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.