Trường Đại Học Điện Lực: Nghiên Cứu và Thiết Kế Trạm Cấp Phôi Tự Động

Hệ thống cấp phôi tự động sử dụng PLC biến máy bán tự động thành tự động. 77 trang · Trường Đại Học Điện Lực · 2022.

• Tác giả: Phạm Hồng Hiếu
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trường Giang
• Trường học: Trường Đại Học Điện Lực
• Chuyên ngành: Cơ Khí & Động Lực
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Chế Tạo Trạm Cấp Phôi Tự Động Dạng Phễu Sử Dụng Bộ Điều Khiển PLC
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG
• 1.1. KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG
• 1.2. CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CẤP PHÔI RỜI
• 1.2.1. Cấu tạo chung của hệ thống cấp phôi rời
• 1.2.2. Định hướng phôi rời
• 1.3. ĐƯA RA PHƯƠNG ÁN
• 1.3.1. Phễu cấp phôi kiểu đĩa quay
• 1.3.2. Phễu cấp phôi rung động
• 1.3.3. Lựa chọn phương án
• 1.4. GIỚI THIỆU PHỄU RUNG CÓ MÁNG XOẮN VÍT
• 1.4.1. Phân loại phễu tròn
• 1.4.2. Nguyên lý vận chuyển phôi trên máng xoắn vít
• 1.4.3. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của phễu rung
• 2. CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG
• 2.1. TÍNH TOÁN PHỄU
• 2.1.1. Chọn vật liệu chế tạo phễu
• 2.1.2. Các thông số hình học của phễu
• 2.2. ĐỊNH HƯỚNG PHÔI TRÊN MÁNG XOẮN
• 2.2.1. Giới thiệu về vấn đề định hướng phôi rời
• 2.2.2. Thiết kế cơ cấu định hướng phôi nguyên liệu trên máng xoắn
• 2.3. MÁNG DẪN PHÔI
• 2.3.1. Cấu tạo máng dẫn phôi
• 2.3.2. Tính toán máng dẫn phôi
• 2.4. TÍNH TOÁN CÁC CHÂN
• 2.4.1. Kết cấu của các chân
• 2.4.2. Tính toán các chân
• 2.5. TÍNH TOÁN NAM CHÂM ĐIỆN
• 2.5.1. Chọn số nam châm điện từ sử dụng trong cơ cấu rung
• 2.5.2. Cơ cấu rung điện từ
• 2.5.3. Cơ cấu giảm chấn
• 2.6. MÔ HÌNH 3D PHỄU RUNG
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 3.1. KHÁI QUÁT VỀ PLC
• 3.1.1. Lịch sử hình thành
• 3.1.2. Các loại PLC thông dụng
• 3.1.3. Ngôn ngữ lập trình
• 3.1.4. Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC
• 3.1.5. Ứng dụng PLC
• 3.2. LỰA CHỌN LOẠI PLC S7-1200
• 3.2.1. Phân vùng bộ nhớ
• 3.3. PHẦN MỀM TIA - PORTAL V13
• 3.3.1. Giới thiệu SIMATIC STEP 7 Basic
• 3.3.2. Các bước tạo một project
• 3.3.3. Điều khiển phễu rung
• 3.3.4. Lập bảng địa chỉ ngõ vào và ra của thiết bị
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Trạm Cấp Phôi Tự Động Dùng PLC 2024

Hệ thống cấp phôi tự động sử dụng PLC biến máy bán tự động thành tự động. Cấu trúc đa dạng, phụ thuộc vào phôi, năng suất và cấu trúc máy. Hệ thống này là tổ hợp cơ cấu chấp hành đa chức năng: cấp phôi, định vị, kẹp, chuyển và tháo chi tiết. Mỗi cơ cấu thực hiện một chức năng cụ thể. Ví dụ, cơ cấu ngắt liệu điều chỉnh số phôi chuyển từ máng đến bộ phận cấp phôi, thanh đẩy đẩy phôi, cữ tỳ xác định vị trí, cơ cấu kẹp giữ chặt phôi và cơ cấu tháo phôi đẩy chi tiết đã gia công ra ngoài. Toàn bộ tạo thành hệ thống cấp phôi tự động máy, còn gọi là cơ cấu cấp phôi dạng ổ chứa. Hệ thống dạng dây chuyền tự động có thêm hệ thống vận chuyển phôi giữa các máy. Hệ thống cấp phôi tự động máy là tất cả các chủng loại kết cấu của cơ cấu cấp-tháo thực hiện việc cấp phát tự động vật liệu gia công (phôi rời từng chiếc, phôi thanh, phôi dây, phôi dạng bột).

1.1. Khái Niệm Cơ Bản Về Hệ Thống Cấp Phôi Tự Động

Hệ thống cấp phôi tự động cho phép chuyển máy bán tự động thành máy tự động. Kết cấu của hệ thống cấp phôi tự động rất khác nhau, chúng phụ thuộc vào dạng phôi, năng suất và cấu trúc của máy. Có thể hiểu hệ thống cấp phôi tự động máy là tổ hợp các cơ cấu chấp hành thực hiện nhiều chức năng. Cấp phôi tự động vào vùng gia công; xác định nhanh vị trí của phôi; kẹp, chuyển phôi và tháo chi tiết đã được gia công. Các cơ cấu chấp hành nhìn chung chỉ thực hiện một chức năng nào đó. Ví dụ: Ở cơ cấu cấp phôi dạng ổ chứa (ổ tích), cơ cấu ngắt liệu điều chỉnh số phôi được chuyển từ máng tới bộ phận cấp phôi rồi sau đó chuyển phôi vào vùng gia công, thanh đẩy có nhiệm vụ đẩy phôi, cữ tỳ xác định vị trí của phôi còn cơ cấu kẹp thì kẹp chặt phôi và cơ cấu tháo phôi có nhiệm vụ tháo và đẩy chi tiết khỏi vùng gia công.

1.2. Cấu Tạo Chung Của Hệ Thống Tự Động Cấp Phôi Rời

Hệ thống cấp phôi đầy đủ cần có: phễu chứa phôi, máng dẫn phôi, cơ cấu định hướng phôi, cơ cấu điều chỉnh tốc độ phôi, và cơ cấu bắt-nắm phôi. Mỗi thành phần có chức năng riêng và phải đồng bộ về không gian và thời gian. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng cần đầy đủ các thành phần, tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể. Việc phân chia hệ thống thành các thành phần như trên chỉ mang tính chất tương đối vì người ta có thể kết hợp với một số thành phần trong chúng lại với nhau theo đặc điểm về hình dáng, kích thước của phôi để giảm được kích thước của hệ thống, làm cho việc thiết kế, chế tạo và lắp ráp đơn giản hơn.

II. Thách Thức Giải Pháp Thiết Kế Trạm Cấp Phôi PLC

Trong quá trình tự động cấp phôi rời, định hướng phôi là một vấn đề quan trọng nhất và cũng khó khăn nhất. Hình dáng, kích thước, trọng lượng của phôi quyết định khả năng tự định hướng của nó và quyết định phương pháp định hướng của hệ thống cấp phôi. Những chi tiết đơn giản thường được chia thành 2 loại: Loại phôi có 1 trục đối xứng và Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên. Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên chỉ cần định hướng 1 lần còn những phôi có 1 trục đối xứng thường phải định hướng 2 lần hoặc định hướng kép. Các phương pháp định hướng: Định hướng bằng tay, Định hướng tự động, Định hướng tự lựa.

2.1. Các Phương Pháp Định Hướng Phôi Rời Trong Tự Động Hóa

Trong quá trình tự động cấp phôi rời, định hướng phôi là một vấn đề quan trọng nhất và cũng khó khăn nhất. Hình dáng, kích thước, trọng lượng của phôi quyết định khả năng tự định hướng của nó và quyết định phương pháp định hướng của hệ thống cấp phôi. Những chi tiết đơn giản thường được chia thành 2 loại: Loại phôi có 1 trục đối xứng và Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên. Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên chỉ cần định hướng 1 lần còn những phôi có 1 trục đối xứng thường phải định hướng 2 lần hoặc định hướng kép.

2.2. Lựa Chọn Phương Án Cấp Phôi Tối Ưu Cho Hệ Thống PLC

Phương án dùng phễu cấp phôi dạng rung động là hợp lý nhất vì các lý do sau: Cấp phôi thuộc dạng phôi rời từng chiếc cho một máy tự động. Phễu đơn giản dễ gia công và giá thành để thi công không cao. Dễ dàng trong việc điều tiết phôi. Cấp phôi đáp ứng được năng suất đề ra.

III. Thiết Kế Cơ Khí Trạm Cấp Phôi Tự Động Dùng PLC

Cơ cấu cấp phôi rung động có máng xoắn vít được dùng nhiều trong các lĩnh vực khác nhau như gia công cắt gọt, đóng gói dược phẩm, thực phẩm, lắp ráp…Nó được dùng để cấp phôi rời từng chiếc cho các máy riêng biệt hoặc các máy trên đường dây tự động (dây chuyền tự động). Phễu có chức năng tích trữ, định hướng và vận chuyển phôi đến máng tiếp nhận và nếu một trong các chức năng này không có thì cơ cấu cấp phôi sẽ hoạt động không hiệu quả.

3.1. Phân Loại Phễu Tròn Trong Hệ Thống Cấp Phôi Rung Động

Phễu tròn là phần cơ bản của cơ cấu cấp phôi rung động. Kết cấu của phễu tròn có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của cơ cấu cấp phôi rung động. Phễu tròn được phân loại theo hình dáng và phương pháp chế tạo. Phân loại theo hình dáng Phễu tròn hình trụ có máng xoắn vít nằm bên thành trong: Phễu tròn hình côn có máng xoắn vít nằm bên thành trong: Phễu tổ hợp bao gồm phễu hình côn là ổ tích còn hình trụ và máng xoắn vít ở bên ngoài có chức năng lấy phôi và vận chuyển phôi tới máng tiếp nhận và vùng gia công.

3.2. Nguyên Lý Vận Chuyển Phôi Trên Máng Xoắn Vít

Để nghiên cứu cơ cấu cấp phôi kiểu rung động, người ta xét một hệ cơ cấu 4 khâu bản lề chuyển động lắc trong mặt phẳng nằm ngang hoặc nằm nghiêng được mô tả trên hình 1.7: Xét một vật A có trọng lượng G đặt trên thanh BC trong mặt phẳng nằm ngang (Hình 1. Khi thanh O1B quay sang phải 1 góc ∝ - ∝1 với tốc độ góc là 𝜔 thì vật A cùng với thanh BC chuyển động song phẳng xuống phía dưới. Gọi gia tốc chuyển động lớn nhất trong hành trình này là a, ta có: Fms = m (g-atđ).an

3.3. Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Phễu Rung

Phôi là chi tiết dạng rời rạc được cấp vào phễu. Khi cấp nguồn cho phần cảm từ (6) của nam châm điện, nó sẽ tạo ra dao động kéo phễu đi xuống, nhưng nhờ có lò xo lá nên khi hệ thống dao động cốc phễu vừa chuyển động lên xuống và vừa xoay quanh tâm nó một góc rất nhỏ. Phôi đang nằm hỗn độn trong phễu sẽ tản ra xung quanh thành phễu và bắt đầu tiếp cận với đầu mối của cánh xoắn, phôi sẽ chuyển động theo cánh xoắn từ dưới đáy phễu lên trên theo mặt phẳng nghiêng cho tới khi ra khỏi phễu.

IV. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển PLC Cho Trạm Cấp Phôi

Hệ thống điều khiển PLC đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa trạm cấp phôi. PLC giúp điều khiển các cơ cấu chấp hành như động cơ rung, van khí nén, cảm biến, đảm bảo quá trình cấp phôi diễn ra chính xác và hiệu quả. Việc lựa chọn PLC phù hợp, lập trình logic điều khiển, và tích hợp các thiết bị ngoại vi là những yếu tố then chốt để xây dựng một hệ thống điều khiển PLC ổn định và tin cậy.

4.1. Tổng Quan Về PLC Trong Điều Khiển Tự Động Hóa

PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển logic khả trình, được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp. PLC có khả năng lập trình linh hoạt, dễ dàng thay đổi logic điều khiển, và có độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. PLC được sử dụng để điều khiển các quá trình sản xuất, máy móc, và hệ thống tự động hóa khác.

4.2. Lựa Chọn PLC S7 1200 Cho Trạm Cấp Phôi Tự Động

PLC S7-1200 là một trong những dòng PLC phổ biến của Siemens, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tự động hóa vừa và nhỏ. S7-1200 có nhiều ưu điểm như: kích thước nhỏ gọn, hiệu năng cao, tích hợp nhiều tính năng, và dễ dàng lập trình. Việc lựa chọn S7-1200 cho trạm cấp phôi tự động giúp giảm chi phí đầu tư, đơn giản hóa hệ thống, và đảm bảo hiệu quả hoạt động.

4.3. Lập Trình PLC Điều Khiển Phễu Rung Cấp Phôi

Việc lập trình PLC để điều khiển phễu rung cấp phôi đòi hỏi sự hiểu biết về nguyên lý hoạt động của phễu rung, các cảm biến, và các cơ cấu chấp hành khác. Chương trình PLC cần đảm bảo phễu rung hoạt động ổn định, cấp phôi đúng số lượng, và dừng lại khi có sự cố. Các ngôn ngữ lập trình PLC phổ biến như Ladder Diagram (LAD), Function Block Diagram (FBD), và Structured Text (ST) có thể được sử dụng để lập trình.

V. Kết Quả Nghiên Cứu Ứng Dụng Trạm Cấp Phôi PLC

Nghiên cứu và thiết kế trạm cấp phôi tự động sử dụng PLC mang lại nhiều kết quả tích cực. Hệ thống giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công, và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ứng dụng thực tế của trạm cấp phôi tự động trong các ngành công nghiệp như điện tử, cơ khí, thực phẩm, dược phẩm, và đóng gói cho thấy tiềm năng phát triển mạnh mẽ của công nghệ này.

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Hoạt Động Của Trạm Cấp Phôi Tự Động

Việc đánh giá hiệu quả hoạt động của trạm cấp phôi tự động cần dựa trên các tiêu chí như: năng suất, độ chính xác, độ tin cậy, và chi phí vận hành. Các phương pháp đánh giá có thể bao gồm: đo lường thời gian cấp phôi, đếm số lượng phôi được cấp, kiểm tra chất lượng phôi, và phân tích dữ liệu hoạt động của hệ thống.

5.2. Ứng Dụng Thực Tế Trong Sản Xuất Tự Động Hóa

Trạm cấp phôi tự động được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa, giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công, và nâng cao chất lượng sản phẩm. Ví dụ, trong ngành điện tử, trạm cấp phôi tự động được sử dụng để cấp phôi các linh kiện điện tử cho máy lắp ráp. Trong ngành thực phẩm, trạm cấp phôi tự động được sử dụng để cấp phôi các nguyên liệu cho máy chế biến.

VI. Tương Lai Phát Triển Trạm Cấp Phôi Tự Động PLC

Tương lai của trạm cấp phôi tự động sử dụng PLC hứa hẹn nhiều tiềm năng phát triển. Với sự phát triển của công nghệ Industry 4.0 và IoT, trạm cấp phôi tự động sẽ ngày càng thông minh hơn, linh hoạt hơn, và kết nối hơn. Việc tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo (AI), thị giác máy tính (Computer Vision), và robot cộng tác (Cobot) sẽ giúp trạm cấp phôi tự động hoạt động hiệu quả hơn và đáp ứng được các yêu cầu sản xuất ngày càng khắt khe.

6.1. Xu Hướng Phát Triển Của Công Nghệ Cấp Phôi Tự Động

Các xu hướng phát triển của công nghệ cấp phôi tự động bao gồm: tích hợp AI và thị giác máy tính để nhận diện và phân loại phôi, sử dụng robot cộng tác để cấp phôi linh hoạt, áp dụng IoT để giám sát và điều khiển hệ thống từ xa, và phát triển các hệ thống cấp phôi có khả năng tự học và tự điều chỉnh.

6.2. Tích Hợp IoT Industry 4.0 Vào Hệ Thống Cấp Phôi PLC

Việc tích hợp IoT và Industry 4.0 vào hệ thống cấp phôi PLC giúp thu thập dữ liệu hoạt động của hệ thống, phân tích dữ liệu để tối ưu hóa hiệu suất, và kết nối hệ thống với các hệ thống khác trong nhà máy thông minh. Điều này giúp tăng tính linh hoạt, khả năng đáp ứng, và hiệu quả của hệ thống cấp phôi.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong sản xuất công nghiệp hàng loạt và hàng khối, việc cấp phôi thủ công làm giảm năng suất và tính đồng bộ của dây chuyền. Đồ án này xuất phát từ nhu cầu thực tiễn: thiết kế và chế tạo một trạm cấp phôi tự động dạng phễu nhằm chuyển đổi máy bán tự động thành máy tự động, đồng thời tích hợp bộ điều khiển PLC để điều tiết linh hoạt quá trình vận chuyển phôi.

Nhiệm vụ nghiên cứu:

1. Khảo sát, phân tích các phương án cấp phôi tự động hiện có; lựa chọn phương án phù hợp với loại phôi rời (phôi hình lục giác, 6 trục đối xứng).
2. Tính toán và thiết kế kết cấu cơ khí đầy đủ: phễu rung, máng xoắn vít, cơ cấu định hướng phôi, máng dẫn phôi, hệ thống chân lò xo, nam châm điện và cơ cấu giảm chấn.
3. Xây dựng mô hình 3D của phễu rung cấp phôi.
4. Thiết kế hệ thống điều khiển dùng PLC S7-1200, lập trình trên phần mềm TIA Portal V13.

Đối tượng nghiên cứu: Trạm cấp phôi tự động dạng phễu rung có máng xoắn vít, sử dụng nam châm điện từ làm bộ tạo rung, điều khiển bởi PLC Siemens S7-1200.

Phạm vi: Đồ án giới hạn trong thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình thực tế; phôi được chọn là chi tiết dạng hình lục giác (đường kính lớn nhất 24,5 mm, chiều cao 9,5 mm). Thực hiện tại Khoa Cơ khí & Động lực, Trường Đại học Điện lực, Hà Nội, năm 2022.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng

Đồ án dựa trên lý thuyết cơ học dao động và cơ học máy, cụ thể là mô hình hệ 4 khâu bản lề chuyển động lắc trong mặt phẳng ngang và nghiêng để phân tích nguyên lý di chuyển phôi theo máng xoắn vít. Điều kiện để phôi dịch chuyển tương đối so với máng được xác lập qua so sánh lực ma sát (Fms) và lực quán tính (Fqt) ở hai chiều hành trình.

Các khái niệm kỹ thuật cốt lõi được vận dụng gồm:

• Hệ số cấp phôi định hướng K3 = m/n (m: số trạng thái được chấp nhận; n: tổng số trạng thái trên máng).
• Điều kiện không kẹt phôi trong máng: xác định chiều cao máng H theo công thức liên quan đến đường kính phôi D, chiều dài phôi L và hệ số ma sát μ.
• Nguyên tắc thiết kế cơ cấu giảm chấn: tỷ số tần số dao động cưỡng bức ω và tần số dao động riêng ω_a phải thỏa mãn ω/ω_a ≥ 1,41.
• Lý thuyết nam châm điện xoay chiều: phân tích lực kéo P₀, cảm ứng từ B, tiết diện phần cảm Sc, số vòng dây và công suất tỏa nhiệt.

Phương pháp nghiên cứu

• Phân tích – so sánh – lựa chọn: đánh giá ưu nhược điểm của phương án phễu cấp phôi kiểu đĩa quay và phễu rung động để lựa chọn phương án tối ưu.
• Tính toán lý thuyết: toàn bộ các thông số hình học (đường kính phễu, bước xoắn, chiều rộng cánh xoắn, chiều cao phễu, kích thước máng dẫn, thông số lò xo lá, thông số nam châm điện, cơ cấu giảm chấn) đều được xác định qua công thức giải tích.
• Thiết kế kỹ thuật: xây dựng bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết toàn bộ các cụm chi tiết trên phần mềm CAD 3D.
• Lập trình và mô phỏng điều khiển: lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal V13.

Nguồn dữ liệu

Số liệu tính toán được xác định từ thông số phôi đã cho (d = 24,5 mm, l = 9,5 mm), tiêu chuẩn vật liệu thép CT3, thông số kỹ thuật của PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C, và các quan hệ lực học được trích từ tài liệu chuyên ngành cơ khí tự động hóa.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống cấp phôi tự động

Chương này trình bày khái niệm và phân loại hệ thống cấp phôi tự động, nhấn mạnh rằng kết cấu phụ thuộc vào dạng phôi, năng suất và loại máy. Nhóm tác giả phân tích đặc điểm phôi rời: chi tiết hình lục giác có 6 trục đối xứng, thuộc loại chỉ cần định hướng một lần, sử dụng phương pháp định hướng tự lựa, các chi tiết chuyển động trên máng ở trạng thái nằm.

Hai phương án được so sánh:

Tiêu chí	Phễu đĩa quay	Phễu rung động
Năng suất	Thấp	Cao
Kết cấu	Đơn giản	Đơn giản
Điều tiết phôi	Kém linh hoạt	Dễ điều tiết
Tiếng ồn/rung	Êm	Có rung, ồn
Giá thành thi công	Cao	Thấp

Lựa chọn: phễu rung động vì đáp ứng năng suất, dễ điều tiết, giá thành thi công thấp và phù hợp với phôi rời từng chiếc. Chương cũng trình bày nguyên lý di chuyển phôi trên máng xoắn vít dựa trên mô hình cơ học 4 khâu bản lề, phân tích điều kiện để phôi dịch chuyển tương đối trong cả mặt phẳng nằm ngang lẫn mặt phẳng nghiêng góc β.

Chương 2: Thiết kế kết cấu cơ khí của hệ thống cấp phôi tự động

Đây là chương trọng tâm, gồm toàn bộ tính toán thiết kế các cụm cơ khí:

Phễu rung: Vật liệu thép CT3 (σ_b = 410–430 MN/m²). Phễu hình trụ, đường kính D = 400 mm, chiều dày thành 2 mm. Góc nâng tối ưu θ = 1,5°, bước xoắn t = 32,9 mm, chiều rộng cánh xoắn B = 27 mm. Dung lượng phễu E = 240 chi tiết (đủ cho 4 giờ làm việc), xếp thành 6 lớp, mỗi lớp 40 chi tiết, chiều cao phễu H = 71,25 mm. Khối lượng phễu Mp = 11,062 kg.

Định hướng phôi trên máng xoắn: Phôi có 3 trạng thái (A, B, C) khi di chuyển trên máng; chỉ trạng thái B được chấp nhận. Kích thước cơ cấu định hướng tại vị trí 1: L = 10 mm; tại vị trí 2: H = 12 mm, L1 = 6 mm. Phôi sai trạng thái bị rơi ngược về phễu.

Máng dẫn phôi: Dạng chữ nhật (phù hợp phôi trụ 2 trục đối xứng). Máng được đặt nghiêng 30° để phôi trượt không bị kẹt. Chiều cao máng H = 25 mm (thỏa mãn điều kiện 24,5 mm ≤ H ≤ 25,35 mm).

Lò xo lá (chân phễu): Vật liệu thép đàn hồi hàm lượng carbon 0,55–0,65%. Sử dụng 4 lò xo lá giống nhau, b = 25 mm, L = 200 mm. Tần số dao động riêng ω₀ = 320 rad/s, độ cứng tổng c = 1.639 N/mm (mỗi lò xo c₁ = 410 N/mm), tổng khối lượng phía trên lò xo m = 16 kg.

Nam châm điện: Sử dụng 1 nam châm điện đặt tại đường tâm phễu (phù hợp với phễu có đường kính < 0,4 m). Tần số 50 Hz, lực kích H = 320 N, hiệu điện thế U = 220 V, cảm ứng từ B = 10.000 Gauss. Tiết diện phần cảm Sc = 12,5 cm², chiều dày phần cảm trung tâm b = 4 cm, số vòng dây ξ = 793 vòng, đường kính dây d = 1,2 mm, dòng điện I = 1,94 A.

Cơ cấu giảm chấn: Sử dụng giảm chấn cao su (chống rung tốt hơn, kết cấu đơn giản hơn lò xo). Tần số dao động riêng của giảm chấn ω_a ≤ 222,7 rad/s. Kích thước giảm chấn: chiều cao h = 30 mm, đường kính D = 44 mm.

Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương trình bày tổng quan về PLC (lịch sử hình thành từ ý tưởng của Richard Morley năm 1968, chuẩn ngôn ngữ lập trình IEC 61131-3 gồm IL, ST, LD, FBD, SFC), sau đó tập trung vào lựa chọn và cấu hình PLC S7-1200 CPU 1214C.

CPU 1214C được chọn với các thông số: 14 đầu vào số / 10 đầu ra số, 2 đầu vào tương tự / 2 đầu ra tương tự, Work memory 75 Kbytes, Load memory 4 Mbyte, tốc độ thực thi phép toán thực 2,3 µs/lệnh, tốc độ thực thi logic 0,2 µs/lệnh, 1 cổng PROFINET Ethernet. Phần mềm lập trình: TIA Portal V13 (SIMATIC STEP 7 Basic), hỗ trợ ngôn ngữ FBD, LAD và SCL.

Chương cung cấp bảng địa chỉ đầu vào/đầu ra của thiết bị (Bảng 3.8), sơ đồ đấu dây CPU 1214C theo ba biến thể (AC/DC/Relay; DC/DC/Relay; DC/DC/DC) và các bước tạo project mới trên TIA Portal V13.

Chương 4: Kết quả đạt được

Chương trình bày mô hình thực tế của trạm cấp phôi tự động đã chế tạo, kèm hệ thống bản vẽ kỹ thuật đầy đủ: bản vẽ lắp phễu rung, bản vẽ đế dưới, đế trên, đế xi lanh, trụ xi lanh, thân xi lanh, giá đỡ dưới, giá đỡ trên, ổ tích, phễu, thanh nối, lõi thép và thanh chữ E.

---

Thiết kế và triển khai

Kiến trúc hệ thống

Hệ thống gồm hai phân hệ liên kết chặt chẽ:

• Phân hệ cơ khí: Phễu rung hình trụ (D = 400 mm) → cánh xoắn vít (bước 32,9 mm, góc nâng 1,5°) → cơ cấu định hướng phôi 2 vị trí → máng dẫn phôi chữ nhật (nghiêng 30°) → băng tải nhận phôi. Phôi vận chuyển nhờ dao động kết hợp giữa chuyển động lên-xuống và xoay quanh tâm phễu một góc nhỏ, tạo ra bởi nam châm điện xoay chiều và lò xo lá đàn hồi.

• Phân hệ điều khiển: PLC S7-1200 CPU 1214C nhận tín hiệu từ cảm biến, xử lý theo chương trình viết trên TIA Portal V13, xuất lệnh điều khiển nam châm điện (kích hoạt/dừng phễu rung). Bảng địa chỉ I/O được lập theo Bảng 3.8 trong đồ án.

Công nghệ sử dụng

• PLC: Siemens S7-1200 CPU 1214C (AC/DC/Relay)
• Phần mềm lập trình: TIA Portal V13 (SIMATIC STEP 7 Basic)
• Ngôn ngữ lập trình: LAD (Ladder Diagram), FBD, SCL
• Truyền thông: PROFINET Ethernet (1 cổng tích hợp trên CPU)
• Vật liệu kết cấu: Thép CT3 cho phễu, cánh xoắn, đế và máng dẫn; thép đàn hồi 0,55–0,65% carbon cho lò xo lá; cao su cho giảm chấn

Thiết kế kết cấu nổi bật

Điểm thiết kế đáng chú ý là cơ cấu định hướng phôi 2 tầng trên máng xoắn: tầng 1 loại phôi trạng thái A (không đúng), tầng 2 loại phôi trạng thái C (không đúng), chỉ để trạng thái B (nằm ngang, đúng định hướng) tiếp tục xuống băng tải. Phôi bị loại được hồi về phễu theo nguyên tắc tự lựa. Đáy phễu có hình côn ngược 170° giúp phôi khi đổ vào sẽ tự lăn ra thành và tiếp cận cánh xoắn.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

• Hoàn thành thiết kế và chế tạo mô hình thực tế trạm cấp phôi tự động dạng phễu rung với đầy đủ hệ thống bản vẽ kỹ thuật (15 bản vẽ chi tiết và 1 bản vẽ lắp).
• Phễu có năng suất thiết kế: Qp ≥ 1,3 Qm (tức là đảm bảo cấp phôi liên tục vượt 30% năng suất máy), dung lượng tích trữ 240 chi tiết (tương đương 4 giờ làm việc không cần nạp thêm phôi).
• Cơ cấu định hướng phôi đạt K3 = 1/3, đảm bảo chỉ trạng thái đúng mới ra máng tiếp nhận.
• Nam châm điện thiết kế: Sc = 12,5 cm², 793 vòng dây, d = 1,2 mm, I = 1,94 A, điện trở cuộn dây Ra = 3,7 Ω.
• Giảm chấn cao su: h = 30 mm, D = 44 mm, đảm bảo ω/ω_a ≥ 1,41.
• Hệ thống điều khiển PLC S7-1200 CPU 1214C lập trình hoàn chỉnh trên TIA Portal V13.

Đóng góp so với nghiên cứu trước

Đồ án không tuyên bố đóng góp học thuật mới so với nghiên cứu trước. Đây là công trình tổng hợp lý thuyết cơ học máy, cơ học dao động và kỹ thuật điều khiển PLC vào một hệ thống hoàn chỉnh có thể chế tạo thực tế, có giá trị ứng dụng trong các xưởng sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Văn bản không nêu rõ mục hạn chế và hướng mở riêng biệt. Dựa trên phạm vi đồ án, một số giới hạn tự nhiên có thể nhận thấy:

• Thiết kế tối ưu cho một loại phôi cụ thể (lục giác, d = 24,5 mm, h = 9,5 mm); khi thay đổi loại phôi cần tính toán lại toàn bộ thông số máng xoắn và cơ cấu định hướng.
• Hệ thống sử dụng 1 nam châm điện (phù hợp phễu D < 0,4 m), chưa đề cập phương án mở rộng cho phễu lớn hơn với 4 nam châm.
• Chương trình PLC được trình bày ở mức cấu hình và địa chỉ I/O, chưa mô tả chi tiết thuật toán điều khiển vòng kín hay tích hợp cảm biến mức phôi.
• Hướng tiếp theo có thể bao gồm: tích hợp cảm biến mức phôi để tự động điều chỉnh tốc độ rung, mở rộng hệ thống thành dây chuyền nhiều trạm, hoặc thay nam châm điện bằng động cơ servo để điều chỉnh biên độ dao động chính xác hơn.

---

Giá trị tham khảo

Đồ án có giá trị tham khảo thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

• Sinh viên ngành Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động hóa đang thực hiện đồ án thiết kế hệ thống cấp phôi, đặc biệt phần tính toán thông số hình học phễu rung (bước xoắn, chiều rộng cánh xoắn, dung lượng phễu) và thiết kế cơ cấu định hướng phôi tự lựa.
• Sinh viên ngành Điện – Điều khiển tự động có thể tham khảo quy trình lựa chọn, cấu hình và lập trình PLC S7-1200 trên TIA Portal V13 cho ứng dụng điều khiển thiết bị rung.
• Kỹ sư cơ khí tự động hóa trong các xưởng sản xuất hàng loạt cần thiết kế trạm cấp phôi rời có thể tham chiếu các công thức tính lò xo lá, nam châm điện và cơ cấu giảm chấn được trình bày đầy đủ.
• Phần đáng tham khảo nhất: Chương 2 (tính toán cơ khí đầy đủ với số liệu cụ thể) và Bảng 3.2 (so sánh thông số kỹ thuật các dòng CPU S7-1200).

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài chọn phễu rung động thay vì phễu đĩa quay? Phễu đĩa quay có giá thành cao và năng suất thấp. Phễu rung động được lựa chọn vì năng suất cao, không gây kẹt phôi, dễ điều tiết tốc độ cấp phôi và có giá thành thi công thấp hơn, phù hợp với phôi rời từng chiếc là chi tiết hình lục giác.

2. Tại sao chỉ dùng 1 nam châm điện thay vì 3 hoặc 4 nam châm? Theo kết quả nghiên cứu thực nghiệm được trích dẫn trong đồ án, cơ cấu 1 nam châm phù hợp với phễu nhỏ có đường kính nhỏ hơn 0,4 m để cấp phôi nhỏ và nhẹ. Phễu thiết kế có D = 400 mm nằm đúng ngưỡng này, nên 1 nam châm đặt tại đường tâm phễu là đủ.

3. Chiều cao máng dẫn phôi H = 25 mm được xác định như thế nào? Dựa trên điều kiện không kẹt phôi: đường kính phôi D = 24,5 mm, chiều dài phôi L = 10 mm (kích thước máng tại vị trí định hướng 1), hệ số ma sát μ = 0,3 (máng thép), khe hở tối thiểu Δ_min = 1 mm. Áp dụng công thức H_max = √(L² + D²) / √(1 + μ²) = 25,35 mm. Vậy 24,5 mm ≤ H ≤ 25,35 mm, chọn H = 25 mm.

4. Phôi hình lục giác cần định hướng bao nhiêu lần và theo phương pháp nào? Phôi hình lục giác có 6 trục đối xứng, thuộc loại phôi có từ 2 trục đối xứng trở lên, nên chỉ cần định hướng 1 lần. Phương pháp được sử dụng là định hướng tự lựa: cơ cấu 2 vị trí trên máng xoắn loại phôi sai trạng thái (A và C) để chúng rơi ngược về phễu, chỉ giữ lại trạng thái B (nằm ngang đúng chiều) tiếp tục xuống băng tải.

5. PLC S7-1200 CPU 1214C được lập trình bằng phần mềm và ngôn ngữ nào? Phần mềm lập trình là TIA Portal V13 (còn gọi là SIMATIC STEP 7 Basic), tích hợp trong bộ phần mềm TIA Portal của Siemens. CPU 1214C hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình: FBD (Function Block Diagram), LAD (Ladder Diagram) và SCL. Ngoài lập trình, phần mềm cũng được dùng để cấu hình phần cứng, thiết lập địa chỉ I/O và giám sát vận hành.

---

Kết luận

Đồ án trình bày đầy đủ quy trình từ phân tích phương án, tính toán kết cấu cơ khí đến thiết kế hệ thống điều khiển cho một trạm cấp phôi tự động dạng phễu rung sử dụng PLC S7-1200. Toàn bộ thông số thiết kế được xác định qua tính toán lý thuyết có căn cứ, từ kích thước phễu và cánh xoắn đến thông số nam châm điện, lò xo lá và giảm chấn cao su. Hệ thống điều khiển được lập trình trên TIA Portal V13 và tích hợp với mô hình vật lý đã chế tạo. Đồ án có giá trị thực hành cao cho sinh viên ngành Cơ khí và Tự động hóa trong việc nắm bắt phương pháp tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi rung động cũng như kỹ năng lập trình PLC Siemens cho ứng dụng công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 1.1 KHÁI NIỆM VỀ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG Hệ thống cấp phôi tự động cho phép chuyển máy bán tự động thành máy tự động. Kết cấu của hệ thống cấp phôi tự động rất khác nhau, chúng phụ thuộc vào dạng phôi, năng suất và cấu trúc của máy. Có thể hiểu hệ thống cấp phôi tự động máy là tổ hợp các cơ cấu chấp hành thực hiện nhiều chức năng. Cấp phôi tự động vào vùng gia công; xác định nhanh vị trí của phôi; kẹp, chuyển phôi và tháo chi tiết đã được gia công.

Các cơ cấu chấp hành nhìn chung chỉ thực hiện một chức năng nào đó. Ví dụ: Ở cơ cấu cấp phôi dạng ổ chứa (ổ tích), cơ cấu ngắt liệu điều chỉnh số phôi được chuyển từ máng tới bộ phận cấp phôi rồi sau đó chuyển phôi vào vùng gia công, thanh đẩy có nhiệm vụ đẩy phôi, cữ tỳ xác định vị trí của phôi còn cơ cấu kẹp thì kẹp chặt phôi và cơ cấu tháo phôi có nhiệm vụ tháo và đẩy chi tiết khỏi vùng gia công. Toàn bộ các cơ cấu chấp hành nói trên tạo thành hệ thống cấp phôi tự động máy hay còn gọi là cơ cấu cấp phôi dạng ổ chứa. Hệ thống cấp phôi dạng dây chuyền tự động được trang bị thêm các hệ thống vận chuyển phôi từ máy này sang máy khác.

Hệ thống cấp phôi tự động máy cần được hiểu là tất cả các chủng loại kết cấu của cơ cấu cấp-tháo thực hiện việc cấp phát tự động vật liệu gia công (phôi rời từng chiếc, phôi thanh, phôi dây, phôi dạng bột. Các tên gọi khác của hệ thống cấp phôi tự động chỉ dùng để chỉ chức năng cụ thể. Ví dụ, tên gọi “cơ cấu định hướng dạng phễu” chỉ tính đặc thù của công việc, còn tên gọi “cơ cấu cấp phôi rung động” chỉ đặc thù định hướng chuyển động của phôi dưới tác động của rung động phễu chứa. Nguyên lý làm việc và kết cấu của hệ thống cấp phôi tự động phụ thuộc vào dạng phôi gia công, năng suất và loại máy.

Vị trí lắp đặt hệ thống cấp phôi tự động phụ thuộc vào vùng làm việc của máy hoặc của đường dây và yêu cầu nhân chủng học đối với điều kiện làm việc thuận lợi của cơ cấu. Những yêu cầu chủ yếu đối với hệ thống cấp phôi tự động phôi rời là:  Kết cấu đơn giản.  An toàn khi làm việc.  Hệ số cấp phôi cao (xác suất cấp được phôi vào vị trí đạt giá trị cao)  Có khả năng tích được đủ số lượng phôi trong phễu chứa.

 Cấp và tháo phôi thuận tiện.  Bảo đảm tác dụng nhanh của hành trình chạy không và hành trình làm việc.2 CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CẤP PHÔI RỜI 1.1 Phôi rời Phôi rời là loại phôi sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất hàng loạt và hàng khối, là loại phôi đa dạng về hình dáng, phong phú về chủng loại và kích thước. Vì vậy, việc phân loại phôi rời có ý nghĩa rất lớn trong lựa chọn các cơ cấu cấp phôi. Thông thường, phôi rời được phân loại theo hình dáng.

Trong một số trường hợp dựa vào các tính chất khác của phôi để phân loại.