Luận văn Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy bẻ đai sắt xây dựng tự động (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy bẻ đai sắt xây dựng tự động (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC Sĩ VŨ SƠN LÂM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BẺ ÐAI SẮT XÂY DỰNG TỰ ÐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ – 60520103 S K C0 0 4 8 8 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HỌ VÀ TÊN: VŨ SƠN LÂM NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY BẺ ĐAI SẮT XÂY DỰNG TỰ ĐỘNG NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ - 60520103 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ HIẾU GIANG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2016
3. QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: VŨ SƠN LÂM Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 11 – 08 – 1988 Nơi sinh: Lâm Đồng Quê quán: Lâm Đồng Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 45/1 – Đs.4 – Kp.4 – P. Tam Phú – Q. Thủ Đức. Điện thoại: 01659 619 232 E-mail: vusonlam1988@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Cao đẳng: Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo từ 09 / 2006 đến 10 / 2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Ngành học: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ 2. Đại học: Hệ đào tạo: liên thông Thời gian đào tạo từ 11/2009 đến 09/ 2011 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Công Nghiệp TP.HCM Ngành học: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2010-2014 Thành Phố Hồ Chí Minh Kỹ sư ii
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 04 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) iii
6. CẢM TẠ Được giao đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy bẻ đai thép xây dựng tự động” của Hiệu Trưởng Trường ĐH SPKT, và sự đồng ý của Thầy PGS. TS. Lê Hiếu Giang là người hướng dẫn. Tôi đã hoàn thành xong đề tài này. Đầu tiên, Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc đến Thầy PGS. TS. Lê Hiếu Giang, đã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu, kiến thức, kinh nghiệm để Tôi thực hiện đề tài này. Xin chân thành cảm ơn Thầy Võ Minh Tâm, Thầy Bùi Văn Hồng đã giúp đỡ, hỗ trợ Tôi trong thời gian chế tạo máy tại trường Trung Học Kỹ Thuật Thực Hành. Xin chân thành cảm ơn đến Quý Thầy, Cô đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức bổ ích và quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường cũng như nghiên cứu sau này. Xin chân thành cảm ơn Gia Đình đã tạo mọi điều kiện tốt đẹp nhất để tôi yên tâm học tập tốt trong suốt thời gian qua. Xin chân thành cảm ơn! HỌC VIÊN iv
7. TÓM TẮT Bắt đầu từ Quý II/2015 nhu cầu tiêu thụ sắt thép đang tăng mạnh, trong giai đoạn này hầu hết các nhà đầu tư xây dựng đẩy nhanh hoàn thiện các công trình và khởi công những dự án mới. Song hành cùng sự hoàn thiện của các công trình xây dựng, sắt thép xây dựng luôn đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ bền vững cho từng bức tường và nền nhà của kiến trúc. Khi nhu cầu của thị trường càng cao, thì nhu cầu sử dụng máy móc, thiết bị cơ khí trong ngành xây dựng của các nhà đầu tư và nhà thầu cũng tăng theo, trong khi các dự án lớn ở thành phố đang cần nguồn máy, thiết bị và đẩy mạnh tiến độ hoàn thiện. Vì vậy, các nhà đầu tư cần tìm kiếm và đầu tư máy, thiết bị để phục vụ cho xây dựng đảm bảo tiến độ, công trình bền vững. Một trong sự thúc đẩy phát triển mạnh mẽ đó, ngành cơ khí chế tạo máy và ngành xây dựng phải kết hợp với nhau để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt, năng suất cao. Ngày nay khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển vì vậy mà các doanh nghiệp cơ khí và xây dựng đòi hỏi phải cải tiến phương thức sản xuất, thay thế các thiết bị lạc hậu, cũ kỹ bằng các thiết bị công nghệ cao để đảm bảo chất lượng, độ chính xác cũng như thẫm mỹ của sản phẩm. Đứng trước nhu cầu trên mà đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy uốn đai thép tự động” đã ra đời. Nhằm góp phần cho sự phát triển đất nước nói chung và ngành xây dựng nói riêng. Tuy nhiên do yêu cầu về thời gian hạn hẹp, kiến thức còn nhiều hạn chế, việc tìm tài liệu về máy uốn là rất khó khăn nên việc nghiên cứu đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót. Vì vậy rất mong được sự đóng góp ý kiến quý thầy, cô cùng các đồng nghiệp để đề tài được hoàn thiện hơn. v
8. SUMMARY In the early of second-quarter 2015, almost constructive investors try hard to complete these projects and start other projects, the steel is always the necessities for finishing their works. Therefore, The contructive steel has always played an important role in asserting the sustainability of each wall, each floor and each foundation in the architecture. When the real estate market is grow up quickly, In order to respond that requirements, The investors and contractors apply machinery and mechanical equipment in the construction industry effectually, while the major projects in the city can not promote the progress of improvement unless they have the assistance of machinery. So the investors are looking for and investing machinery and equipment which help them ensure the progress and the sustainable buildings. Base on that powerfull impulse, the mechanical engineering and the construction industry must associate to create products that has good quality and high productivity. Nowadays the science and the technology is growing so that the constructing and engineering bussiness have to improve their producting methods, replace outdated equipment with the high-tech equipments. The products, have been manufactured, have quality, accuracy and aesthetics. The topic "Research, design and manufacture of automatic bending-steel machine" was come into being. It will contribute to not only the construction industry but also the national development However, I apologize for some missing in this subject because of requirements of the limited time, restricted knowledge, search for machine material. vi
9. MỤC LỤC TRANG TỰA Trang QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC ii LỜI CAM ĐOAN iii CẢM TẠ iv TÓM TẮT v Summary vi MỤC LỤC iv DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC x DANH SÁCH CÁC HÌNH xii DANH SÁCH CÁC BẢNG xiv CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố 1 Giới thiệu về đai thép thông dụng 1 Sự phát triển của các hệ thống tự động 1 Ngoài nước 2 Trong nước. 8 Tính cấp thiết của đề tài 11 Ý nghĩa khoa học của luận văn 11 Ý nghĩa thực tiễn của luận văn 11 Mục đích nghiên cứu 11 iv
10. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 12 Nhiệm vụ của đề tài 12 Giới hạn của đề tài 12 Phương pháp nghiên cứu 12 Các phương pháp nghiên cứu thực tiễn 12 Phương pháp chuyên gia 13 Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết 13 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 Thép xây dựng - Thép cốt bê tông – Thép thanh tròn trơn 14 Phạm vi áp dụng của thép xây dựng 14 Thông số của thép xây dựng 15 Sai lệch cho phép của thép xây dựng 15 Thành phần hóa học của thép xây dựng 16 Cơ tính của thép xây dựng 16 Thử nghiệm độ bền của thép xây dựng 17 Cơ sở lý thuyết tính toán 18 Biến dạng của thép. 18 Hiện tượng đàn hồi sau khi uốn của thép 20 Cắt thép bằng áp lực lưỡi cắt 20 Các yêu cầu đối với máy và chi tiết 22 Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng 22 Khả năng làm việc 22 Độ tin cậy cao 23 An toàn trong sử dụng 23 v
11. Tính công nghệ và tính kinh tế 23 Hệ thống điều khiển tự động 24 PLC 24 Màn hình HMI 27 Van điện từ (solenoid valve) 28 Động cơ bước: 28 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG 30 Các yêu cầu thiết kế 30 Phương án thiết kế 30 Cơ cấu nắn thẳng 30 Cơ cấu kéo phôi 31 Cơ cấu bẻ 32 Cơ cấu cắt 33 Lựa chọn phương án. 34 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cơ khí 34 Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 34 Tính động cơ uốn, kéo 34 Tính toán lực cắt thép xây dựng 35 Tính toán, lựa chọn xi lanh 38 Tính toán, lựa động cơ bơm 39 Chọn bơm dầu cho hệ thống cung cấp thuỷ lực 40 Phân tích chọn loại dầu trong hệ thống 41 Chọn loại các loại van 41 Nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động 44 vi
12. Sơ đồ khối 44 Xây dựng giải thuật điều khiển tự động 45 CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MÔ HÌNH 48 Chế tạo hệ thống cơ khí 48 Kết cấu máy 48 Cụm nắn thẳng 1 và 2 49 Cơ cấu kéo 50 Cơ cấu uốn 51 Cơ cấu cắt 53 Thi công phần điều khiển. 55 PLC 55 Màn hình HMI 56 Nút ấn (PB –Pushbutton) 57 Relay 57 Cảm biến 58 Lắp đặt tủ điện 58 Gia công và lắp đặt hoàn chỉnh máy 59 CHƯƠNG 5: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 60 Thử nghiệm máy uốn đai thép. 60 Thử nghiệm cơ cấu kéo 60 Thử nghiệm cơ cấu nắn thẳng thép 61 Thử nghiệm cơ cấu uốn 61 Thử nghiệm cơ cấu cắt 62 Thử nghiệm chạy tự động toàn bộ hệ thống 63 vii
13. Đánh giá sản phẩm đai thép 64 Tiêu chuẩn cắt và uốn thép 64 Đánh giá sản phẩm đai thép 64 Đánh giá những cải tiến so với các máy bẻ đai thép trước đây 66 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 69 Phụ lục 1: Thông số kỹ thuật của PLC 69 Phụ lục 2: Thông số kỹ thuật màn hình HMI 70 Phụ lục 3: Số liệu đo đai thép 71 Phụ lục 4: Thông số kỹ thuật động cơ bước 72 Phụ lục 5: Một số tính toán trên phần mềm 73 Phụ lục 6: Một số bản vẽ 76 Phụ lục 7: Lập trình PLC 85 viii
14. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT NXB: Nhà xuất bản. NXBKHKT: Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật. ĐHSPKT: Đại học sư phạm kỹ thuật Tp.HCM: Thành phố Hồ Chí Minh TCVN: Tiêu chuẩn Việt Nam. ISO: Tiêu chuẩn quốc tế (International Organization for Standardization) ĐCB: Động cơ bước (Stepping Motor). PLC: Điều khiển logic lập trình (Programmable Logic Controller). CNC: Máy điều khiển số (Computer Numerical Control) VDC: Điện áp DC Timer: Bộ định thời gian Encoder: Bộ đếm xung. Usb: Cổng giao tiếp Pulse: Xung, nhịp Port: Cổng ix
15. DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU KHOA HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị D, d Đường kính mm, m R, r Bán kính mm,m Ø Ký hiệu ghi số đo đường kính 훼 Góc anpha Độ,° V, v Vận tốc (tốc độ) m/s, m/ph 휔 Vận tốc góc (tốc độ góc) rad/s 푙 Chiều dài mm, m a Chiều dài hình chữ nhật gia công mm, m b Chiều rộng cạnh chữ nhật gia công mm, m m, M Khối lượng kg P Trọng lực N, KN g Gia tốc trọng trường (lấy gần bằng 10 m/s2) m/s2 fms Lực ma sát N, KN 휇 Hệ số ma sát, tỉ lệ N Lực nén N, KN F Lực N, KN Hằng số pi = 3.14159265 Pt Bước răng mm z Số răng bánh răng x
16. m Mô đun bánh răng Mmotormax Mô men lớn nhất của động cơ N.mm, N.m, N.cm M Mô men N.mm, N.m, N.cm Mz Mô men xoắn N.mm, N.m, N.cm 휏 Ứng suất tiếp N/m2, KN/cm2 2 휎 ℎ Ứng suất chảy dẻo N/m , Mpa 휎 Ứng suất pháp N/m2, Mpa 3 3 3 Wz Mô men chống xoắn cm , mm , m 3 3 3 Wx, Wy Mô men chống uốn mặt phẳng yz, xz cm , mm , m J Mô men quán tính chính trung tâm cm4, mm4, m4 n Số vòng quay Vg/ph, vg/s 푰 Dòng điện A V Điện áp V p Áp suất N/m2, Pa xi
17. DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hiǹ h 1.1: Một số sản phẩm thép xây dựng thông dụng 1 Hiǹ h 1.2: Máy bẻ thép 2D. 2 Hinh̀ 1.3: Máy bẻ thép 3D 4 Hiǹ h 1.4: Máy uốn, bẻ ống và dây 2D, 3D ống của BLM Group 6 Hiǹ h 1.5: Sản phẩm của máy uốn 2D, 3D 7 Hiǹ h 1.6: Robomac - CNC Bending Machine cuả Numalliance 8 Hiǹ h 1.7: Máy của Công ty TNHH Cơ Khí Chế Tạo Công Cụ Siêu Việt 9 Hiǹ h 1.8: Máy uốn thép của Công ty TNHH Hồng Phúc Lâm 10 Hiǹ h 2.1: Biểu đồ σ – ε 19 Hiǹ h 2.2: Biến dạng dẻo và biến dạng dàn hồi của vật liệu uốn. 20 Hiǹ h 2.3: Các giai đoạn của quá trình cắt kim loại. 21 Hiǹ h 3.1: Cơ cấu con lăn xoay quanh tâm 30 Hiǹ h 3.2: Cơ cấu con lăn xếp lệch tâm 31 Hiǹ h 3.3: Kéo phôi bằng cơ cấu con lăn xoay quanh tâm 31 Hiǹ h 3.4: Kéo phôi bằng cơ cấu con lăn kẹp và động cơ kéo 32 Hiǹ h 3.5: Cơ cấu bẻ bằng xilanh thủy lực 32 Hiǹ h 3.6: Cơ cấu bẻ bằng động cơ 33 Hiǹ h 3.7: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy 34 Hiǹ h 3.8: Sơ đồ giai đoạn cặp 36 Hiǹ h 3.9: Sơ đồ thời kì cắt 36 Hiǹ h 3.10: Sơ đồ kết cấu và kí hiệu Van đảo chiều 4/3 42 Hiǹ h 3.11: Kết cấu kiểu van bi. 43 Hiǹ h 3.12: Kết cấu kiểu van con trượt 43 Hiǹ h 3.13: Sơ đồ khối điều khiển các thiết bị 44 Hiǹ h 3.14: Lưu đồ giải thuật điều khiển tự động 46 Hiǹ h 4.1: Hình tổng quan máy uốn đai thép 48 Hiǹ h 4.2: Hình thiết kế cụm nắn thẳng 1 và 2 49 xii
18. Hiǹ h 4.3: Hình chế tạo cụm nắn thẳng 1 và 2 49 Hiǹ h 4.4: Hình thiết kế cụm kéo 50 Hiǹ h 4.5: Hình thiết kế cụm kéo 51 Hiǹ h 4.6: Hình thiết kế cơ cấu uốn 51 Hiǹ h 4.7: Hình chế tạo cơ cấu uốn thép 52 Hiǹ h 4.8: Hình thiết kế đồ giá dao 53 Hiǹ h 4.9: Hình chế tạo cụm cắt 54 Hiǹ h 4.10: PLC FX1N 40MT 55 Hinh̀ 4.11: Màn hình HMI 56 Hiǹ h 4.12: Nút nhấn 57 Hiǹ h 4.13: Relay và đế relay 57 Hiǹ h 4.14: Cảm biến cảm ứng từ. 58 Hiǹ h 4.15: Lắp đặt tủ điện 58 Hiǹ h 4.16: Hình máy thực tế 59 Hiǹ h 5.1: Thử nghiệm cơ cấu kéo 60 Hiǹ h 5.2: Thử nghiệm cơ cấu nắn thẳng 61 Hiǹ h 5.3: Thử nghiệm cơ cấu uốn 62 Hiǹ h 5.4: Máy đang bẻ đai thép vuông 63 Hiǹ h 5.5: Sản phấm của máy bẻ đai thép. 64 Hiǹ h 5.6: Đai thép được xếp vào nhau 65 xiii
19. DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang Bảng 2.1: Các ký hiệu sử dụng cho thép cốt bê tông. 14 Bảng 2.2: Kích thước, khối lượng 1 m chiều dài và sai lệch cho phép 15 Bảng 2.3: Thành phần hóa học dựa vào phân tích mẻ nấu – Giá trị lớn nhất tính bằng phần trăm khối lượng 16 Bảng 2.4: Thành phần hóa học dựa vào phân tích sản phẩm – Sai số cho phép của phân tích sản phẩm tính theo phần trăm khối lượng 16 Bảng 2.5: Độ bền kéo 17 Bảng 2.6: Đường kính gối uốn dùng cho thử uốn 18 Bảng 3.1: Phân tích cơ cấu nắn thẳng 31 Bảng 3.2: Phân tích cơ cấu kéo phôi 32 Bảng 3.3: Phân tích cơ cấu bẻ thép. 33 Bảng 3.4: Phân tích cơ cấu cắt thép. 33 Bảng 5.1: Kích thước sai lệch của cốt thép đã gia công 64 Bảng 5.2: Kết quả kiểm tra đai thép so với tiêu chuẩn Việt Nam 65 Bảng 5.3: Đặc tính và thông số kỹ thuật của máy uốn đai thép tự động 66 xiv
20. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã được công bố Giới thiệu về đai thép thông dụng Hiǹ h 1.1: Một số sản phẩm thép xây dựng thông dụng Đai thép được sử dụng rất nhiều trong các kết cấu bê tông cốt thép. Một số đai thép thông dụng như đai vuông, hình chữ nhật, hình chữ C, hình chữ L, hình móc câu (hình1.1) Sự phát triển của các hệ thống tự động Hiện nay, các thiết bị tự động được sự phối hợp nhịp nhàng của ba lĩnh vực: điện tử, cơ khí và tin học. Ví dụ như các tay máy, người máy với bộ não nhân tạo, các hệ thống theo dõi và xác định vị trí bằng tia hồng ngoại, các hệ thống đếm sản phẩm ở các dây truyền định lượng. Với xu hướng trên, việc cải tiến từng bộ phận riêng lẻ thành một hệ thống dây chuyền tự động được thực hiện một cách nhanh chóng. Chính vì vậy cho đến nay hầu như đa số các hệ thống cổ điển trước đây đã được thay thế bằng các hệ thống tự động hoặc bán tự động. Sự phát triển này càng diễn ra mạnh mẽ hơn, có thể nói thời đại ngày nay là thời đại của lĩnh vực tự động hóa, thời đại của trí tuệ và sự phát triển toàn diện. 1
21. Ngoài nước Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì sự đa dạng của sản xuất đã thúc đẩy sự ra đời và cải tiến của nhiều loại cơ cấu máy móc mang tính chuyên môn hóa và tự động hóa cao, trong đó máy uốn đai thép tự động và máy uốn CNC đã được nghiên cứu, chế tạo và cải tiến ở nhiều nước phát triển trên thế giới Tham khảo qua một số nhà sản xuất lớn như sau: Máy uốn thép của công ty Automated Industrial Machinery  Máy uốn thép 2D [12]. Hiǹ h 1.2: Máy bẻ thép 2D. 1. Cụm con lăn nắn thẳng 2. Bộ phận kéo thép 3. Thiết bị tính toán chiều dài dây 4. Đầu uốn và đầu cắt 5. Khung nghiêng 6. Hệ thống điều khiển  Cụm con lăn nắn thẳng (hình 1.2 – 1) Mỗi máy được trang bị một cụm con lăn nắn thẳng. Mỗi cụm bao gồm 11 con lăn có rãnh V. Con lăn có 2 loại, một loại có đường kính lớn và một loại có đường kính 2
22. S K L 0 0 2 1 5 4