Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế chế tạo hệ thống cấp và gắp phôi tự động

Tài liệu nghiên cứu Thiết kế chế tạo hệ thống cấp và gắp phôi tự động, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Phạm Đỗ Hoàng Khải
• Người hướng dẫn: Th.S Lê Hồng Hiệu
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kĩ thuật Cơ khí
• Đề tài: Thiết kế chế tạo hệ thống cấp và gắp phôi tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cấp và gắp phôi tự động

Hệ thống cấp và gắp phôi tự động là một giải pháp công nghệ hiện đại nhằm thay thế lao động thủ công trong các dây chuyền sản xuất. Đây là đồ án tốt nghiệp quan trọng trong ngành Kỹ thuật cơ khí, được phát triển tại Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh. Hệ thống này kết hợp các cơ cấu cấp phôi và tay gắp phôi để tự động hóa quy trình cấp nguyên liệu. Việc áp dụng thiết kế hệ thống cấp phôi tự động giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công và cải thiện chất lượng sản phẩm. Dự án này đánh dấu bước tiến quan trọng trong công nghệ tự động hóa sản xuất tại các nhà máy và xí nghiệp hiện đại.

1.1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Thiết kế và chế tạo hệ thống cấp phôi mang lại nhiều giá trị thực tiễn cho ngành công nghiệp. Hệ thống tự động hóa này giúp nâng cao hiệu suất lao động, giảm chi phí sản xuất và hạn chế sai sót con người. Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, việc áp dụng cơ cấu gắp phôi tự động là xu hướng tất yếu, giúp các doanh nghiệp cạnh tranh trên thị trường toàn cầu và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

1.2. Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu

Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế toàn bộ hệ thống cấp phôi với các khâu chính bao gồm phễu cấp phôi, cơ cấu nâng, tay gắp phôi và băng tải. Đối tượng nghiên cứu tập trung vào phôi rời - các chi tiết nhỏ cần được cấp và gắp tự động. Hệ thống được thiết kế để hoạt động liên tục với độ tin cậy cao và khả năng thích ứng với các loại phôi khác nhau.

II. Các phương án thiết kế phễu cấp phôi

Trong quy trình thiết kế hệ thống cấp phôi, có nhiều phương án phễu cấp phôi khác nhau được nghiên cứu và so sánh. Mỗi phương án thiết kế có những ưu nhược điểm riêng tùy thuộc vào loại phôi, hình dạng và yêu cầu công suất. Các phương án chính bao gồm phễu cấp phôi kiểu giá nâng, phễu định hướng bằng khe và rãnh, phễu ống quay, phễu ống hai nửa, phễu đĩa quay và phễu rung động. Việc lựa chọn phương án thiết kế cần dựa trên phân tích kỹ lưỡng các thông số kỹ thuật, chi phí và hiệu suất làm việc. Đội thiết kế đã tiến hành so sánh toàn diện để chọn ra phương án tối ưu nhất.

2.1. Phễu cấp phôi kiểu giá nâng

Phễu cấp phôi kiểu giá nâng là một trong những phương án phổ biến nhất. Cơ cấu này sử dụng giá nâng để đẩy phôi lên và định hướng chúng. Ưu điểm của phường phôi kiểu này là cấu tạo đơn giản, dễ bảo trì và có khả năng xử lý nhiều loại phôi. Tuy nhiên, nó yêu cầu không gian lớn và tiêu tốn năng lượng khá nhiều trong quá trình hoạt động.

2.2. Các phương án phễu khác

Các phương án thiết kế phôi khác bao gồm phễu rung động, phễu ống quay và phễu đĩa quay. Phễu rung động sử dụng chuyển động rung để cấp phôi, phù hợp với phôi nhỏ và khối lượng nhẹ. Phễu ống quay và đĩa quay hoạt động dựa trên nguyên lý quay, thích hợp cho phôi hình trụ hoặc đối xứng. Mỗi phương án cần được đánh giá kỹ lưỡng theo tiêu chí hiệu suất và chi phí.

III. Thiết kế cơ cấu tay gắp phôi tự động

Tay gắp phôi tự động là thành phần then chốt trong hệ thống gắp phôi. Cơ cấu này được thiết kế để bắt và di chuyển phôi từ vị trí cấp đến vị trí lắp ráp. Thiết kế cấu trúc tay gắp bao gồm các khâu liên kết, xi lanh khí nén và nam châm điện. Việc tính toán lực gắp và hành trình chuyển động phải đảm bảo không làm hư hại phôi nhưng vẫn bắt chắc chắn. Hệ thống được thiết kế để hoạt động liên tục với tần số cao, từ đó nâng cao năng suất hệ thống cấp phôi. Mô hình 3D cơ cấu tay gắp được xây dựng để mô phỏng và kiểm nghiệm trước khi chế tạo thực tế.

3.1. Nguyên lý hoạt động tay gắp

Quy trình hoạt động của tay gắp phôi bao gồm các bước: tiếp cận phôi, bắt giữ bằng xi lanh hoặc nam châm, nâng và di chuyển đến vị trí đích, sau đó thả phôi. Xi lanh khí nén cung cấp lực cấp để bắt giữ phôi một cách an toàn. Nam châm điện được sử dụng cho các phôi sắt từ. Hành trình chuyển động được điều khiển chính xác để đảm bảo hiệu suất cao nhất.

3.2. Tính toán và thiết kế chi tiết

Tính toán lực cấp cho tay gắp phôi dựa trên khối lượng và hình dạng phôi. Thiết kế các khâu cơ cấu phải đảm bảo độ cứng và độ bền cần thiết. Mô phỏng chuyển động được thực hiện bằng phần mềm CAD để kiểm tra khả năng thi công và hiệu suất. Các thông số như kích thước khâu, góc quay và tốc độ phải được tối ưu hóa.

IV. Hệ thống điều khiển PLC và kết quả thực hiện

Hệ thống điều khiển PLC là bộ não của máy cấp và gắp phôi tự động. PLC FBs-24MC được lựa chọn làm bộ xử lý trung tâm để điều khiển toàn bộ các khâu máy. Hệ thống gồm các khối: khối cảm biến phát hiện phôi, khối điều khiển động cơ bước, khối điều khiển xi lanh khí nén, khối điều khiển động cơ DC băng tải. Chương trình điều khiển PLC được viết với logic rõ ràng, bao gồm các mạch duy trì, mạch điều khiển động cơ và mạch điều khiển van điện từ. Sơ đồ kết nối toàn hệ thống đảm bảo các thành phần làm việc đồng bộ và an toàn. Sau khi thi công, máy đạt được năng suất vượt quá dự kiến ban đầu, chứng minh tính hiệu quả của thiết kế.

4.1. Kiến trúc hệ thống điều khiển

Sơ đồ khối hệ thống được chia thành các khối chức năng độc lập nhưng liên kết chặt chẽ. PLC FBs-24MC nhận tín hiệu từ các cảm biến E3F-DS30C4 để phát hiện sự có mặt của phôi. Các mạch công suất giao tếp chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành lực điều khiển động cơ và van điện từ. Nguồn tổ ông cung cấp điện áp ổn định cho toàn hệ thống, đảm bảo độ tin cậy hoạt động.

4.2. Kết quả và đánh giá hiệu suất

Kết quả thực hiện đồ án cho thấy máy hoạt động ổn định với công suất đạt số lượng thùng dán vượt kỳ vọng. Mục tiêu thiết kế toàn bộ hệ thống đã được thực现 thành công, với các khâu máy được gia công chính xác và lắp ráp chặt chẽ. Hiệu suất làm việc của máy được đánh giá thông qua các chỉ số tốc độ và sản lượng, tất cả đều vượt quá dự kiến ban đầu.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, các hệ thống sản xuất trong các ngành công nghiệp như: sản xuất phân bón, vật liệu xây dựng, thực phẩm…v…v. Quá trình sản xuất các sản phẩm trên máy cắt kim loại, các máy gia công bằng áp lực như: cán, uốn, dập, đột…v…v, các quá trình công nghệ lắp ráp sản phẩm cơ khí hay kiểm tra, đều phát triển theo xu hướng tự động hóa ngày càng cao. Để đảm bảo được quá trình sản xuất ổn định thì nhất thiết phải có quá trình cung cấp phôi chính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp (cấp đúng lúc) và liên tục theo chu trình hoạt động của máy một cách tin cậy. Vì thế quá trình cấp phôi là một trong những yêu cầu cần thiết phải được cải tạo và giải quyết trong hệ thống sản xuất tự động nhằm mục đích nâng cao năng suất lao động cũng như vận hành các máy móc, thiết bị một cách có hiệu quả nhất và chất lượng sản phẩm ngày càng được nâng cao.

Trong thực tế hiện nay của các ngành sản xuất nói chung, người ta đang sử dụng rộng rãi các hệ thống cấp phôi bằng cơ khí, phối hợp cơ khí- điện, cơ khí – khí nén. Với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực điều khiển tự động và robot đã cho phép đưa vào các tay máy, người máy làm việc theo chương trình và dễ dàng thay đổi được chương trình một cách linh hoạt thích ứng với kiểu phôi liệu khác nhau khi cần thay đổi các sản phẩm. Đây là một trong những tính chất rất quan trọng mà nhờ nó có thể áp dụng công nghệ tiên tiến vào trong quá trình sản xuất hàng loạt. Có thể thấy rằng, việc nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động có tính bao hàm nhiều lĩnh vực và liên quan đến nhiều ngành công nghiệp khác nhau.

Ngày nay, việc sử dụng các dây chuyền, hệ thống để chế tạo sản phẩm không còn là điều mới mẻ đối với các quốc gia đang phát triển trên thế giới. Đối với các nước có nền công nghiệp phát triển thì các hệ thống gia công này được đầu tư thiết kế, trang bị đầy đủ và vô cùng hiện đại, có các kết cấu cơ khí rất chính xác, các robot trong dây chuyền hết 2 sức linh hoạt. Đặc biệt, công việc điều khiển dây chuyền rất đơn giản, dễ dàng, thuận tiện cho người sử dụng và có thể dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển hoạt động của dây chuyền để chế tạo các chi tiết máy, các sản phẩm khác theo yêu cầu thực tế của thị trường. Quy trình hoạt động của hệ thống là một chu trình liên tục khép kín, từ nguyên công cấp phôi cho đến nguyên công đóng gói sản phẩm đưa vào kho dự trữ hay đưa ra thị trường đều được tự động hóa.

Với Việt Nam là một quốc gia có nền công nghiệp đang phát triển, đang cố gắng học hỏi, tiếp cận, kế thừa các công nghệ cao của thế giới. Hiện tại, ở nước ta các máy gia công chính xác như NC, CNC…đang dần dần được các công ty, các trung tâm gia công đưa vào để thay thế các máy gia công truyền thống. Do điều kiện kinh tế, cơ sở vật chất, trình độ con người còn thấp nên các dây chuyền sản xuất tự động công nghệ cao, các dây chuyền gia công tích hợp CIM chưa được sử dụng rộng rãi. Vì vậy chúng còn tương đối mới mẻ, xa lạ đối với sinh viên, cán bộ kỹ thuật tại các trung tâm gia công, các công ty chế tạo.

Do vậy việc tính toán, thiết kế và từng bước chế tạo mô hình cấp phôi tự là rất cần thiết. [1] Cấp phôi tự động hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng, nhưng cấp phôi tự động bằng phương pháp giá nâng là một phương pháp phổ biến, áp dụng cho nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau và mang lại hiệu quả cao. Cấp phôi tự động sử dụng phương pháp giá nâng trên thế giới và trong nước đã có nhiều đề tài nghiên cứu cho nhiều lĩnh vực khác nhau như: • Dana R.berkowitz-University of California, Designing Part Feeders Using Dynamic Simulation. Đây là công trình nghiên cứu về phễu rung dựa vào việc mô phỏng động năng của chi tiết trong phễu nhằm mục đích khắc phục những nhược điểm của các thiết kế mới.

[2] Tuy nhiên, những nghiên cứu trên chưa áp dụng cho các lĩnh vực cấp phôi tự động cho gia công cắt gọt cơ khí. Trong gia công cắt gọt cơ khí, phôi rời chiếm số lượng lớn nhất và cũng đa dạng nhất, các chi tiết dạng rời, nhỏ và có hình dạng đơn giản như: bulông, đai ốc, chốt trụ, côn, 3 bánh răng loại nhỏ, bạc trụ, các loại trục nhỏ có bậc hoặc trơn…vv, các chi tiết này thường có số lượng rất nhiều. Mặt khác các chi tiết tiêu chuẩn đó có khối lượng gia công không nhiều. Tỷ lệ thời gian cấp phôi và thời gian cơ bản cao.

Vì vậy thiết kế chế tạo hệ thống cấp phôi một cách hoàn chỉnh sẽ tăng năng suất đáng kể. Dưới sự giúp đỡ của thầy Lê Hồng Hiệu, tác giả chọn lĩnh vực này để làm cơ sở nghiên cứu và thực hiện đề tài “Tính toán, thiết kế và mô phỏng hệ thống gắp phôi tự động sử dụng kiểu giá nâng”. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu, tính toán, thiết kế ra một hệ thống cấp phôi tự động là việc làm rất cần thiết đối với đội ngũ cán bộ kĩ thuật, đặc biệt là đối với đội ngũ cán bộ kĩ thuật chuyên ngành chế tạo máy. Chế tạo được một hệ thống cấp phôi tự động trong nước mang lại rất nhiều lợi ích.

Đặc biệt là về mặt kinh tế vì giá thành rẻ hơn rất nhiều so với thiết bị ngoại nhập nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu sản xuất. Điều đó cũng khẳng định được trình độ kĩ thuật công nghệ của chúng ta đang và sẽ theo kịp với thế giới. MỤC TIÊU VÀ ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 1. Mục tiêu Ứng dụng tự động hóa để thực hiện nhiệm vụ cấp phôi tự động trong hệ thống sản xuất, góp phần nâng cao năng suất sản xuất, đảm bảo độ chính xác, giảm thời gian chết trong quá trình vận hành, đồng thời giải phóng cho con người trong các công việc nhàm chán, trong công việc nặng nhọc, giúp tiết kiệm nguồn nhân lực.

Đối tượng nghiên cứu Các đặc trưng cơ bản của hệ thống cấp và gắp phôi tự đông. Nghiên cứu các thiết bị cơ bản của hệ thống tự động bao gồm: cơ cấu chấp hành, các thiết bị điều khiển… 1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tham khảo các công trình nghiên cứu về cấp và gắp phôi tự động đã có để nắm được tình hình, thực trạng. Tham khảo tài liệu từ sách, internet, các đồ án có liên quan.

4 Đi từ ý tưởng đến thiết kế để cho ra thành phẩm cuối cùng nhằm tránh những sai sót không mong muốn. GIỚI HẠN ĐỀ TÀI Trong sản xuất cơ khí phôi rời chiếm số lượng lớn. Các loại phôi rời có kích thước rất đa dạng và phong phú. Do vậy, giới hạn của đề tài chỉ tính toán, thiết kế hệ thống cấp phôi cho chi tiết dạng trụ trơn có l ≥ d và có khối lượng không lớn hơn 0,5 kg.

Đồng thời cũng có nhiều phương pháp cấp phôi tự động nhưng trong đề tài này, tác giả chỉ tập trung vào nghiên cứu và thiết kế hệ thống cấp phôi tự động bằng phương pháp giá nâng. Bên cạnh đó, nhóm sẽ hoàn thiện bản vẽ thiết kế 3D, mô phỏng quá trình động, phân tích lực, tính sức bền thông qua phần mềm Solidworks. 5 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 2. 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. Một số loại phôi rời mà chúng ta thường gặp trong thực tế sản xuất là: • Chi tiết hình trụ có chiều dài lớn hơn đường kính (L > D) có 2 dạng sau: - Dạng chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc nhau Hình 2.

1: Phôi đối xứng. - Dạng chi tiết có 1 trục đối xứng Hình 2. 2: Phôi có 1 trục đối xứng. 6 • Chi tiết hình trụ có chiều dài gần bằng đường kính L D / (L=D 20%)) là chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc.

3: Phôi hình trụ. • Chi tiết có chiều dài nhỏ hơn đường kính 𝑳 ≤ 𝑫(𝑳 = 𝟎. 𝟖𝑫) cũng là chi tiết có hai trục đối xứng vuông góc nhau Hình 2. 4: Phôi đối xứng vuông góc.

• Chi tiết hình trụ có mũ là dạng chi tiết có một trục đối xứng Hình 2. 5: Phôi đối xứng có mũ. • Ngoài ra, còn có các chi tiết dạng đĩa, bulông, vít, ốc…. CẤU TẠO CHUNG CỦA HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG CẤP PHÔI RỜI Hệ thống cấp phôi đầy đủ cần phải có các thành phần sau đây: • Phễu chứa phôi hoặc ổ chứa phôi • Máng dẫn phôi • Cơ cấu định hướng phôi 7 • Cơ cấu điều chỉnh tốc độ phôi • Cơ cấu bắt – nắm phôi khi gá đặt và tháo chi tiết sau khi gia công.

Mỗi thành phần trong hệ thống có một chức năng và nhiệm vụ nhất định và phải được bố trí đồng bộ với nhau trong một thể thống nhất về không gian và thời gian. Tuy vậy cũng phải thấy rằng không nhất thiết lúc nào cũng phải có đầy đủ các thành phần của nó mà tùy thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà chỉ cần một trong số chúng. 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. ĐỊNH HƯỚNG PHÔI RỜI 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. • Loại phôi có 2 trục đối xứng trở lên.