Máy phun sơn tự động (Phần 1)

Nội dung text: Máy phun sơn tự động (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ MÁY PHUN SƠN TỰ ĐỘNG GVHD: KS. NGUYỄN TẤN PHỤNG SVTH: NGUYỄN VĂN ANH DUY MSSV: 11146190 S K L 0 0 3 7 4 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2015
2. LỜI MỞ ĐẦU Cùng với sự tiến bộ của khoa học và công nghệ, các ứng dụng tự động hóa đang và sẽ tiếp tục được ứng dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế kỹ thuật cũng như đời sống xã hội. Hiện nay, việc sinh viên ứng dụng kiến thức đã học ở trường vào thực tế là một vấn đề mang tính cấp bách. Điều này cho thấy năng lực thật sự của mỗi sinh viên và góp phần vào việc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước. Nhìn vào thực tiễn hiện nay, nước ta là một nước đang phát triển và còn phụ thuộc nhiều vào công nghệ kỹ thuật của nước ngoài, trong khi các công ty, xí nghiệp nhỏ lẻ thì lao động chân tay là chủ yếu. Chính vì thế, việc tự động hóa sản xuất đang được đưa lên hàng đầu. Việc tự động hóa sản xuất mang lại sự ổn định, đồng đều và nâng cao tính chuyên nghiệp. Vì thế, sau khi tham khảo thực trạng nước ta, tôi mong muốn được góp chút công sức vào việc tự động hóa sản xuất trong công nghiệp nói chung và các ngành lân cận nói riêng. Sau hai tháng thực hiện đề tài cũng như chuyển giao công nghệ, sản phẩm đã đạt được các yêu cầu đưa ra và được quý công ty đưa vào vào sản xuất. Sinh viên thực hiện Nguyễn Văn Anh Duy 1
3. LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo quý công ty TNHH Thương Mại Dịch Vụ PV-VINA đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, truyền đạt kinh nghiệm quý báu, cũng như hỗ trợ về mặt kinh phí cho sinh viên thực hiện đồ án. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô đã giúp em mở mang kiến thức chuyên ngành và là nền tảng cho công việc của tôi sau khi trường, đặc biệt là thầy PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh đã tạo cơ hội cho tôi được tiếp xúc với môi trường làm việc chuyên nghiệp. Đồng thời, tôi xin cám ơn các thành viên trong lớp 11146CLC đã có những ý kiến đóng góp, bổ sung, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài. Ngoài ra, tôi cũng đã nhận được sự chỉ bảo của các anh (chị) đi trước. Các anh (chị) cũng đã hướng dẫn và giới thiệu tài liệu tham khảo thêm trong việc thực hiện nghiên cứu. Trân trọng Sinh viên thực hiện đồ án Nguyễn Văn Anh Duy 2
4. MỤC LỤC LỜIMỞ ĐẦU 1 LỜI CẢM ƠN 2 MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH – BẢNG 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 I. GIỚI THIỆU 7 II. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 8 1. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU NGOÀI NƯỚC 8 2. TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 9 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN & THIẾT KẾ CƠ KHÍ 11 I. THIẾT KẾ CƠ KHÍ 11 1. YÊU CẦU ĐẶT RA 11 2. TÍNH CHIỀU DÀY SẮT 11 3. BẢN THIẾT KẾ 3D CỦA HỆ THỐNG 12 II. TÍNH TOÁN CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG 13 1. CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 13 2. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ BĂNG TẢI 14 3. TÍNH TOÁN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ KÉO CÁNH TAY MÁY 16 III. CHỌN BIẾN TẦN 17 1. MỘT SỐ YÊU CẦU VỚI BIẾN TẦN 18 2. CHỌN BIẾN TẦN 18 IV. LỰA CHỌN BỘ TRUYỀN ĐỘNG 24 3
5. 1. GIỚI THIỆU 24 2. BỘ TRUYỀN ĐAI 24 3. CÁC DẠNG HƯ HỎNG CỦA BỘ TRUYỀN ĐAI 26 CHƯƠNG 4: CÁC THÀNH PHẦN KHÁC TRONG HỆ THỐNG 27 I. SÚNG PHUN SƠN 27 II. GIỚI THIỆU PLC S7 200 28 1. ƯU ĐIỂM CỦA PLC VỚI MẠCH ĐIỆN THUẦN TÚY 28 2. CẤU TRÚC CHƯƠNG TRÌNH TRONG PLC S7 200 28 CHƯƠNG 5: THI CÔNG VÀ THỰC NGHIỆM 30 CHƯƠNG 6: LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN & CODE 35 1. LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 35 2. CODE 37 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN 47 1. NHỮNG ĐIỀU ĐÃ ĐẠT ĐƯỢC VÀ TỒN TẠI 47 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO 48 4
6. DANH MỤC HÌNH– BẢNG Hình 1.1 Robot ABB – Tự động hóa hệ thống sản xuất tại nhà máy Vinaxuki 7 Hình 1.2 Robot sơn trong công nghiệp 8 Hình 1.3 Công nhân đang phun sơn 9 Hình 3.1 Mô hình 3D của hệ thống 12 Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 13 Hình 3.3 Motor giảm tốc Dolin DLSH 1/30 0.55kW 16 Hình 3.4 Động cơ Oriental Motor 5RK 40GN – C 17 Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động của biến tần 18 Hình 3.6 Một số thông số của biến tần 19 Hình 3.7 Hình dáng bên ngoài của biến tần 19 Hình 3.8 Giới thiệu sơ bộ về biến tần 20 Hình 3.9 Một số vùng chức năng 20 Hình 3.10 Một số tiêu chuẩn chọn dây điện khi sử dụng biến tần 21 Hình 3.11 Sơ đồ đấu dây 22 Hình 3.12 Sơ đồ đấu dây giữa PLC và biến tần 23 Hình 3.13 Bộ truyền đai thường 24 Hình 3.14 Bộ truyền đai chéo, nữa chéo 24 Hình 4.1 Hình ảnh súng phun sơn IWATA 27 Hình 4.2 Sơ đồ cấp khí & sơn cho súng phun sơn 27 Hình 4.3 PLC S7 200 29 Hình 4.4 Kết nối PLC – máy tính 29 Hình 5.1 Bản thiết kế 3D của hệ thống 30 Hình 5.2 Toàn bộ dây chuyền 30 Hình 5.3 Cánh tay máy phun & băng tải 31 Hình 5.4 Hệ thống đang hoạt động 31 Hình 5.5 Hàng đang được sản xuất 32 Hình 5.6 Biểu đồ sản xuất bằng tay và tự động của một đơn hàng 32 Hình 5.7 Sản phẩm sau khi phun sơn 33 Hình 5.8 Hàng đang chờ phun sơn 34 Hình 5.9 Tủ điều khiển 34 5
7. Bảng 3.1 Thông số động cơ băng tải 16 Bảng 3.2 Thông số động cơ kéo tay máy 17 Bảng 3.1 Các thông số của đai răng 26 Ghi chú: - Chữ số thứ nhất chỉ tên chương - Chữ số thứ hai chỉ thứ tự bảng biểu trong mỗi chương 6
8. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. Giới thiệu Hiện nay, ứng dụng khoa học - kỹ thuật vào sản xuất đang được các công ty, xí nghiệp đưa lên hạng mục quan tâm hàng đầu. Với nhiều lý do nhưng chất lượng, số lượng và độ ổn định là những điểm mạnh chúng ta thấy ở một máy tự động mà người ta còn gọi là robot. Những robot phỏng sinh này hoạt động như một cánh tay của con người và được ứng dụng rộng rãi trong các ngành lắp ráp, phun sơn, hàn, nhưng do tính linh hoạt cao cùng độ ổn định nên chúng thường có giá thành rất cao, những xí nghiệp, công ty vừa và nhỏ khó có thể sở hữu. Chính vì thế, họ đã nghĩ đến một phương án là kết hợp giữa nhà trường và xí nghiệp, với mô hình này, sinh viên có môi trường học tập và làm việc, công ty, xí nghiệp có thể tự động hóa sản xuất nhưng với chi phí đầu tư ban đầu thấp. Và Máy Phun Sơn Tự Động là một sản phẩm của mô hình kết hợp giữa sinh viên và xí nghiệp. Hình 1.1 Robot ABB – Tự động hóa hệ thống sản xuất tại nhà máy Vinaxuki Các đặc điểm về chức năng của robot trong tự động hóa sản xuất: Sử dụng ổn định, linh hoạt Hiệu suất cao 7
9. Tiết kiệm năng lượng Đơn giản, dễ sử dụng An toàn cho người sử dụng Dựa trên các tiêu chí đặc điểm về chức năng trên, tôi đã đưa ra phương án thiết kế và chế tạo máy phun sơn tự động. Để triển khai dự án trên, tôi đã tham khảo cách thức hoạt động cũng như thiết kế cơ khí của một số sản phẩm đang hoạt động trên thị trường. Do còn hạn chế về kinh nghiệm thực tế cũng như trình độ chuyên môn nên dù sản phẩm đã được đưa vào sản xuất nhưng tính cạnh tranh với các sản phẩm trên thị trường chưa có. Đó là điều mà tôi, người chịu trách nhiệm thiết kế và thi công sẽ phải cải tiến sau này. II. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1. Tình hình nghiên cứu nước ngoài Hình 1.2 Robot sơn trong công nghiệp Việc ứng dụng robot vào tự động hóa sản xuất đã và đang được áp dụng rất rộng rãi ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, Nga, và robot đã dần thay thế con người, chỉ còn một số người đứng máy và bảo trì, sửa chữa. 8
10. 2. Tình hình nghiên cứu trong nước Hình 1.3 Công nhân đang phun sơn Các xí nghiệp nhỏ lẽ trong nước hiện vẫn sử dụng con người trong quá trình phun sơn các mặt hàng gỗ, nhựa. Chất lượng sản phẩm phụ thuộc nhiều vào yếu tố kinh nghiệm, tinh thần trách nhiệm của công nhân. Chính vì thế, việc ứng dụng khoa học kỹ thuật vào sản xuất là cần thiết nhưng vốn đầu tư cao nên việc cho ra các sản phẩm với sự hợp tác giữa nhà máy và sinh viên là một giải pháp hiệu quả. 9
11. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Với các nước phát triển, việc sơn phủ bề mặt được thực hiện hoàn toàn tự động với dây chuyền máy móc hiện đại như hệ thống sơn hai trục, ba trục hay thậm chí ứng dụng cánh tay robot. Với điều kiện phát triển ở nước ta, việc sở hữu một hệ thống cánh tay robot là hết sức tốn kém. Vì thế, các dây chuyền sơn tự động hai trục, ba trục được ứng dụng phổ biến. Với kiến thức về động cơ, PLC, điện tử, cơ lý thuyết, đã được học ở trường, tôi đã thiết kế và chế tạo thành công hệ thống phun sơn tự động hai trục, sử dụng bốn súng phun sơn hoạt động độc lập, hoạt động ổn định và giá thành cạnh tranh. Đây là cơ hội để sinh viên áp dụng những điều đã học vào thực tiễn, góp phần củng cố và mở rộng kiến thức. Máy phun sơn tự động hoạt động dựa trên sự thu thập dữ liệu từ các cảm biến, sau khi truyền về trung tâm xử lý, trung tâm xử lý sẽ xuất tín hiệu điều khiển các động cơ chạy và đóng mở các van khí nén để phun sơn. Do súng phun sơn được thiết kế gồm hai ngõ cấp khí, trong đó có một ngõ được cấp khí liên tục và ngõ còn lại làm tín hiệu đóng ởm và một ngõ cấp sơn. Khi chạm cảm biến giới hạn hành trình, motor sẽ được đảo chiều và ngắt phun sơn cho đến khi chạm cảm biến giới hạn hành trình bên kia. Hệ thống sẽ tự nhớ trạng thái trước đó, đề phòng trường hợp mất điện đột ngột giúp an toàn cho hệ thống và người sử dụng. 10
12. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN & THIẾT KẾ CƠ KHÍ I. THIẾT KẾ CƠ KHÍ 1. Yêu cầu đặt ra - Đảm bảo các tính năng đặt ra ban đầu. - Hạn chế tối đa hiện tượng rung, lắc khung đỡ trong quá trình vận hành. - Hoạt động ổn định, quy trình vận hành đơn giản. - Đảm bảo tính thẩm mỹ của sản phẩm. 2. Tính chiều dày sắt Giả sử thanh sắt gá thanh trượt là một thanh ngang, cố định hai đầu và chịu lực tác dụng đều trên thanh, tại B là vị trí gá tay phun sơn. [5] ∑ = 0 ⇒ −5푞 . − 4푞 . 2 + 푌 . 4 = 0 (1) 13푞 ⇒ 푌 = 4 ∑ = 0 ⇒ −푌 . 4 + 5푞 . 3 + 4푞 . 2 = 0 (2) 23푞 ⇒ 푌 = 4 3 3 3 .6 2,8 .5,8 4 퐽 = − ≈ 8,47 (3) 12 12 11
13. Theo điều kiện bền [5]: | | |휎 | = . ≤ [휎] (4) 퐽 21 2 1 ⟺ 푞 . 3 . ≤ 6,5 4 8,47 4 3 21 1 2 ⇒ ≥ √ 푞 . 3. 4 8,47.6,5 Với = 25 , 푞 ≈ 0.0045 ⇒ ≥ 0.93 Chọn = 1 3. Hình ảnh 3D của hệ thống Hình 3.1 Mô hình 3D của hệ thống 12
14. II. TÍNH TOÁN CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG 1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động Động cơ điện là thiết bị chuyển đổi điện năng thành chuyển động tròn xoay (cơ năng). Động cơ điện được chia làm hai loại: động cơ điện một chiều (DC) và động cơ điện xoay chiều (AC). Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện AC [1] Động cơ điện xoay chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện xoay chiều. Dựa trên nguyên lý hoạt động, cấu tạo của động cơ điện gồm có hai phần: rotor và stator. Stator gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trường quay. Rotor hình trụ có tác dụng như một cuộn dây quấn trên lõi thép. Khi cấp điện vào động cơ, từ trường quay do stator gây ra làm cho rotor quay trên trục. Chuyển động quay của rotor được trục máy truyền ra ngoài để sử dụng theo ý muốn người dùng. Động cơ điện xoay chiều được sản xuất với nhiều mẫu mã và công suất khác nhau. Theo sơ đồ đấu dây có thể chia làm hai loại: động cơ điện xoay chiều ba pha và động cơ điện xoay chiều một pha. Nếu dựa theo tốc độ có thể chia làm hai loại: động cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ. Do những đặc điểm nổi bật của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ nên tôi chọn loại động cơ này làm động cơ kéo băng tải và động cơ kéo cánh tay phun sơn. Những đặc điểm nổi bật của động cơ điện xoay chiều không đồng bộ: 13
15. Ứng dụng rộng rãi trong sản xuất vì loại động cơ này có cấu tạo đơn giản, làm việc ổn định, bảo quản dễ dàng và giá thành thấp. Trong công nghiệp thường dùng máy điện không đồng bộ làm nguồn động lực. Phù hợp với những ứng dụng cần điều chỉnh tốc độ Bên cạnh đó, việc sử dụng biến tần để điều khiển động cơ điện không đồng bộ đã khắc phục những hạn chế: hệ số cos 휑 không cao, đặc tính điều chỉnh tốc độ không tốt.  Phương pháp chọn động cơ [1] [6]: o Tính công suất cần thiết của động cơ o Xác định sơ bộ số vòng quay đồng bộ của động cơ o Dựa vào công suất động cơ và số vòng quay đồng bộ kết hợp với các yêu cầu về quá tải, momen mở máy và phương pháp lắp đặt để chọn động cơ phù hợp 2. Tính toán công suất động cơ truyền động băng tải Tính toán chọn công suất động cơ truyền động băng tải: Công suất 푃1 để dịch chuyển vật liệu. Công suất 푃2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ, ma sát giữa băng tải và các con lăn khi ở trạng thái tĩnh. Công suất 푃3 để nâng tải (nếu băng tải nghiêng).  Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu [2]: 퐹1 = 퐿. 휎. 1. . cos 훽 (5) Trong đó: 훽 : Góc nghiêng của băng tải (훽 = 0) L : Chiều dài băng tải (L = 3m) 휎 : Khối lượng vật liệu trên 1m băng tải (휎 = 400 ) 1 : Hệ số khi dịch chuyển vật liệu ( 1 = 0.05) Ta có: 퐹1 = 퐿. 휎. 1. . cos 훽 → 퐹1 = 3.300.0,02.10 = 180 ( ) 14
16. Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu: 푃1 = 퐹1. 푣 = 180.0,5 = 90 (푊) (6) Lực cản sinh ra do ma sát khi băng tải chuyển động không tải: 퐹2 = 2. 퐿. 휎 . 2. . cos 훽 (7) → 퐹2 = 2.3.1000.0,005.10 = 300 ( ) Trong đó: 2 : hệ số lực cản khi không tải ( 2 = 0.005) 휎 : khối lượng băng tải trên 1m chiều dài băng tải Công suất cần thiết để chống lại lực cản do ma sát: 푃2 = 퐹2. 푣 (8) → 푃2 = 600.0,5 = 300 (푊) Công suất tĩnh của băng tải: 푃 = 푃1 + 푃2 (9) → 푃 = 90 + 300 = 390 (푊) = 0.39 ( 푊) Công suất động cơ truyền động băng tải: 푃 푃 = . (10) 3  0.39 → 푃 = 1,2. = 0.4979 ( 푊) 0.94 Trong đó: 3 : Hệ số dự trữ về công suất ( 3 = 1.2 ÷ 1.25)  : Hiệu suất truyền động 15
17. Từ đó, tôi chọn motor có thông số kỹ thuật như sau: Hãng sản Loại động Công suất Trọng lượng Điện áp (V) Xuất xứ xuất cơ (kW) (Kg) Động cơ Trung Dolin 380 0.55 14 giảm tốc Quốc Bảng 3.1 Thông số động cơ băng tải Hình 3.3 Motor giảm tốc Dolin DLSH 1/30 0.55kW 3. Tính toán công suất động cơ kéo cánh tay máy Công suất động cơ được xác định theo công thức: [3] 푃 푃 = 푡 (11) 푡  Trong đó: 푃 푡 : Công suất cần thiết (kW) 푃푡 : Công suất tính toán (kW)  : Hiệu suất truyền động 2 2 Hiệu suất truyền động:  = 표푙.  . đ. 푡 = 0,995 . 0,97.0,95.0,98 = 0,894 Trong đó: 표푙 = 0,995: Hiệu suất một cặp ổ lăn  = 0,97 : Hiệu suất của một bộ truyền bánh răng đ = 0,95 : Hiệu suất của bộ truyền đai 16
18. 푡 = 0,98 : Hiệu suất một cặp ổ trượt Bỏ qua thời gian tăng tốc, thời gian giảm tốc của cánh tay, ta xem cánh tay chuyển động với vận tốc không đổi 푣 = 1,7 /푠 và lực cần thiết để kéo cánh tay máy là 퐹 = 20 . 푃푡 퐹.푣 20.1,7 34 Ta có: 푃 = = = = = 0,038 (kW) 푡  1000. 1000.0,894 894 Từ đó, tôi chọn động cơ kéo cánh tay như sau: Loại động Công suất Hãng sản xuất Điện áp (V) Xuất xứ cơ (kW) OM Động cơ 200 0.04 Japan 5RK40GN – C giảm tốc Bảng 3.2 Thông số động cơ kéo tay máy Hình 3.4 Động cơ Oriental Motor 5RK 40GN – C III. CHỌN BIẾN TẦN Biến tần được đánh giá là một công nghệ tiên tiến, mang lại những thay đổi lớn trong các ngành công nghiệp cuối thế kỷ XX. Biến tần đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và mới được đưa vào Việt Nam trong một vài năm gần đây. 17
19. Nguyên lý làm việc chung của bộ biến tần khá đơn giản. Nguồn điện xoay chiều 1 pha hay 3 pha được chỉnh lưu và lọc thành nguồn điện 1 chiều nhờ bộ chỉnh lưu. Nhờ vậy, hệ số công suất cos 휑 của biến tần không phụ thuộc vào tải và có giá trị thấp nhất là 0,96. Điện áp 1 chiều này lại được nghịch lưu thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua bộ IGBT bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM). Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động của biến tần 1. Một số yêu cầu đối với biến tần Có khả năng điều chỉnh tần số, momen, thời gian tăng tốc, giảm tốc. Có khả năng cung cấp dòng điện định mức ở mọi tần số. 2. Chọn biến tần Dựa vào thông số của động cơ đã tính toán ở trên, tôi chọn bộ biến tần loại SV004iC5- 1F thuộc dòng IC5 Series của LS. Thông số kỹ thuật: Biến tần 1 phase 220V Mã số: SV004iC5 – 1F Thuộc loại iC5 Series Công suất: 0.37 Kw (0.5 Hp) o Điều khiển V/F Sensorless Vector o Tự động dò thông số động cơ o Động cơ hoạt động 150% moment ở tần số 0.5 Hz o Tần số ngõ ra từ 0 ~ 400 Hz o Tần số mang từ 0 ~ 15 kHz o Điều khiển PID o Bảo vệ lỗi chạm đất o Lọc RFI o Lập trình điều khiển đầu vào/ra 18
20. o Tín hiệu vào tùy chọn NPN/PNP o Ngõ ra analog 0 ~ 10 VDC o Hỗ trợ card truyền thông Modbus Hình 3.6 Một số thông số của biến tần Hình 3.7 Hình dáng bên ngoài của biến tần 19
21. Hình 3.8 Giới thiệu sơ bộ về biến tần Hình 3.9 Một số vùng chức năng [8] 20
22. S K L 0 0 2 1 5 4