắt.) trong một hành trình của máy dập [1]. Mỗi cặp chày-cối thực hiện một hoặc nhiều bước công nghệ riêng biệt và nhờ cơ cấu cấp phôi tự động mà phôi được chuyển dịch liên tục, tuần tự qua các vị trí chày-cối để hoàn thành chi tiết cần chế tạo.

Sản phẩm được hình thành sau lần dập ở lòng khuôn cuối cùng, mỗi lần dập sẽ cho ra một sản phẩm. Việc thực hiện tuần tự các nguyên công khiến cho khuôn dập liên hoàn có khả năng tự động hóa rất cao.2 Kết cấu của khuôn dập liên tục 1. Chốt định vị 3. Bu lông treo 6.

Bạc dẫn hướng 8. Chày định tâm 10. Bạc dẫn hướng 15. Chày uốn hướng phụ phụ 17.

Chốt đẩy phôi 18. Cữ nâng phôi 20. Cữ chiều dày vật liệu 21. Tấm kê cối 25.

Trụ, bạc dẫn 27. Áo chày hướng phôi 30. Tấm đệm chày Do có nhiều ưu điểm nổi bật về chất lượng sản phẩm (độ chính xác, cơ tính), khả năng gia công chi tiết phức tạp, năng suất cao mà trên thế giới khuôn dập liên tục được ứng dụng trong rất nhiều ngành sản xuất: điện, điện tử, máy bay, ô tô, phụ tùng cơ khí, đồ gia dụng… Hình 1.3 Chi tiết bồn rửa bát và khuôn dập bồn rửa bát Hình 1.4 Khuôn dập liên tục stator trong động cơ điện 2 Hình 1.5 Mô hình khuôn dập bản lề cửa a) Kết cấu chính của khuôn dập liên tục Cũng giống như khuôn dập đơn, kết cấu chính của khuôn dập liên tục bao gồm cụm đế khuôn và cụm các chi tiết làm việc chủ yếu của khuôn [1] [2]. Trong đó : - Cụm đế khuôn bao gồm đế khuôn trên, đế khuôn dưới, trục và bạc dẫn hướng, cuống khuôn.

Đế khuôn trên sẽ được lắp với cuống khuôn và bàn máy di động (hoặc đầu trượt) của máy dập, đế khuôn dưới được gá cố định với bàn máy của máy dập. Hình dạng, kích thước và vị trí của các chi tiết trong cụm đế khuôn rất khác nhau tùy theo việc bố trí các nguyên công và các chi tiết làm việc trong khuôn, tuy nhiên khi chế tạo và lắp ghép cần đảm bảo độ song song giữa hai mặt đáy của hai đế khuôn. Cuống khuôn chỉ được sử dụng cho các máy dập có lực dập danh nghĩa nhỏ. Cuống khuôn được lắp với đế khuôn trên, nó có tác dụng định vị và kẹp chặt nửa khuôn trên lên đầu trượt của máy đối với khuôn nhỏ.

Đối với khuôn lớn cần tăng cường kẹp chặt bằng bulong hoặc thanh kẹp lên đầu trượt [2]. Vị trí của cuống khuôn nên chọn trùng với trung tâm áp lực của khuôn [1]. Cấu tạo và phương pháp lắp của cuống khuôn ảnh hưởng đến độ chính xác khi làm việc của khuôn dập và an toàn của kết cấu khuôn. Nếu cuống khuôn nối cứng với đế khuôn trên bằng mặt bích, vai trục, ren.6 a, b, c, d) thì toàn bộ sự dao động của đầu trượt máy ép theo hướng ngang, được chuyển đến bộ phận dẫn hướng của khuôn dập.6 Các dạng cuống khuôn 3 Khi dập chính xác hay dập vật liệu mỏng (độ dày nhỏ hơn 0,5 mm) thì cuống khuôn nối cứng không thuận lợi.

Vì sự chuyển động không chính xác của đầu trượt máy dập truyền cho bộ phận dẫn hướng gây nên sự mài mòn trụ và bạc dẫn hướng, dẫn đến khe hở không đều giữa chày và cối, làm giảm độ bền và độ chính xác của khuôn dập. Để khắc phục hiện tượng đó người ta chế tạo khuôn cuống lắc (hình 1.6 e, g), cuống khuôn tỳ lên một mặt cầu có thể nghiêng với vị trí thẳng đứng. Song vị trí đó của cuống khuôn không ảnh hưởng đến sự chuyển động chính xác của đế trên theo trụ và bạc dẫn hướng. Trụ và bạc dẫn hướng được lắp trên đế khuôn, có tác dụng dẫn hướng chính xác cao và được tiêu chuẩn hóa.

Trụ dẫn hướng được lắp lỏng với bạc dẫn hướng với các cấp độ khác nhau tùy theo độ chính xác của khuôn yêu cầu [2]. Đặc biệt đối với khuôn cắt cần chọn trụ và bạc dẫn hướng có độ chính xác cao do hai nửa khuôn trên và dưới làm việc có trị số khe hở giữa chày và cối nhỏ. Đường kính phần trụ được chọn tùy thuộc vào tải trọng của khuôn dập thực hiện nặng hay nhẹ. Chiều dài phần trụ tương ứng với hành trình làm việc khác nhau của máy dập và nguyên công khác nhau mà khuôn dập thực hiện.

Chiều dài lắp ghép của phần trụ vào tấm khuôn từ 1.5-2 lần đường kính của nó. Chế độ làm việc càng nặng kích thước chiều dài phần lắp ghép càng lớn.7 Trụ và bạc dẫn hướng bi (a) và loại thường (b) Để dẫn hướng chính xác cho các khuôn có trị số khe hở chày cối nhỏ người ta sử dụng bạc dẫn hướng kiểu bi. Ưu điểm của dẫn hướng bi là ma sát trượt giữa trụ và bạc dẫn hướng được thay thế bằng ma sát lăn. Do đó bước chuyển nhẹ nhàng và độ mài mòn không đáng kể.

Dẫn hướng có bi được sử dụng trong những khuôn cắt lớn và trong các trường hợp khi sử dụng dẫn hướng trượt thông thường không đảm bảo độ bền và độ chính xác.8 Phương pháp bố trí 2 trụ dẫn hướng tréo (a) và 4 trụ dẫn hướng (b) 4 Trong khuôn dập liên tục, trụ dẫn hướng thường được bố trí theo hai cách là bố trí hai trụ dẫn hướng theo đường chéo qua tâm áp lực của khuôn hoặc sử dụng bốn trụ dẫn hướng ở bốn góc của hình chữ nhật với tâm trùng với tâm áp lực của khuôn. - Cụm chi tiết làm việc chủ yếu của khuôn bao gồm các chi tiết: chày, cối, áo chày, áo cối và các chi tiết khác nhằm tạo ra hình dạng và kích thước của sản phẩm [2]. Kích thước và hình dạng của chi tiết làm việc của khuôn phụ thuộc vào kích thước và hình dạng, vật liệu, yêu cầu về chất lượng của sản phẩm và cách bố trí các nguyên công. Các chi tiết này quyết định đến chất lượng sản phẩm và tuổi thọ của khuôn.

Khi thiết kế cần chú ý xem xét kỹ các yêu cầu của sản phẩm để lựa chọn phương án tối ưu. Kết cấu của chày và cối phải đảm bảo tính công nghệ trong gia công cơ. Đối với chày cối của chi tiết lớn người ta có thể làm ghép từ nhiều mảnh để thuận tiện trong quá trình gia công, nhiệt luyện và tiết kiệm vật liệu nhằm giảm giá thành khuôn. Hình dạng của chày cắt đột phụ thuộc vào chiều dày tương đối s/d của phôi, hình dạng, kích thước của chi tiết.9 Chày cắt đột a) Loại chày đơn giản b) Loại chày giảm trọng lượng c) Loại chày có góc côn d) Loại có mũi tâm ở góc Kết cấu phần làm việc của chày hình 1.9a là dạng đơn giản nhất, được dùng phổ biến.

Kết cấu chày hình 1.9b được sử dụng khi cắt đột chi tiết lớn, đầu chày được làm rỗng hoặc khoét lõm mặt đầu để giảm trọng lượng và dễ mài lại. Khi cắt đột chi tiết loại dày người ta dùng kết cấu chày như hình 1.9c, chày được tiện 1 góc côn nhỏ. Khi cần giảm lực đẩy sản phẩm người ta dùng chày có kết cấu như hình 1.9d, chày có một góc côn ngược và chóp nhọn ở tâm. Để thuận lợi cho quá trình thiết kế và chế tạo khuôn, giảm được thời gian chuẩn bị sản xuất, các chi tiết chày cối của khuôn đã được tiêu chuẩn hóa.

Dưới đây là một số loại chày cắt đột tiêu chuẩn [3]. Chày có vai: được sử dụng trong trường hợp khoảng cách giữa các chày đủ lớn để không bị kích vào nhau hoặc chày chịu tải trọng lớn.10 Kết cấu chày cắt có vai Chày có vai và có đẩy phôi: được sử dụng trong trường hợp phôi bám dính vào chày, kết cấu giống như chày có vai và thêm phần chốt đẩy ở đầu chày.11 Chày cắt có vai có đẩy phôi Chày có vai có định vị chống xoay: loại chày này không xoay tương đối với trục của chày, chày được vát tại phần lắp ghép với cối.12 Chày cắt có vai có vát chống xoay Chày lắp bằng bulong: được sử dụng khi các chày lắp gần nhau làm cho vai chày ảnh hưởng không lắp được.