Tài liệu: Ứng dụng điều khiển máy taro tự động

Tài liệu ứng dụng điều khiển máy taro tự động tổng hợp lý thuyết và thực hành, phục vụ học tập ngành phục vụ đào tạo và nghiên cứ

• Tác giả: Hồ Chí Vũ
• Người hướng dẫn: Th.S Lê Hoàng Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Ứng Dụng Điều Khiển Máy Taro Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Ứng dụng Điều khiển Máy Taro Tự động

Ứng dụng điều khiển máy taro tự động là một hệ thống hiện đại trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp và kỹ thuật điều khiển. Đây là một đề tài nghiên cứu quan trọng tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung vào việc thiết kế và phát triển máy taro với khả năng tự động hóa hoàn toàn. Hệ thống này sử dụng công nghệ PLC Mitsubishi dòng Q kết hợp với động cơ AC Servo để đạt được độ chính xác cao trong quá trình khoan taro. Mục tiêu chính là xây dựng một mô hình mô phỏng hoàn chỉnh có kích thước 800x600x600 mm, với khả năng taro được mũi tối đa M4 trên vật liệu nhôm. Ứng dụng này đánh dấu sự kết hợp hoàn hảo giữa thiết kế cơ khí, điều khiển điện tử và lập trình tự động hóa.

1.1. Định nghĩa và Mục tiêu của Hệ thống

Máy taro tự động là thiết bị chuyên dụng dùng để khoan các lỗ ren trong công nghiệp sản xuất. Hệ thống này được điều khiển bằng PLC tự động hóa, cho phép thực hiện các thao tác khoan với độ chính xác cao và hiệu suất cao. Mục tiêu chính của dự án là thiết kế và thi công một mô hình máy taro CNC có khả năng điều khiển vị trí tuyệt đối, sử dụng truyền thông CC-LINK để giao tiếp giữa các thiết bị điều khiển.

1.2. Ý nghĩa Khoa học và Ứng dụng Thực tiễn

Dự án ứng dụng điều khiển máy taro tự động có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao tự động hóa sản xuất tại các doanh nghiệp sản xuất cơ khí. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm chi phí nhân công và tăng độ chính xác sản phẩm. Hệ thống có thể ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất linh kiện điện tử, cơ khí chính x密 và ô tô.

II. Cấu trúc và Các Thành phần Chính của Hệ thống

Hệ thống điều khiển máy taro tự động bao gồm ba phần chính: phần cơ khí, phần điện và điều khiển, cùng phần mềm điều khiển. Phần cơ khí được thiết kế trên SolidWorks 2021 với mô hình 3D chi tiết, bao gồm động cơ Servo AC, hộp số điện tử, vitme và các khớp nối cơ khí chính xác. Phần điện được thiết kế trên AutoCAD 2021 với sơ đồ đấu nối chi tiết, sử dụng PLC Mitsubishi Q series làm bộ điều khiển chính. Phần mềm được lập trình bằng ngôn ngữ Ladder trên GXWorks2, kết hợp với giao diện HMI GOT 1000 để giám sát và điều khiển hệ thống. Các thành phần được kết nối thông qua chuẩn truyền thông CC-LINK và RS232 để đảm bảo truyền dữ liệu ổn định.

2.1. Phần Cơ khí và Thiết kế 3D

Thiết kế phần cơ khí sử dụng SolidWorks 2021 để tạo mô hình 3D chi tiết với kích thước 800x600x600 mm. Hệ thống bao gồm động cơ Servo AC để tạo chuyển động quay, hộp số điện tử với tỉ số giảm tốc phù hợp, vitme chính xác để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính, và các cơ cấu định hướng để taro được mũi M4 trên vật liệu nhôm.

2.2. Phần Điều khiển và Hệ thống Điện

PLC Mitsubishi dòng Q là bộ não điều khiển chính của hệ thống. Sơ đồ đấu nối điện được thiết kế chi tiết trên AutoCAD 2021, bao gồm các relay điều khiển, cảm biến vị trí tuyệt đối, mô-đun truyền thông CC-LINK. Giao diện HMI GOT 1000 cung cấp màn hình để người dùng có thể giám sát, điều khiển và cấu hình toàn bộ hệ thống một cách trực quan.

III. Công nghệ Điều khiển Vị trí Tuyệt đối và Truyền thông

Điều khiển vị trí tuyệt đối là công nghệ cốt lõi của hệ thống máy taro tự động. Công nghệ này cho phép động cơ Servo AC định vị chính xác tới vị trí mong muốn mà không cần ghi nhớ vị trí hiện tại. Hệ thống sử dụng cảm biến encoder tuyệt đối để xác định vị trí trong không gian 3D. Chuẩn truyền thông CC-LINK được sử dụng để giao tiếp giữa PLC và các động cơ không chổi than, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao và độ tin cậy cao. Chuẩn RS232 được sử dụng cho việc lập trình và gỡ lỗi. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ Ladder cho phép điều khiển các tác vụ phức tạp một cách dễ dàng và hiệu quả.

3.1. Hệ thống Định vị Tuyệt đối và Encoder

Encoder tuyệt đối cung cấp thông tin vị trí chính xác cho PLC Mitsubishi. Không giống encoder tương đối, encoder tuyệt đối duy trì thông tin vị trị ngay cả sau khi mất điện. Điều này cho phép hệ thống khôi phục vị trí chính xác sau những sự cố, đảm bảo độ tin cậy cao trong quá trình taro tự động.

3.2. Chuẩn Truyền thông CC LINK và RS232

CC-LINK là chuẩn truyền thông công nghiệp được phát triển bởi Mitsubishi, cho phép giao tiếp nhanh chóng giữa PLC và các thiết bị ngoại vi như động cơ không chổi than. RS232 được sử dụng cho các tác vụ lập trình và gỡ lỗi hệ thống. Cả hai chuẩn đều đảm bảo truyền dữ liệu ổn định và khả năng tương thích cao.

IV. Quy trình Thi công Chạy thử và Kết quả

Quy trình thi công dự án ứng dụng điều khiển máy taro tự động diễn ra từ tháng 02/2023 đến 06/2023 theo lịch trình chi tiết. Trước tiên, phần cơ khí được thi công dựa trên mô hình 3D đã thiết kế, tiếp theo là lắp ráp hệ thống điện và cấu hình các thiết bị điều khiển. Chương trình Ladder được viết và tải vào PLC Mitsubishi Q series, trong khi giao diện HMI được thiết kế chi tiết trên GOT 1000. Sau khi hoàn thành, hệ thống được chạy thử nhiều lần, ghi nhận dữ liệu và tối ưu hóa thuật toán điều khiển. Các kết quả chạy thử cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, độ chính xác taro đạt yêu cầu M4, và các thao tác điều khiển tự động diễn ra mượt mà.

4.1. Lịch trình Thi công và Lắp ráp Hệ thống

Lịch trình thực hiện được chia thành các giai đoạn: (1) Tìm hiểu tổng quan và lựa chọn công cụ (tháng 02); (2) Thiết kế cơ khí 3D và lựa chọn linh kiện (tháng 03-04); (3) Thiết kế sơ đồ điện và thi công phần điện (tháng 04); (4) Lập trình điều khiển và thiết kế giao diện (tháng 05); (5) Chạy thử và tối ưu hóa (tháng 06). Mỗi giai đoạn được giám sát bởi giáo viên hướng dẫn để đảm bảo chất lượng.

4.2. Kết quả Chạy thử và Đánh giá

Kết quả chạy thử cho thấy hệ thống hoạt động ổn định, với độ chính xác cao trong việc taro các lỗ ren M4 trên vật liệu nhôm. Giao diện HMI cung cấp giám sát thời gian thực và điều khiển dễ dàng. Các kết quả đo đạc được ghi nhận chi tiết, từ đó rút ra nhận xét, đánh giá và kết luận về hiệu quả của dự án.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Máy taro là một thiết bị quan trọng trong công nghiệp gia công kim loại. Nó được phát triển dựa trên công nghệ tiện, khoan và mài. Máy taro được sử dụng để cắt ren trên bề mặt kim loại và được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất như ô tô, máy móc, điện tử,…Máy taro được phát triển từ những năm 1800 khi các kỹ sư tìm cách thay thế quá trình cắt ren bằng cách dùng máy móc thay cho tay nghề thủ công. Các máy đầu tiên được thiết kế để cắt ren trên các vật liệu dễ uốn như gỗ và nhựa.

Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghiệp kim loại, các máy được phát triển để cắt ren trên kim loại. Các máy taro đầu tiên được sử dụng trong ngành sản xuất kim loại vào cuối thế kỷ 19. Những máy này được điều khiển bằng tay và chỉ cắt được một loại ren. Tuy nhiên, trong những năm 1920, các máy taro được cải tiến và trở thành máy có thể tự động hoá và có thể cắt được nhiều loại ren khác nhau.

Trong những năm 1960, công nghệ điện tử được sử dụng để điều khiển các máy taro. Điều này cho phép các máy có khả năng chính xác cao và hiệu suất làm việc tốt hơn. Hiện nay, các máy taro được sử dụng trong các nhà máy sản xuất đòi hỏi khả năng cắt ren với độ chính xác cao và tốc độ nhanh, giúp tăng hiệu suất và năng suất sản xuất. Tuy nhiên, máy taro truyền thống thường cần phải được điều khiển bởi người lao động, điều này không chỉ làm tăng chi phí sản xuất mà còn ảnh hưởng đến độ chính xác và năng suất sản xuất.

Vì vậy, việc nghiên cứu và phát triển máy taro tự động để thay thế hoặc bổ sung cho máy taro truyền thống là một vấn đề quan trọng và cần thiết trong ngành công nghiệp. Đặc biệt, với sự phát triển của công nghệ và tự động hóa trong sản xuất, việc áp dụng các giải pháp tự động hoá trong gia công cơ khí trở thành một xu hướng không thể phủ nhận. Nhằm hướng tới một cái nhìn cụ thể, thực tiễn hơn về cách thiết kế cũng như cách điều khiển một máy taro tự động, nhóm chúng em quyết định chọn đề tài: “Ứng dụng điều khiển máy taro tự động”. 1 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1.

Tình hình nghiên cứu máy taro trên thế giới Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về máy taro tự động, các nghiên cứu này đã được thực hiện từ lâu và vẫn luôn diễn ra liên tục đến hiện tại, một số xu hướng và cải tiến đã và đang được thực hiện trong lĩnh vực này là: - Cải tiến động cơ và lưỡi cắt: Nhiều nghiên cứu đang tập trung vào việc cải tiến động cơ và lưỡi cắt để tăng tốc độ và độ chính xác của máy taro. Các chuyên gia đang sử dụng các kỹ thuật tiên tiến như vi điều khiển, đo lường chính xác và tích hợp hệ thống thông minh để tối ưu hóa hiệu suất của máy. - Tự động hóa: Máy taro ngày càng được tích hợp với các hệ thống tự động hóa để tăng tốc độ và độ chính xác của quá trình sản xuất. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các hệ thống điều khiển tự động và tích hợp IOT để máy có thể tự động điều chỉnh quá trình sản xuất và giảm thiểu sai sót.

- Sử dụng vật liệu mới: Các nhà khoa học đang nghiên cứu sử dụng các vật liệu mới như nhôm và titan để thay thế các kim loại truyền thống như thép và đồng. Việc sử dụng các vật liệu mới này đòi hỏi các máy công cụ phải được thiết kế lại để có thể cắt và gia công các vật liệu này một cách hiệu quả và chính xác. - Ứng dụng trong sản xuất: Máy taro được sử dụng phổ biến trong sản xuất. Các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các máy tích hợp và quy trình sản xuất mới để giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng tốc độ sản xuất.

Dưới đây là một số nghiên cứu cụ thể về máy taro trên thế giới: - "Optimization of tapping parameters for EN8 steel using Taguchi method" của các tác giả S. Balasubramanian, đăng trên International Journal of Engineering Research and Applications vào năm 2013. Nghiên cứu này sử dụng phương pháp Taguchi để tối ưu hóa các thông số cắt khi sử dụng máy taro trên thép EN8, nhằm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm. - "Development of a Smart Tap for Small-Sized Tapping Machines" của các tác giả K.

Hashimoto, đăng trên Journal of Manufacturing Science and Engineering vào năm 2018. Nghiên cứu này giới 2 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thiệu một máy taro thông minh được trang bị hệ thống điều khiển tự động và tích hợp các cảm biến để đo lường độ chính xác và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. - "Investigation of cutting conditions on surface roughness in tapping process of AISI 4140 steel using finite element method" của các tác giả M. Fakoor, đăng trên Journal of Mechanical Science and Technology vào năm 2018.

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng số để nghiên cứu tác động của các điều kiện cắt đến độ chính xác và chất lượng bề mặt sản phẩm khi sử dụng máy taro trên thép AISI 4140. - "Design and Development of a Fully Automatic Tapping Machine" của các tác giả S. Pal, đăng trên International Journal of Mechanical and Industrial Technology vào năm 2016. Nghiên cứu này giới thiệu một máy tapping hoàn toàn tự động được điều khiển bởi hệ thống PLC và tích hợp hệ thống thông minh để tự động điều chỉnh quá trình sản xuất và giảm thiểu sai sót.

Tình hình nghiên cứu máy taro tại Việt Nam Máy taro là một thiết bị quan trọng trong công nghiệp gia công kim loại và đã được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam. Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu máy taro tại Việt Nam hiện vẫn chưa được nhiều tài liệu đăng ký. Dưới đây là một số nghiên cứu và ứng dụng máy taro tại Việt Nam: - Nghiên cứu về quá trình gia công bằng máy taro để tạo hình bề mặt của chi tiết máy trong sản xuất ô tô của tác giả Nguyễn Ngọc Thành và đồng nghiệp, đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thông tin, số 22 (01) năm 2020. - Ứng dụng máy taro tự động cho quá trình gia công trục nối trục động cơ của tác giả Lê Đình Quang và đồng nghiệp, đăng trên Tạp chí Khoa học Công nghệ Quân sự số 13 (140) năm 2019.

- Nghiên cứu tối ưu hóa quá trình taro bằng phương pháp Taguchi trên máy taro lỗ trong sản xuất ống nước của tác giả Trần Thế Hiển và đồng nghiệp, đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Thông tin, số 07 (78) năm 2019. 3 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Tuy nhiên, số lượng nghiên cứu về máy taro tại Việt Nam hiện vẫn chưa nhiều, đây vẫn là lĩnh vực cần được quan tâm và nghiên cứu thêm. Tình hình nghiên cứu máy taro tại Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Tại trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM chúng ta thì đã có đồ án làm về máy taro tự động như đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật điện điện tử “Programming and controlling tapping machine model” của sinh viên Hồ Nguyễn Thanh Long (18142036) và Nguyễn Đức Huy (18142025) do Th.S Lê Hoàng Lâm hướng dẫn tháng 1/2023. Mục tiêu đề tài Mục tiêu của nghiên cứu này là đề xuất giải pháp thiết kế và phát triển máy taro tự động để tăng năng suất, độ chính xác và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất.

Các mục tiêu cụ thể như sau: - Thiết kế cơ khí và hệ thống điện cho máy taro tự động. - Viết chương trình hệ điều khiển tự động cho máy taro. - Nghiên cứu và tối ưu hóa các thông số cắt để tăng năng suất và chất lượng lỗ khoan. - Xây dựng giao diện để quản lý và điều khiển hoạt động.

- Xây dựng quy trình để đào tạo người sử dụng và xác định tiêu chuẩn an toàn. - Kết quả dự kiến của đề tài sẽ là một máy taro tự động có độ chính xác cao, tốc độ nhanh, dễ vận hành và đáp ứng được các yêu cầu của sản xuất. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nghiên cứu và thi công mô hình máy taro tự động sẽ thúc đẩy sự sáng tạo và khả năng áp dụng kiến thức đã học của sinh viên trong việc đề xuất các giải pháp, cải tiến mới khi thiết kế và chế tạo máy taro tự động. Việc thiết kế và thi công mô hình máy taro tự động đòi hỏi sinh viên phải có kiến thức tổng quan ở nhiều lĩnh vực khác nhau: cơ khí, điện tử, lập trình, tin học.

Đây là cơ hội để ôn tập, kiểm tra những kiến thức đã học đồng thời tìm tòi những kiến thức mới, tăng khả năng tự học, tự đọc tài liệu để hiểu tăng hiểu biết về máy móc hiện đại nói 4 BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP chung và các linh kiện, thiết bị điều khiển để sản xuất máy taro cho phù hợp với khả năng và nhu cầu thực tế. Sau khi hoàn thành đề tài thì sẽ giúp nhóm nắm vững những kiến thức và kỹ năng cơ bản để thực hiện quá trình taro. Sản phẩm hoàn chỉnh với mục đích có thể ứng dụng được trong thực tế và giảng dạy để gia công các vật liệu có độ cứng vừa phải. Nội dung nghiên cứu Đề tài sẽ tập trung vào việc thiết kế và chế tạo máy taro tự động (Tapping Machine) để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình taro.

Đồng thời, đề tài cũng sẽ nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình taro và đề xuất các giải pháp tối ưu hóa. Phương pháp nghiên cứu Nhóm sử dụng phương pháp điều khiển vị trí và tốc độ động cơ Ac Servo, giao tiếp CC Link giữa PLC và động cơ Spindle và tiến hành lập trình bằng ngôn ngữ Ladder. Bố cục đề tài Đề tài sẽ tìm hiểu các công nghệ, sản phẩm và tiêu chuẩn liên quan đến máy taro, cũng như các nghiên cứu trước đó về việc sử dụng máy taro tự động. Đề tài “Ứng dụng điều khiển máy taro tự động” được nghiên cứu trong 6 chương với các nội dung sau: ➢ Chương 1: Tổng quan Nội dung: Tổng quan về đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung nghiên nghiên cứu, giới hạn nội dung đề tài.