Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC

• Tác giả: Nguyễn Hữu Định
• Người hướng dẫn: PGS.TS Phạm Văn Nghệ
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Công Nghệ Cơ Khí
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Máy Đột Dập CNC
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Hà Nội

• 1. CHƯƠNG 1: Nghiên cứu những lý thuyết cơ bản về máy công cụ điều khiển theo chương trình
• 1.1. Tổng quan về máy CNC
• 1.1.1. Nghiên cứu tổng quan về các loại máy công cụ điều khiển theo chương trình
• 1.2. Nghiên cứu hệ thống điều khiển máy dập CNC
• 1.2.1. Phân tích hệ điều khiển
• 1.2.2. Khối MCU

I. Giới thiệu về máy đột dập CNC

Máy đột dập CNC là một trong những thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp chế tạo. Máy đột dập CNC sử dụng công nghệ CNC (Computerized Numerical Control) để thực hiện các thao tác gia công chính xác và tự động. Việc áp dụng công nghệ CNC giúp tăng năng suất lao động, giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Theo nghiên cứu, máy móc công nghiệp này không chỉ cải thiện hiệu quả sản xuất mà còn tiết kiệm chi phí nguyên liệu. Đặc biệt, quy trình thiết kế máy đột dập CNC cần được thực hiện một cách bài bản để đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong sản xuất. Việc thiết kế này bao gồm việc lựa chọn các linh kiện phù hợp, lập trình điều khiển và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1. Lý do chọn đề tài

Việc nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC là cần thiết trong bối cảnh hiện nay, khi mà nhu cầu sản xuất ngày càng tăng cao. Các doanh nghiệp cần có những thiết bị hiện đại để đáp ứng yêu cầu sản xuất linh hoạt và hiệu quả. Máy đột dập CNC không chỉ giúp tăng năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ mới vào sản xuất sẽ giúp các doanh nghiệp cạnh tranh tốt hơn trên thị trường. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển máy đột dập CNC là một hướng đi đúng đắn cho ngành công nghiệp chế tạo tại Việt Nam.

II. Quy trình thiết kế máy đột dập CNC

Quy trình thiết kế máy đột dập CNC bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, cần xác định yêu cầu kỹ thuật và mục tiêu sản xuất. Sau đó, tiến hành phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến thiết kế như vật liệu, kích thước và cấu trúc máy. Thiết kế máy CNC cần phải đảm bảo tính ổn định và độ bền trong quá trình hoạt động. Việc lựa chọn các linh kiện như động cơ, cảm biến và hệ thống điều khiển cũng rất quan trọng. Hệ thống điều khiển CNC phải được lập trình một cách chính xác để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả. Cuối cùng, cần thực hiện các thử nghiệm để đánh giá hiệu suất của máy trước khi đưa vào sản xuất.

2.1. Phân tích kỹ thuật

Phân tích kỹ thuật là bước đầu tiên trong quy trình thiết kế máy đột dập CNC. Cần xác định rõ các thông số kỹ thuật như công suất, tốc độ và khả năng gia công của máy. Việc phân tích này giúp đưa ra các giải pháp thiết kế hợp lý, đảm bảo máy hoạt động hiệu quả và đáp ứng được yêu cầu sản xuất. Ngoài ra, cần xem xét các yếu tố như chi phí sản xuất, bảo trì và khả năng mở rộng trong tương lai. Từ đó, có thể đưa ra các quyết định thiết kế phù hợp với nhu cầu thực tế của doanh nghiệp.

III. Ứng dụng của máy đột dập CNC

Máy đột dập CNC có nhiều ứng dụng trong ngành công nghiệp chế tạo. Nó được sử dụng để gia công các chi tiết kim loại với độ chính xác cao. Ứng dụng máy đột dập không chỉ giới hạn trong việc sản xuất các linh kiện mà còn mở rộng ra nhiều lĩnh vực khác nhau như ô tô, điện tử và xây dựng. Việc sử dụng máy móc công nghiệp này giúp giảm thiểu thời gian sản xuất và tăng cường khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp. Hơn nữa, máy đột dập CNC còn giúp cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân, giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.

3.1. Lợi ích kinh tế

Việc áp dụng máy đột dập CNC mang lại nhiều lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp. Đầu tiên, nó giúp tiết kiệm chi phí sản xuất nhờ vào việc giảm thiểu lãng phí nguyên liệu và thời gian. Thứ hai, máy CNC có khả năng sản xuất hàng loạt với chất lượng đồng đều, từ đó nâng cao giá trị sản phẩm. Cuối cùng, việc sử dụng công nghệ hiện đại giúp doanh nghiệp nâng cao năng lực cạnh tranh và mở rộng thị trường. Tóm lại, máy đột dập CNC không chỉ là một công cụ sản xuất mà còn là một yếu tố quyết định đến sự phát triển bền vững của doanh nghiệp.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, việc ứng dụng tự động hóa và điều khiển số trong sản xuất ngày càng trở nên thiết yếu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, các hệ thống máy công cụ CNC (Computerized Numerical Control) đã góp phần tăng năng suất lao động lên đến 30-50% so với phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp vẫn sử dụng các máy công cụ truyền thống hoặc máy CNC chưa được tối ưu hóa về mặt điều khiển, dẫn đến hiệu quả sản xuất chưa cao và chi phí vận hành lớn.

Luận văn nghiên cứu thiết kế máy đột dập CNC nhằm mục tiêu phát triển một hệ thống điều khiển máy đột dập tự động, chính xác và hiệu quả, phù hợp với điều kiện sản xuất thực tế tại Việt Nam. Nghiên cứu tập trung vào thiết kế cấu trúc cơ khí, hệ thống truyền động, và đặc biệt là hệ thống điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) kết hợp với các module truyền động servo và stepper motor. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong việc thiết kế và thử nghiệm hệ thống điều khiển cho máy đột dập CNC tại một số cơ sở sản xuất cơ khí ở Hà Nội trong giai đoạn 2009-2010.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cải thiện độ chính xác vị trí, giảm thiểu sai số trong quá trình gia công, tiết kiệm năng lượng và chi phí bảo trì, đồng thời nâng cao tính linh hoạt trong sản xuất. Các chỉ số hiệu quả như độ chính xác vị trí đạt dưới 0.1 mm, giảm tiêu hao năng lượng khoảng 15%, và tăng năng suất gia công lên 20% so với máy đột dập truyền thống đã được ghi nhận trong quá trình thử nghiệm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết điều khiển tự động và PLC: PLC S7-200 được sử dụng làm bộ điều khiển trung tâm, với khả năng lập trình linh hoạt, giao tiếp đa dạng và độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp. Các khái niệm chính bao gồm logic điều khiển, ngắt, bộ đếm, bộ định thời và giao tiếp nối tiếp RS232.

• Mô hình truyền động servo và stepper motor: Động cơ bước (stepper motor) và động cơ servo được ứng dụng để điều khiển vị trí và tốc độ trục dao, đảm bảo độ chính xác cao và khả năng phản hồi nhanh. Các khái niệm chính gồm momen giữ, bước quay, xung điều khiển và mạch điều khiển công suất sử dụng MOSFET IRF9540.

• Cấu trúc máy đột dập CNC: Bao gồm hệ thống truyền động cơ khí (xích, bánh răng), bộ phận cảm biến vị trí (sensor), và hệ thống điều khiển tín hiệu phản hồi (feedback loop). Các khái niệm chính gồm mạch logic TTL, bộ nhớ ROM/RAM, và giao diện người-máy (HMI) sử dụng Visual Basic 6.0.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ các máy đột dập CNC hiện có tại các cơ sở sản xuất, tài liệu kỹ thuật của các thiết bị PLC, động cơ servo, và các module điều khiển.

• Phương pháp phân tích: Phân tích cấu trúc cơ khí, thiết kế mạch điều khiển điện tử, lập trình PLC và phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính. Sử dụng mô phỏng và thử nghiệm thực tế để đánh giá hiệu suất hệ thống.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thử nghiệm trên một máy đột dập CNC mẫu tại một nhà máy cơ khí ở Hà Nội, với các phép đo độ chính xác vị trí, tiêu hao năng lượng và thời gian gia công.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu và thiết kế trong 6 tháng đầu năm 2010, thử nghiệm và hiệu chỉnh trong 3 tháng tiếp theo, hoàn thiện báo cáo và luận văn vào cuối năm 2010.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thiết kế hệ thống điều khiển PLC S7-200: Hệ thống điều khiển được lập trình thành công với khả năng xử lý tín hiệu từ các sensor vị trí và điều khiển động cơ stepper chính xác. Sai số vị trí đo được dưới 0.1 mm, giảm 40% so với hệ thống điều khiển relay truyền thống.

2. Ứng dụng mạch công suất sử dụng MOSFET IRF9540: Mạch điều khiển công suất cho động cơ bước hoạt động ổn định với dòng điện lên đến 20A, điện áp 24V, giúp giảm tiêu hao năng lượng khoảng 15% so với mạch điều khiển cũ.

3. Giao tiếp nối tiếp RS232 giữa PLC và máy tính: Việc sử dụng giao tiếp RS232 với IC MAX232 cho phép truyền dữ liệu nhanh, tin cậy trong phạm vi 20m, hỗ trợ việc giám sát và điều khiển từ xa qua phần mềm Visual Basic 6.0.

4. Cải tiến cơ cấu truyền động và sensor: Sử dụng xích chạy dao phôi có khe hở nhỏ nhất có thể, kết hợp với sensor định vị trục X, Y giúp tăng độ chính xác và giảm rung động trong quá trình gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các cải tiến trên xuất phát từ việc áp dụng công nghệ điều khiển số hiện đại, thay thế các hệ thống relay và điều khiển cơ học truyền thống. So sánh với các nghiên cứu trong ngành gia công cơ khí CNC, kết quả đạt được tương đương hoặc vượt trội về độ chính xác và hiệu quả năng lượng. Việc sử dụng PLC S7-200 với các module mở rộng và mạch công suất MOSFET đã chứng minh tính linh hoạt và khả năng mở rộng trong thiết kế hệ thống điều khiển máy đột dập CNC.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sai số vị trí giữa hệ thống điều khiển mới và cũ, biểu đồ tiêu hao năng lượng, và bảng thống kê thời gian gia công từng chi tiết. Những kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của giải pháp thiết kế, đồng thời mở ra hướng phát triển cho các hệ thống máy công cụ CNC trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống điều khiển PLC S7-200 cho các máy đột dập hiện có: Đề xuất các doanh nghiệp cơ khí nâng cấp hệ thống điều khiển truyền thống sang PLC trong vòng 12 tháng nhằm tăng độ chính xác và giảm chi phí vận hành.

2. Ứng dụng mạch công suất MOSFET IRF9540 trong điều khiển động cơ bước: Khuyến nghị sử dụng mạch công suất này để tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị, với kế hoạch lắp đặt trong 6 tháng tiếp theo.

3. Phát triển phần mềm giám sát và điều khiển từ xa qua giao tiếp RS232: Đề xuất xây dựng phần mềm giao diện người dùng dựa trên Visual Basic 6.0 hoặc các nền tảng hiện đại hơn, hoàn thành trong 9 tháng để hỗ trợ vận hành và bảo trì.

4. Nâng cấp cơ cấu truyền động và hệ thống cảm biến: Khuyến nghị sử dụng các loại sensor hiện đại hơn và cải tiến cơ cấu truyền động nhằm giảm rung động và tăng độ bền máy, thực hiện trong vòng 18 tháng.

Các giải pháp trên cần sự phối hợp giữa nhà sản xuất máy, doanh nghiệp sử dụng và các đơn vị nghiên cứu để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả trong thực tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí: Có thể áp dụng các giải pháp điều khiển CNC để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí bảo trì.

2. Các kỹ sư thiết kế máy công cụ: Tham khảo cấu trúc hệ thống điều khiển và mạch công suất để phát triển các sản phẩm máy đột dập CNC mới.

3. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành cơ khí và tự động hóa: Học hỏi phương pháp thiết kế hệ thống điều khiển PLC, lập trình giao tiếp và ứng dụng động cơ bước trong thực tế.

4. Các nhà quản lý kỹ thuật và bảo trì: Hiểu rõ về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy đột dập CNC để nâng cao hiệu quả vận hành và xử lý sự cố nhanh chóng.

Câu hỏi thường gặp

1. PLC S7-200 có ưu điểm gì so với các hệ thống điều khiển truyền thống?
   PLC S7-200 có khả năng lập trình linh hoạt, tiêu thụ năng lượng thấp, kích thước nhỏ gọn và dễ dàng mở rộng. Ví dụ, nó giúp giảm sai số vị trí máy đột dập xuống dưới 0.1 mm, cải thiện đáng kể so với relay cơ học.

2. Tại sao sử dụng MOSFET IRF9540 trong mạch công suất?
   MOSFET IRF9540 chịu được dòng lên đến 20A và điện áp 24V, giúp điều khiển động cơ bước hiệu quả, giảm tiêu hao năng lượng và tăng độ bền thiết bị so với các transistor thông thường.

3. Giao tiếp RS232 có giới hạn gì?
   RS232 cho phép truyền dữ liệu tin cậy trong phạm vi khoảng 20 mét, phù hợp với môi trường nhà máy. Việc sử dụng IC MAX232 giúp chuyển đổi điện áp TTL sang chuẩn RS232, đảm bảo tín hiệu ổn định.

4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác vị trí trong máy đột dập CNC?
   Sử dụng sensor định vị chính xác kết hợp với hệ thống điều khiển PLC và động cơ bước có khả năng phản hồi nhanh giúp giảm sai số vị trí xuống dưới 0.1 mm.

5. Phần mềm Visual Basic 6.0 được sử dụng như thế nào trong hệ thống?
   Visual Basic 6.0 được dùng để phát triển giao diện người dùng trên máy tính, giúp giám sát và điều khiển máy đột dập CNC qua giao tiếp RS232, hỗ trợ thao tác dễ dàng và trực quan.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thiết kế thành công hệ thống điều khiển máy đột dập CNC sử dụng PLC S7-200, động cơ bước và mạch công suất MOSFET, nâng cao độ chính xác và hiệu quả sản xuất.
• Hệ thống giao tiếp RS232 với phần mềm Visual Basic 6.0 giúp giám sát và điều khiển từ xa hiệu quả.
• Các cải tiến về cơ cấu truyền động và cảm biến góp phần giảm rung động và tăng độ bền máy.
• Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số vị trí dưới 0.1 mm, tiết kiệm năng lượng khoảng 15%, tăng năng suất gia công 20%.
• Đề xuất triển khai các giải pháp trong vòng 12-18 tháng tới để nâng cao năng lực sản xuất cơ khí trong nước.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và kỹ sư nên áp dụng và tiếp tục nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển CNC để đáp ứng yêu cầu sản xuất hiện đại.