Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong xu thế tự động hóa quy trình sản xuất công nghiệp, việc tối ưu hóa các công đoạn trung gian như vận chuyển phôi, bán thành phẩm và thành phẩm giữa các trạm gia công đóng vai trò quan trọng nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhân công trực tiếp, gia tăng năng suất và bảo đảm tính ổn định của dây chuyền. Tại nhà máy sản xuất của Công ty Yazaki – đơn vị chuyên sản xuất các bộ dây dẫn điện (wire harness) dùng trên ô tô cho các hãng xe như Toyota, Mazda, Suzuki, Mitsubishi – các công đoạn sản xuất được chia thành nhiều khu vực với các cụm trạm làm việc chuyên biệt để công nhân thao tác quấn băng keo, gắn chốt kẹp (clip) và kiểm tra kỹ thuật.
Tại thời điểm khảo sát, khâu vận chuyển các cụm dây điện giữa các trạm gia công trong xưởng vẫn thực hiện hoàn toàn thủ công bằng xe kéo hoặc công nhân trực tiếp mang vác. Do đặc thù sản phẩm là cụm dây điện có khối lượng từ 10 đến 20 kg, kết cấu dạng chùm tua nhiều nhánh phức tạp, không có hình dáng định hình dạng khối hộp hay khối trụ, việc vận chuyển thủ công gây tốn nhiều sức lao động, dễ làm rối nhánh dây và làm giảm nhịp độ liên tục của dây chuyền. Xuất phát từ thực tế đó, đề tài "Thiết kế và chế tạo hệ thống vận chuyển dây điện" được thực hiện nhằm cơ giới hóa và tự động hóa quá trình trung chuyển sản phẩm giữa các bàn thao tác trong xưởng sản xuất.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể của đề tài bao gồm:
- Nghiên cứu tài liệu kỹ thuật, nguyên lý vận hành và phương pháp đấu nối ngoại vi của bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi dòng FX2N-80MR.
- Ứng dụng phần mềm Melsoft GX Developer V8.0 để lập trình điều khiển trình tự cho hệ thống, thu nhận tín hiệu từ hệ thống cảm biến, nút nhấn và điều khiển đóng cắt các cơ cấu chấp hành khí nén.
- Ứng dụng phần mềm GX Simulator V7 để mô phỏng, kiểm thử logic điều khiển khí nén và chương trình PLC trước khi nạp vào phần cứng.
- Sử dụng phần mềm SolidWorks 2014 để thiết kế cơ khí 3D, tính toán động lực học, kiểm tra bậc tự do, mô phỏng lắp ghép và xuất bản vẽ chế tạo chi tiết cho toàn bộ hệ thống.
- Chế tạo và thử nghiệm mô hình hệ thống vận chuyển cụm dây điện tự động phục vụ tuyến 5 bàn thao tác với yêu cầu thời gian di chuyển giữa hai bàn kế tiếp đạt 5 giây, có vị trí dừng chờ trung gian giữa hai trạm.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX2N-80MR kết hợp module mở rộng FX2N-16EX; hệ thống khí nén công nghiệp (máy nén khí, xy lanh khí nén tác động kép, van điện từ 5/2, công tắc từ); hệ thống cảm biến tiệm cận cảm ứng; cơ cấu cơ khí nâng hạ hình bình hành; cơ cấu vận chuyển ray treo nghiêng sử dụng thế năng; các phần mềm chuyên dụng (SolidWorks 2014, GX Developer V8.0, GX Simulator V7).
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát, tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống vận chuyển bộ dây dẫn điện ô tô phục vụ cụm 5 bàn làm việc trong môi trường nhà xưởng công nghiệp tại Công ty Yazaki; hệ thống hỗ trợ 2 chế độ vận hành (tự động và bằng tay qua bảng điều khiển/remote cầm tay); thời gian hoàn thành hệ thống là 3 tháng.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đề tài kết hợp giữa lý thuyết cơ học máy, kỹ thuật truyền động khí nén, sức bền vật liệu và điều khiển logic khả trình để giải quyết bài toán thiết kế cơ điện tử:
- Lý thuyết truyền động khí nén: Sử dụng nguồn khí nén áp suất làm việc $P = 5\text{ bar} = 500.000\text{ N/m}^2$, lưu lượng $Q = 1,2 - 66\text{ m}^3/\text{min}$. Công thức tính toán lực đẩy lý thuyết của xy lanh tác động kép: $F = P \cdot A$, trong đó diện tích làm việc khoang không cần là $A = \frac{\pi D^2}{4}$ và khoang có cần là $A = \frac{\pi(D^2 - d^2)}{4}$ ($D$ là đường kính trong xy lanh, $d$ là đường kính cần piston).
- Lý thuyết bậc tự do cơ cấu phẳng: Tính toán bậc tự do ($W$) theo công thức Chebyshev cho cơ cấu phẳng: $W = 3n - (2p_5 + p_4) + r - s$ (với $n$ là số khâu động, $p_5$ là số khớp loại 5, $p_4$ là số khớp loại 4, $r$ là số ràng buộc thừa, $s$ là số bậc tự do thừa).
- Lý thuyết ma sát và chuyển đổi ma sát: Ứng dụng quy luật biến đổi ma sát trượt sang ma sát lăn thông qua việc bố trí các cụm vòng bi trên ray dẫn hướng nhằm giảm thiểu lực cản chuyển động theo công thức $F_{msl} = N \cdot k$.
- Lý thuyết sức bền vật liệu: Khảo sát các thuyết bền cơ bản trong tính toán chi tiết máy chịu ứng suất phức tạp: Thuyết bền ứng suất pháp cực đại (TB1), thuyết bền biến dạng dài tương đối cực đại (TB2), thuyết bền ứng suất tiếp cực đại (TB3), thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng cực đại (TB4) và thuyết bền Mohr (TB5) để kiểm tra độ bền các chi tiết thanh treo, móc giữ và khớp chữ U.
- Phương pháp điều khiển trình tự (Sequential Control): Xây dựng chương trình điều khiển theo lưu đồ tuần tự phụ thuộc quá trình (dựa trên tín hiệu phản hồi vị trí từ cảm biến tiệm cận và công tắc từ) và theo thời gian; phân chia cấu trúc chương trình thành các khối: khởi tạo vị trí cơ bản, start/stop khẩn cấp, xử lý logic điều khiển, kích ngõ ra và chỉ báo trạng thái.
Về phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và triển khai:
- Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Thu thập thông số kỹ thuật thiết bị hãng Mitsubishi, van khí nén, cảm biến công nghiệp và khảo sát dây chuyền thực tế tại xưởng Yazaki.
- Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán giải tích lực kéo, đường kính xy lanh, hành trình nâng hạ và góc dốc thanh ray; thiết kế mô hình 3D và mô phỏng động học trên phần mềm SolidWorks 2014.
- Phương pháp mô phỏng và thực nghiệm: Mô phỏng chương trình logic trên phần mềm GX Developer và GX Simulator V7; chế tạo mẫu thử cơ khí, lắp ráp tủ điện, đấu nối cảm biến và chạy thử nghiệm tải tĩnh/tải động tại xưởng.
Thiết kế và triển khai
Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa gồm 3 phân hệ chính: cơ cấu cơ khí chấp hành, hệ thống điều khiển điện tử và mạng truyền động khí nén.
Kiến trúc cơ khí
- Cơ cấu giữ sản phẩm (Móc treo và thanh treo): Móc treo được gia công bằng vật liệu mica tấm dày 5 mm (đảm bảo độ nhẹ, chi phí thấp, đủ khả năng chịu tải 10 - 20 kg), thiết kế biên dạng bụng ôm cong hai bên với bán kính trong $R = 43\text{ mm}$ (phù hợp để ôm giữ nhánh dây điện có bán kính lớn nhất $R = 40\text{ mm}$). Các móc treo được liên kết mềm bằng dây treo vào một thanh treo ngang để chống va đập và gãy vỡ khi tiếp xúc với mặt bàn thao tác.
- Cơ cấu nâng hạ (Hình bình hành khuếch đại hành trình): Để nâng hạ bộ dây qua các vật cản trên bàn làm việc và tủ kệ xưởng, hệ thống sử dụng cơ cấu 1,5 hình bình hành liên kết với 1 xy lanh khí nén tác động kép. Cơ cấu này giúp nhân 1,5 lần hành trình dịch chuyển của xy lanh (hành trình xy lanh $400\text{ mm}$ tạo ra độ nâng hạ thực tế đạt $600\text{ mm}$). Chiều dài thanh đơn hình bình hành được thiết kế là $350\text{ mm}$ (kết quả tính toán lý thuyết $339,41\text{ mm}$), góc nghiêng giới hạn khi xy lanh duỗi hết là $45^\circ$ để tránh điểm chết cơ cấu. Bậc tự do của cơ cấu nâng phẳng được xác định: $W = 3 \times 7 - (2 \times 10 + 0) = 1$, chứng minh hệ thống vận hành chính xác với 1 xy lanh điều khiển.
- Cơ cấu vận chuyển bằng thế năng: Sử dụng một thanh ray dẫn hướng bắt ngang trên cao giữa 2 trạm làm việc. Hai đầu thanh ray được treo vào khung giàn thông qua 2 xy lanh khí nén và khớp nối chữ U có trục xoay ổ bi. Bằng cách điều khiển chênh lệch độ cao giữa 2 xy lanh ở hai đầu ray, thanh trượt tạo ra góc dốc nghiêng xác định, giúp hộp trượt mang tải tự di chuyển tịnh tiến qua lại hoàn toàn nhờ lực thế năng (trọng lực). Cụm hộp trượt được trang bị các ổ bi tiếp xúc 4 mặt của thanh ray nhằm hạn chế 5 bậc tự do và chuyển đổi toàn bộ ma sát trượt thành ma sát lăn. Trên hộp trượt có gắn kèm cơ cấu phanh hãm cơ khí để cố định vị trí khi đến điểm dừng trạm.
Hệ thống điện và điều khiển
- Bộ xử lý trung tâm: Sử dụng PLC Mitsubishi FX2N-80MR (gồm 40 ngõ vào số 24VDC, 40 ngõ ra relay, bộ nhớ chương trình 8k bước lệnh, kích thước $285 \times 87 \times 90\text{ mm}$) kết hợp module mở rộng ngõ vào FX2N-16EX (bổ sung 16 ngõ vào số).
- Thiết bị cảm biến và chấp hành: Cảm biến tiệm cận cảm ứng (loại NPN/PNP) bố trí dọc hành trình ray để nhận diện vị trí hộp trượt; công tắc từ gắn trên thân xy lanh để xác định điểm đầu/cuối hành trình piston; hệ thống van đảo chiều điện từ 5/2 điều khiển cấp khí nén cho các xy lanh; rơ-le trung gian, bộ cấp nguồn 24VDC, nút nhấn tự phục hồi, nút dừng khẩn cấp và remote điều khiển cầm tay phục vụ chế độ vận hành bằng tay.
| Hạng mục thiết bị |
Thông số kỹ thuật / Mã hiệu |
Chức năng trong hệ thống |
| Bộ điều khiển lập trình |
PLC Mitsubishi FX2N-80MR |
Xử lý trung tâm tín hiệu vào/ra và logic điều khiển |
| Module mở rộng |
Mitsubishi FX2N-16EX |
Mở rộng thêm 16 cổng ngõ vào số cho hệ thống |
| Xy lanh nâng hạ |
Xy lanh kép $D=32\text{ mm}, d=12\text{ mm}, S=400\text{ mm}$ |
Dẫn động cơ cấu hình bình hành nâng hạ bộ dây |
| Xy lanh tạo góc nghiêng ray |
Xy lanh khí nén tác động kép gắn 2 đầu ray |
Nâng/hạ đầu thanh ray để tạo độ dốc thế năng |
| Khí cụ đóng cắt |
Van điện từ 5/2, Rơ-le điện từ trung gian |
Đảo chiều luồng khí nén và cách ly tín hiệu điều khiển |
| Cảm biến vị trí |
Cảm biến tiệm cận cảm ứng, Công tắc từ |
Xác định vị trí hộp trượt và giới hạn hành trình xy lanh |
| Cơ cấu kẹp giữ |
Móc mica $5\text{ mm}$ ($R=43\text{ mm}$), thanh treo |
Treo giữ cố định cụm dây điện ô tô $10 - 20\text{ kg}$ |
| Hộp trượt di chuyển |
Cụm ổ bi 4 mặt tiếp xúc ôm ray dẫn hướng |
Chuyển động lăn tự do trên ray nghiêng bằng thế năng |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Giới thiệu
Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu vận chuyển bán thành phẩm trong bối cảnh các nhà máy sản xuất dây dẫn điện ô tô (điển hình là Công ty Yazaki) vẫn phụ thuộc vào phương thức đẩy xe và khuân vác thủ công. Đồ án xác định ý nghĩa thực tiễn trong việc tăng năng suất, giảm tải áp lực cho công nhân và ổn định chu kỳ sản xuất; thiết lập các mục tiêu nghiên cứu về làm chủ công nghệ PLC Mitsubishi FX2N-80MR, phần mềm Melsoft GX Developer V8.0, GX Simulator V7, SolidWorks 2014; đồng thời làm rõ đối tượng, phạm vi nghiên cứu tại nhà xưởng Yazaki với kế hoạch thực hiện hoàn thành trong 3 tháng.
Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài
Chương 2 tổng thuật các giải pháp vận chuyển tự động phổ biến trong công nghiệp hiện nay gồm: băng chuyền con lăn/dây đai (ưu điểm làm việc êm, nhược điểm chiếm diện tích mặt sàn lớn, khó đổi hướng), băng tải xích treo trên cao (ưu điểm tải trọng lớn, tiết kiệm diện tích sàn, nhược điểm kết cấu cồng kềnh, chi phí bảo trì xích cao) và robot công nghiệp (ưu điểm linh hoạt, độ chính xác cao nhưng chi phí đầu tư ban đầu và vận hành quá đắt đỏ). Từ đó, tác giả phân tích đặc tính cấu tạo của hệ thống vận chuyển thanh ray treo trần điều khiển nghiêng bằng xy lanh khí nén kết hợp hộp trượt ổ bi di chuyển bằng thế năng; đồng thời giới thiệu chi tiết cấu trúc phần cứng, ưu điểm thời gian thực thi lệnh cơ bản ($0,08\mu\text{s}$) và khả năng tương thích của dòng PLC Mitsubishi FX2N-80MR.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết
Chương 3 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết kỹ thuật phục vụ tính toán thiết kế. Nội dung bao gồm lý thuyết hệ thống khí nén công nghiệp (công thức áp suất, lực, diện tích làm việc của xy lanh kép, đặc tính van điều khiển); nguyên lý chuyển động và các công thức tính bậc tự do cơ cấu phẳng theo số khâu động và khớp loại 4, loại 5; lý thuyết ma sát học và cơ chế chuyển đổi ma sát trượt thành ma sát lăn bằng ổ bi; phân tích so sánh 5 thuyết bền cơ học (thuyết bền 1 đến thuyết bền 5/Mohr) dùng trong kiểm tra độ bền chi tiết; cùng phương pháp lập trình điều khiển trình tự theo thời gian và theo trạng thái quá trình trong PLC.
Chương 4: Thiết kế cơ khí
Chương 4 là chương trọng tâm về tính toán cơ khí. Tác giả phân tích yêu cầu công nghệ tuyến 5 bàn thao tác tại xưởng Yazaki với tải trọng dây điện $10 - 20\text{ kg}$, thời gian trung chuyển yêu cầu 5 giây. Các bước tính toán và thiết kế cụ thể:
- Lựa chọn móc treo bằng mica 5 mm với bán kính ôm $R = 43\text{ mm}$ liên kết dây mềm với thanh treo.
- Tính toán lực nâng với áp suất $P = 5\text{ bar}$, tải trọng $F = 200\text{ N}$, cho ra đường kính xy lanh lý thuyết $D = 22,6\text{ mm}$, từ đó chọn xy lanh tiêu chuẩn đường kính $D = 32\text{ mm}$, cán $d = 12\text{ mm}$, hành trình $S = 400\text{ mm}$.
- Thiết kế cơ cấu hình bình hành 1,5 hình có chiều dài thanh đơn $350\text{ mm}$, góc làm việc $45^\circ$, giúp khuếch đại hành trình nâng lên $600\text{ mm}$ (với bậc tự do cơ cấu $W=1$).
- Thiết kế cơ cấu vận chuyển ray treo nghiêng điều khiển bởi 2 xy lanh khí nén 2 đầu kết hợp khớp chữ U; thiết kế cụm hộp trượt 4 mặt gắn vòng bi ôm khít thanh ray; thiết kế cơ cấu phanh hãm cơ học để giữ vị trí khi dừng trạm.
- Mô hình hóa toàn bộ chi tiết và cụm lắp ráp hoàn chỉnh trên phần mềm SolidWorks.
Chương 5: Điều khiển hệ thống
Chương 5 xây dựng giải thuật và thiết kế hệ thống điều khiển điện - khí nén. Tác giả thiết lập lưu đồ quy trình vận hành chi tiết cho cả hai chế độ Tự động (Auto) và Bằng tay (Manual); lựa chọn cấu hình bộ điều khiển PLC FX2N-80MR phối hợp cùng module mở rộng FX2N-16EX; thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu nối cảm biến tiệm cận cảm ứng (NPN/PNP), công tắc từ hành trình, hệ thống van đảo chiều điện từ 5/2 và rơ-le trung gian; thiết kế bố trí tủ điện trung tâm, bảng điều khiển trạng thái (Auto/Manual/Reset, Emergency Stop) và remote điều khiển di chuyển cầm tay.
Chương 6: Thực nghiệm và kết quả thực tế
Chương 6 trình bày quá trình chế tạo mô hình vật lý và kiểm thử vận hành ngoài thực tế. Tác giả tổng hợp các thông số kỹ thuật thực đo của hệ thống cơ khí, hệ thống khí nén và mạng điều khiển; tiến hành các bài kiểm tra nâng hạ tải trọng $10 - 20\text{ kg}$, đo thời gian chuyển động giữa các trạm làm việc, đánh giá độ chính xác khi dừng phanh tại vị trí chờ giữa hai bàn thao tác và kiểm tra độ ổn định của mạch điều khiển logic.
Chương 7: Kết luận và hướng phát triển
Chương cuối tổng kết các kết quả đạt được về mặt thiết kế chế tạo và điều khiển tự động; đánh giá khách quan các ưu điểm về mặt tiết kiệm năng lượng (nhờ thế năng), giảm tải nhân công và tính ổn định; chỉ ra các nhược điểm còn tồn tại về tiếng ồn khí nén và cơ cấu phanh cơ khí; đồng thời đề xuất giải pháp cải tiến kỹ thuật và định hướng mở rộng ứng dụng cho đề tài.
Kết quả và đóng góp
Kết quả chính của đề tài
- Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình cơ khí: Xây dựng thành công cơ cấu nâng hạ hình bình hành tỉ lệ khuếch đại 1,5 (đạt hành trình nâng $600\text{ mm}$ với xy lanh tiêu chuẩn $400\text{ mm}$), hệ thống thanh ray treo trần điều khiển nghiêng bằng 2 xy lanh 2 đầu, cụm hộp trượt 4 mặt ổ bi ma sát thấp và hệ thống móc treo mica chuyên dụng cho chùm dây điện ô tô ($R = 43\text{ mm}$).
- Xây dựng hệ thống điều khiển tự động hoàn chỉnh: Lập trình và tích hợp thành công PLC Mitsubishi FX2N-80MR cùng module FX2N-16EX; kết nối đồng bộ hệ thống cảm biến tiệm cận, công tắc từ hành trình và mạng van điện từ 5/2; vận hành trơn tru cả 2 chế độ Tự động và Bằng tay (qua remote).
- Thông số vận hành thực nghiệm: Hệ thống vận chuyển an toàn cụm dây điện có khối lượng từ 10 đến 20 kg giữa các bàn làm việc trong khu vực 5 trạm; thời gian chuyển dịch giữa 2 trạm liên tiếp đạt 5 giây đúng yêu cầu công nghệ; cơ cấu phanh hãm và dừng chờ trung gian hoạt động chính xác theo quy trình logic.
Giải pháp và kiến nghị đề xuất của tác giả
- Tối ưu hóa giảm chấn và giảm ồn: Lắp đặt bổ sung các đầu giảm âm (silencer) tại các cổng xả của van điện từ 5/2 và gắn đệm cao su giảm chấn tại các điểm giới hạn hành trình của hộp trượt.
- Cải tiến cơ cấu phanh hãm: Đề xuất nâng cấp cơ cấu phanh cơ học sang phanh khí nén hoặc phanh điện từ tích hợp cảm biến phản hồi lực nhằm tăng độ bền tiếp xúc và định vị chính xác tuyệt đối.
- Nâng cấp cảm biến định vị: Bổ sung các cảm biến an toàn chống va chạm trên hành trình di chuyển của thanh móc để tự động ngắt hệ thống khi có vật cản bất thường.
Đóng góp thực tiễn
Đề tài đề xuất một giải pháp công nghệ vận chuyển sản phẩm treo trên cao có tính ứng dụng cao đối với các nhà máy sản xuất bán thành phẩm dạng bó/chùm dài: tận dụng hiệu quả lực thế năng thông qua cơ chế tạo độ nghiêng ray bằng xy lanh khí nén, giúp cắt giảm việc sử dụng động cơ kéo phức tạp, giảm thiểu tiêu hao điện năng, tiết kiệm diện tích mặt bằng sản xuất và giảm tải sức lao động trực tiếp cho công nhân tại Công ty Yazaki.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của đề tài
- Hệ thống truyền động khí nén khi xả khí gây tiếng ồn nhất định trong không gian nhà xưởng.
- Chuyển động trượt của hộp trượt hoàn toàn dựa vào thế năng (độ nghiêng thanh ray), do đó tốc độ trượt có thể chịu ảnh hưởng nhỏ nếu áp suất nguồn khí cấp vào 2 xy lanh đầu ray dao động không đồng đều.
- Cơ cấu phanh cơ học và các ổ bi của hộp trượt trên cao đòi hỏi phải được kiểm tra, căn chỉnh và bảo dưỡng bôi trơn định kỳ để tránh hiện tượng kẹt ray sau thời gian dài vận hành.
Hướng phát triển tiếp theo
- Nghiên cứu tích hợp hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) kết nối mạng công nghiệp để theo dõi trạng thái hoạt động của từng trạm làm việc theo thời gian thực.
- Cải tiến kết cấu ray và bộ kẹp giữ để hệ thống có khả năng vận chuyển linh hoạt nhiều chủng loại cụm dây điện có kích thước và tải trọng khác nhau.
- Tích hợp thêm van tiết lưu điều khiển điện tử để làm mịn quá trình nâng hạ và nghiêng ray, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng rung lắc khi dừng đỗ.
Giá trị tham khảo
Tài liệu đồ án là nguồn tư liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:
- Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí và Tự động hóa: Tham khảo phương pháp tính toán động học và bậc tự do của cơ cấu khuếch đại hành trình hình bình hành; phương pháp tính chọn xy lanh khí nén dựa trên áp suất và tải trọng thực tế.
- Kỹ sư thiết kế dây chuyền tự động hóa: Tham khảo giải pháp thiết kế hộp trượt ổ bi 4 mặt khử ma sát và nguyên lý vận chuyển bằng thế năng trên ray treo trần, giúp tối ưu hóa chi phí đầu tư thiết bị và tiết kiệm năng lượng vận hành trong nhà máy.
- Người làm đề tài về PLC Mitsubishi: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ đấu nối cảm biến công nghiệp NPN/PNP, module mở rộng FX2N-16EX và cấu trúc lập trình điều khiển tuần tự bằng phần mềm GX Developer.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao hệ thống lại sử dụng phương pháp tạo độ nghiêng thanh ray bằng thế năng thay vì sử dụng động cơ điện kéo băng chuyền?
Trong quá trình làm việc tại trạm gia công, công nhân thường xuyên có thao tác dùng tay kéo hoặc giữ cụm dây lại để chỉnh sửa; nếu sử dụng động cơ điện kéo cố định sẽ rất dễ dẫn đến hiện tượng quá tải, kẹt cơ cấu hoặc cháy động cơ. Việc sử dụng thế năng (tạo độ nghiêng nhờ 2 xy lanh khí nén ở 2 đầu ray) kết hợp hộp trượt ổ bi cho phép cơ cấu có độ trượt mềm dẻo, chịu được lực giữ của công nhân, đồng thời tận dụng sẵn nguồn khí nén của nhà máy để tiết kiệm chi phí động cơ và giảm tiêu thụ điện năng.
2. Cơ cấu hình bình hành trong hệ thống nâng hạ có vai trò gì và kích thước cụ thể ra sao?
Cơ cấu hình bình hành (sử dụng 1,5 hình) có vai trò khuếch đại hành trình nâng hạ lên 1,5 lần so với hành trình gốc của xy lanh khí nén, giúp đạt độ cao nâng $600\text{ mm}$ (dù hành trình xy lanh chỉ là $400\text{ mm}$) để đưa cụm dây vượt qua bàn và tủ kệ trong xưởng. Cơ cấu gồm các thanh đơn có chiều dài chế tạo $350\text{ mm}$ (tính toán lý thuyết $339,41\text{ mm}$), làm việc với góc nghiêng giới hạn $45^\circ$ khi xy lanh duỗi hết nhằm chống kẹt tại điểm chết.
3. Thông số kỹ thuật của xy lanh nâng và áp suất khí nén sử dụng trong hệ thống là bao nhiêu?
Hệ thống sử dụng áp suất khí nén tiêu chuẩn trong nhà xưởng là $P = 5\text{ bar} = 500.000\text{ N/m}^2$, chịu tải trọng nâng danh định $F = 200\text{ N}$ (tương ứng khối lượng dây $20\text{ kg}$). Đường kính xy lanh tính toán lý thuyết là $D = 22,6\text{ mm}$, từ đó tác giả lựa chọn xy lanh khí nén tác động kép tiêu chuẩn có đường kính trong $D = 32\text{ mm}$, đường kính cần piston $d = 12\text{ mm}$ và hành trình dịch chuyển $S = 400\text{ mm}$.
4. Móc treo cụm dây điện được thiết kế bằng vật liệu gì và có đặc điểm kích thước như thế nào?
Móc treo được thiết kế và gia công từ vật liệu mica tấm dày 5 mm nhằm đảm bảo trọng lượng nhẹ, giá thành rẻ nhưng vẫn chịu được tải trọng $10 - 20\text{ kg}$. Móc có bán kính cong trong $R = 43\text{ mm}$ (đủ sức ôm giữ nhánh dây lớn nhất có bán kính $R = 40\text{ mm}$), phần bụng thiết kế ôm cong hai bên chống rơi tuột và được liên kết vào thanh treo bằng dây treo mềm để tránh va đập gãy vỡ khi tiếp xúc mặt bàn.
5. Cấu hình bộ điều khiển PLC và các thiết bị điện ngoại vi được lựa chọn như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi FX2N-80MR (gồm 40 ngõ vào số và 40 ngõ ra relay) phối hợp với module mở rộng 16 ngõ vào số FX2N-16EX. Hệ thống ngoại vi gồm các cảm biến tiệm cận cảm ứng (NPN/PNP) để nhận biết hành trình hộp trượt, công tắc từ gắn trên thân xy lanh, hệ thống van điện từ 5/2, rơ-le trung gian, bộ nguồn 24VDC, nút dừng khẩn cấp và bảng điều khiển có remote chuyển đổi linh hoạt 2 chế độ Auto/Manual.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo hệ thống vận chuyển dây điện" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu nghiên cứu từ tính toán lý thuyết, thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks đến chế tạo phần cứng và lập trình điều khiển tự động bằng PLC Mitsubishi FX2N-80MR. Giải pháp kết hợp cơ cấu nâng hạ hình bình hành khuếch đại hành trình với nguyên lý trượt ray nghiêng bằng thế năng đã giải quyết hiệu quả bài toán tự động hóa vận chuyển cụm dây điện 10 - 20 kg giữa tuyến 5 bàn thao tác tại Công ty Yazaki trong thời gian 5 giây/trạm. Công trình là tài liệu học thuật và kỹ thuật thực chứng tiêu biểu cho việc ứng dụng công nghệ cơ điện tử và khí nén nhằm nâng cao năng suất trong sản xuất công nghiệp.
