Tổng quan nghiên cứu

Thị trường xây dựng tại Việt Nam ghi nhận sự tăng trưởng mạnh mẽ về nhu cầu tiêu thụ sắt thép xây dựng từ Quý II/2015 khi hàng loạt dự án hạ tầng và nhà cao tầng đồng loạt đẩy nhanh tiến độ thi công. Trong kết cấu bê tông cốt thép, đai thép đóng vai trò chịu lực cắt, định vị cốt thép dọc và gia tăng độ bền vững cho toàn bộ công trình. Tuy nhiên, phương thức gia công đai thép truyền thống tại các công trường chủ yếu dựa vào lao động thủ công hoặc các dòng máy uốn cơ bán tự động thô sơ, dẫn đến năng suất thấp, chất lượng góc uốn không đồng đều và tiềm ẩn nhiều rủi ro về an toàn lao động.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là giải quyết bài toán tự động hóa hoàn toàn quy trình nắn thẳng, đo chiều dài, uốn góc và cắt đai thép từ nguồn phôi thép cuộn tròn trơn. Các dòng máy hiện hữu trên thị trường trong nước thời điểm đó thường bị giới hạn về năng suất chỉ đạt khoảng 6 đến 8 mét/phút và cơ cấu bẻ bằng thủy lực cố định góc 90 độ, thiếu tính linh hoạt khi cần tạo các biên dạng đai hình học phức tạp.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy uốn đai thép tự động tích hợp hệ thống điều khiển PLC và màn hình cảm ứng HMI. Máy có khả năng uốn tự động các loại thép tròn trơn đường kính 6 mm và 8 mm với dải góc uốn linh hoạt từ 0 đến 180 độ, kích thước cạnh gia công từ 50 mm đến 500 mm, đồng thời gia công cùng lúc 2 sợi thép để tối ưu hóa năng lực sản xuất.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh và hoàn thành vào tháng 04 năm 2016. Kết quả nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp nâng cao tốc độ nắn uốn lên 18 đến 20 mét/phút, tăng năng suất gấp 2,5 đến 3 lần so với máy truyền thống và giảm thiểu khoảng 60% đến 70% chi phí nhân công trực tiếp tại công trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn xây dựng hệ thống tính toán dựa trên các nền tảng lý thuyết cơ học biến dạng kim loại và nguyên lý tự động hóa công nghiệp:

Lý thuyết biến dạng dẻo và hiện tượng đàn hồi sau khi uốn (springback): Quá trình uốn kim loại trải qua ba giai đoạn gồm biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và biến dạng phá hủy. Khi ngoại lực uốn thôi tác dụng, phần biến dạng đàn hồi mất đi làm kích thước và góc uốn của thanh thép bị sai lệch so với biên dạng khuôn. Do đó, mô men uốn và góc quay của động cơ bước phải được tính toán bù trừ một lượng chính xác dựa trên giới hạn chảy của vật liệu và bán kính uốn tương đối.

Lý thuyết cắt kim loại bằng áp lực lưỡi cắt: Quá trình cắt phôi thép trải qua ba giai đoạn liên tục gồm giai đoạn cặp biến dạng đàn hồi, giai đoạn biến dạng dẻo và giai đoạn cắt đứt dứt điểm. Việc kiểm soát khe hở giữa hai lưỡi cắt dao hợp kim độ cứng cao khoảng 58 HRC và lực chặn phôi đóng vai trò quyết định đến chất lượng mặt cắt, hạn chế tối đa hiện tượng tạo bavia hoặc biến dạng đầu thanh thép.

Tiêu chuẩn kỹ thuật cốt thép xây dựng: Nghiên cứu áp dụng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia TCVN 1651-1:2008 và phương pháp thử nghiệm cơ tính ISO 15630-1. Đối với mác thép CB240-T, giới hạn chảy trên danh nghĩa đạt tối thiểu ReH = 240 MPa, giới hạn bền kéo Rm = 380 MPa và độ giãn dài tương đối sau khi đứt A5 tối thiểu 20%. Đối với mác thép CB300-T, giới hạn chảy trên đạt ReH = 300 MPa, giới hạn bền kéo Rm = 440 MPa và độ giãn dài A5 tối thiểu 16%.

Lý thuyết điều khiển logic khả trình (PLC): Tích hợp bộ điều khiển PLC FX1N-40MT kết hợp màn hình HMI và động cơ bước công suất lớn nhằm tạo ra hệ thống điều khiển vị trí vòng hở có độ tin cậy cao, tốc độ phản hồi nhanh trong môi trường rung động công nghiệp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết giải tích và phương pháp thực nghiệm chế tạo mô hình thực tế. Dữ liệu tính toán lực và mô men được xác lập dựa trên đường kính phôi danh nghĩa 8 mm với mô men uốn tính toán cho một thanh thép là Mx = 25 Nm. Khi tiến hành uốn đồng thời 2 thanh thép, tổng mô men uốn yêu cầu là 50 Nm, từ đó lựa chọn động cơ bước mã hiệu 130BYG350D-X có mô men giữ 50 Nm để truyền động cụm bẻ.

Phương pháp thu thập dữ liệu và cỡ mẫu kiểm định: Trong giai đoạn thử nghiệm đánh giá độ chính xác của máy, tác giả thực hiện kiểm nghiệm trên cỡ mẫu gồm 100 sản phẩm đai thép hoàn thiện (50 đai thép đường kính 6 mm và 50 đai thép đường kính 8 mm) với các quy cách hình học thông dụng như đai vuông 150x150 mm, đai chữ nhật 150x300 mm và đai hình chữ U, chữ C. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng từ các lô phôi thép cán nguội đạt chuẩn TCVN 1651-1:2008.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Tác giả áp dụng phương pháp đo lường cơ khí chính xác kết hợp phân tích thống kê định lượng để so sánh kích thước thực tế, độ vuông góc và sai lệch chiều dài của đai thép gia công so với dung sai cho phép trong xây dựng dân dụng. Phương pháp này đảm bảo tính khách quan tuyệt đối, chứng minh khả năng làm việc ổn định của hệ thống truyền động cơ khí và thuật toán lập trình PLC trong điều kiện vận hành liên tục suốt 6 tháng thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chế tạo mô hình máy thực tế và thử nghiệm vận hành tự động đã ghi nhận những kết quả kỹ thuật vượt trội:

Năng suất gia công tăng vọt: Hệ thống con lăn kéo phôi kết hợp cụm nắn thẳng hai chiều đạt tốc độ kéo ổn định từ 18 đến 20 mét/phút. Tốc độ này giúp máy đạt năng suất tương đương khoảng 12 đến 15 đai vuông kích thước 200x200 mm trong vòng 1 phút, cao hơn 250% so với năng suất của các dòng máy thủy lực cùng phân khúc chỉ đạt 6 đến 8 mét/phút.

Khả năng uốn đồng thời hai sợi thép: Nhờ bố trí cụm rãnh đôi trên các con lăn nắn lệch tâm và cơ cấu kẹp phôi chịu tải cao, máy có thể duỗi thẳng và bẻ cùng lúc 2 sợi thép tròn trơn đường kính 6 mm hoặc 8 mm. Khả năng này giúp tăng 100% sản lượng đầu ra trên mỗi chu kỳ bẻ mà không làm tăng đáng kể kích thước bao của thiết bị.

Độ chính xác kích thước và góc uốn đạt chuẩn: Sai số kích thước chiều dài các cạnh đai thép được kiểm soát chặt chẽ trong khoảng ±1,0 mm đối với các chiều dài cạnh từ 50 mm đến 500 mm. Độ sai lệch góc uốn thực tế chỉ dao động trong mức ±0,5 độ, hoàn toàn đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về sai lệch kích thước cốt thép đã gia công theo quy chuẩn xây dựng Việt Nam.

Linh hoạt biên dạng uốn từ 0 đến 180 độ: Việc sử dụng động cơ bước điều khiển qua xung phát từ PLC cho phép máy uốn được tất cả các góc hình học từ 0 độ đến 180 độ. Người vận hành có thể dễ dàng thiết lập các biên dạng đai vuông, đai chữ nhật, đai móc tam giác, đai chữ L, chữ C và đai lò xo xoắn liên hoàn chỉ qua vài thao tác cài đặt trên màn hình cảm ứng HMI.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả làm việc vượt trội của hệ thống đến từ việc phân tách độc lập các module chức năng và lựa chọn phương án truyền động tối ưu:

Cơ cấu nắn thẳng sử dụng dàn con lăn xếp lệch tâm giúp triệt tiêu hoàn toàn ứng suất dư trong cuộn thép, tạo độ thẳng tuyệt đối trước khi phôi tiến vào cụm bẻ. Việc kết hợp cơ cấu kéo phôi bằng con lăn kẹp dẫn động bởi động cơ kết hợp xilanh cắt thủy lực áp suất cao giúp hành trình cắt diễn ra dứt khoát trong thời gian dưới 0,5 giây mà không làm gián đoạn nhịp kéo tiếp theo.

Nguyên nhân cốt lõi giúp khắc phục nhược điểm của các dòng máy bẻ thủy lực cũ là việc thay thế xilanh bẻ bằng trục uốn dẫn động trực tiếp từ động cơ bước. Trong khi xilanh thủy lực bị giới hạn bởi hành trình cơ khí và khó thay đổi góc bẻ thì động cơ bước có thể xoay chính xác từng vi bước dựa trên số xung phát ra từ ngõ ra tốc độ cao của PLC FX1N-40MT.

Dữ liệu kiểm tra thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan qua biểu đồ cột so sánh năng suất kéo phôi giữa máy nghiên cứu (18-20 mét/phút) với các dòng máy nội địa như Siêu Việt (6-8 mét/phút), kết hợp bảng đối chiếu ma trận sai số góc uốn trên 100 chu kỳ thử nghiệm liên tục nhằm minh họa trực quan độ phân tán sai số cực thấp của sản phẩm.

So với các dòng máy uốn CNC nhập khẩu cao cấp từ các tập đoàn quốc tế như BLM Group hay Numalliance có tốc độ kéo lên tới 120 mét/phút với mức giá hàng tỷ đồng, mô hình nghiên cứu trong luận văn đã tối ưu hóa chi phí chế tạo ở mức rất thấp, phù hợp với năng lực tài chính và quy mô thi công của đại đa số doanh nghiệp xây dựng tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Để thương mại hóa rộng rãi và nâng cao hơn nữa hiệu quả ứng dụng của máy uốn đai thép tự động, nghiên cứu đưa ra 4 giải pháp trọng tâm:

Nâng cấp hệ thống truyền động sang động cơ AC Servo: Thay thế động cơ bước ở cụm kéo và cụm bẻ bằng động cơ AC Servo công suất 1,5 kW đến 2,0 kW nhằm nâng tốc độ kéo phôi lên mức 30 đến 35 mét/phút, rút ngắn 20% thời gian chu kỳ uốn đai trong lộ trình 12 tháng tới (Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư R&D cơ khí chế tạo).

Mở rộng dải gia công phôi thép có đường kính lớn và thép vằn: Cải tiến kết cấu cụm con lăn nắn phôi bằng thép hợp kim tôi cứng thấm carbon và tăng công suất bộ nguồn trạm bơm thủy lực để có thể nắn uốn thép gân đường kính 10 mm đến 12 mm có giới hạn bền Rm trên 500 MPa trong vòng 18 tháng (Chủ thể thực hiện: Phòng kỹ thuật công nghệ nhà máy sản xuất thiết bị xây dựng).

Chuẩn hóa quy trình vận hành và lịch trình bảo dưỡng định kỳ: Ban hành tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết, thực hiện bôi trơn hệ thống bánh răng truyền động và thay dầu thủy lực định kỳ 6 tháng một lần nhằm duy trì độ tin cậy của máy trên 98% và giảm thời gian dừng máy do sự cố kỹ thuật xuống dưới 2% (Chủ thể thực hiện: Đơn vị quản lý thiết bị và kỹ thuật viên vận hành công trường).

Tích hợp module kết nối IoT và giám sát sản lượng theo thời gian thực: Bổ sung cổng truyền thông công nghiệp RS485 chuẩn Modbus RTU hoặc Ethernet để truyền dữ liệu đếm số lượng đai thành phẩm, cảnh báo hết phôi và thống kê sản lượng theo thời gian thực với độ trễ truyền dữ liệu dưới 1 giây về trung tâm điều hành trong vòng 6 tháng (Chủ thể thực hiện: Nhóm kỹ sư tự động hóa và phát triển phần mềm).

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung luận văn mang lại giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chính:

Kỹ sư thiết kế cơ khí và cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tính toán lực cắt, lực uốn thép tròn, quy trình thiết kế module hóa từ cụm nắn thẳng, cụm kéo phôi đến cơ cấu bẻ góc, từ đó ứng dụng trực tiếp vào việc phát triển các dòng máy gia công kim loại dạng thanh và dây.

Nhà thầu xây dựng và xưởng gia công cốt thép tiền chế: Nắm bắt giải pháp công nghệ tự động hóa khâu gia công đai thép nhằm tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị, tăng tốc độ hoàn thiện kết cấu bê tông cốt thép và giảm thiểu hao hụt sắt thép nguyên liệu tại công trình.

Học viên cao học và sinh viên ngành tự động hóa, chế tạo máy: Sử dụng luận văn làm tài liệu nghiên cứu tham khảo về phương pháp kết hợp điều khiển logic PLC FX1N với màn hình HMI, kỹ thuật phát xung điều khiển động cơ bước và thiết kế mạch thủy lực ứng dụng trong công nghiệp.

Doanh nghiệp sản xuất máy móc thiết bị xây dựng trong nước: Tiếp cận mô hình thiết kế tối ưu với giá thành cạnh tranh để tiến hành nội địa hóa sản phẩm, từng bước thay thế các dòng máy bẻ đai nhập khẩu đắt đỏ trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

Máy uốn đai thép tự động trong nghiên cứu có thể gia công được những loại phôi thép nào? Máy được thiết kế chuyên dụng để nắn thẳng, uốn và cắt tự động các loại thép thanh tròn trơn đường kính 6 mm và 8 mm thuộc các mác thép xây dựng tiêu chuẩn như CB240-T và CB300-T theo tiêu chuẩn TCVN 1651-1:2008.

Tại sao hệ thống lại kết hợp động cơ bước cho cụm bẻ và xilanh thủy lực cho cụm cắt? Động cơ bước cho phép điều khiển chính xác vị trí góc quay từ 0 đến 180 độ với mô men xoắn 50 Nm, giúp linh hoạt tạo nhiều biên dạng đai khác nhau. Trong khi đó, xilanh thủy lực cung cấp lực cắt cực lớn, dứt khoát và kết cấu nhỏ gọn hơn nhiều so với việc dùng động cơ điện cơ khí.

Máy có khả năng gia công những biên dạng hình học nào và sai số là bao nhiêu? Hệ thống uốn được hầu hết các loại đai thông dụng gồm đai vuông, hình chữ nhật, hình tam giác, chữ L, chữ C, đai móc và đai lò xo xoắn liên hoàn với kích thước từ 50 mm đến 500 mm, sai số chiều dài chỉ trong khoảng ±1 mm và sai số góc uốn trong khoảng ±0,5 độ.

Làm thế nào để hệ thống xử lý sai lệch do hiện tượng đàn hồi sau khi uốn của thép? Hiện tượng đàn hồi sau khi uốn được khắc phục bằng thuật toán bù trừ góc uốn trên phần mềm PLC. Người vận hành có thể thiết lập góc bù vi chỉnh trực tiếp trên giao diện màn hình HMI dựa trên kết quả đo đạc thực tế của từng mẻ vật liệu thép.

Hiệu quả kinh tế của máy thể hiện rõ nhất qua những chỉ số nào khi áp dụng tại công trường? Máy đạt tốc độ kéo 18 đến 20 mét/phút và gia công đồng thời 2 thanh thép, giúp tăng năng suất lên gấp 3 lần so với máy bẻ thủy lực thông thường. Việc này giúp giảm số lượng nhân công vận hành từ 3 đến 4 người xuống còn 1 lao động phổ thông, tiết kiệm hơn 60% chi phí nhân công.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán cơ điện tử trong việc tự động hóa quá trình gia công đai thép xây dựng với những đóng góp nổi bật:

  • Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống cơ khí module hóa gồm cụm nắn thẳng con lăn lệch tâm kép, cụm kéo phôi bánh răng kẹp và cụm cắt thủy lực độ bền cao.
  • Xây dựng thành công thuật toán điều khiển tự động trên nền tảng PLC FX1N-40MT kết hợp màn hình cảm ứng HMI thân thiện, cho phép thiết lập linh hoạt kích thước và góc bẻ từ 0 đến 180 độ.
  • Đạt năng suất vận hành vượt trội từ 18 đến 20 mét/phút với khả năng nắn uốn cùng lúc 2 sợi thép đường kính 6 mm hoặc 8 mm.
  • Đảm bảo độ chính xác gia công cao với sai số chiều dài trong phạm vi ±1 mm và sai lệch góc bẻ chỉ trong mức ±0,5 độ, đáp ứng tiêu chuẩn xây dựng quốc gia.
  • Giảm thiểu đáng kể thời gian thi công và chi phí nhân lực gia công cốt thép cho các dự án xây dựng hạ tầng dân dụng và công nghiệp.

Lộ trình phát triển tiếp theo của nghiên cứu tập trung vào việc hoàn thiện đóng gói sản phẩm thương mại, nâng cấp động cơ Servo và tích hợp công nghệ kết nối điều khiển không dây trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới. Các doanh nghiệp và nhà thầu xây dựng quan tâm đến việc chuyển giao công nghệ hoặc ứng dụng mô hình máy bẻ đai tự động có thể liên hệ bộ môn Cơ điện tử - Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh để hợp tác thử nghiệm và triển khai thực tế.