Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển lập trình cho máy dập CNC

Nội dung text: Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển lập trình cho máy dập CNC

1. THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LẬP TRÌNH CHO MÁY DẬP CNC DESIGN AND MANUFACTURE A CNC CONTROLLER FOR STAMPING MACHINE Tạ Nguyễn Minh Đức, Trần Mai Văn Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM TÓM TẮT Để đạt tính chuyên môn hóa trong sản xuất sản phẩm dập thì phải tiến hành tự động hóa các khâu trong sản xuất từ việc thiết kế cơ khí cho tới hệ thống điện, điện tử, lập trình, điều khiển thông minh Do đó, cần thiết phải có một hệ thống dây chuyền tự động, chính xác và liên lục. Hệ thống dập tự động có khả năng điều khiển hành trình dập, thay đổi thời gian và chu kỳ dập linh hoạt kết hợp với hệ thống cấp phôi tự động ra đời nhằm đáp ứng những yêu cầu trên. Trong phần nghiên cứu này, một hệ thống máy dập tự động hoàn thiện cùng hệ thống cấp phôi tự động nhằm phục vụ giảng dạy và quảng bá công nghệ đến khách hàng tiềm năng được thực hiện. Đầu tiên, nguyên lý hoạt động cơ bản của toàn hệ thống được thiết kế. Tiếp theo, quá trình mô phỏng động học và kết nối toàn hệ thống được thực hiện. Ba module gồm module truyền động cho máy dập, hệ thống cấp phôi tự động và hệ thống xả cuộn được thi công. Cuối cùng tòan bộ hệ thống được lắp ráp và thử nghiệm. Sản phẩm dập thử cho kết quả chính xác. Toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy như mong đợi Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn cồng kềnh. Do đó cần có sự cải tiến trong việc thiết kế để tạo ra kiểu dáng nhỏ gọn hơn Từ khóa: CNC controller, stamping machine, automatic system ABSTRACT Automation in manufacturing from designing machanisms to electrical system, programming must be done to increase the capacity of stamping system. Therefore, it’s necessary to get an automatic system which is accuracy and progressive. An automatic stamping system which can be programmed to change stroke, time and stamping cycle combining with an automatic feeding can fully response these requirements. In this research, an automatic stamping system with the automatic feeding were done. Firstly, operating procedure was designed. Then, dynamic and acquisition simulation were done. Three modules including driven module, feeding system and feeder were manufactured. Finally, fully system was assembled and experimented. The experimented products were calibrated and the accuracy was very great. This system operated stabilitily and highly trusted. However, the dimension of fully system is too large. So, an innovation in redesign the system need to be required. Keywords: CNC controller, stamping machine, automatic system
2. 1. Tổng quan 1.1 Hệ thống tự động trong công nghiệp Trong công nghiệp yêu cầu về tự động hóa ngày càng tăng. Từ các máy công tác cho đến dây chuyền sản xuất đòi hỏi luôn cần hệ thống điều khiển điều khiển và vận hành cho dây chuyền làm việc. Điểm nổi bật của hệ thống điều khiển là khả năng đáp ứng cao với điều kiện làm việc, để đạt được điều đó thì phải có một bộ não để xử lí mọi việc tạo nên một trung tâm xử lí (MCU). Trung tâm điều khiển ấy có thể được tạo nên từ nhũng bộ vi xử lí, vi điều khiển, hay PLC, Hệ thống điều khiển cho máy dập cũng có thể được tự động hóa, và đạt độ chính xác cao, khả năng đáp ứng trong công nghiệp tốt là đòi hỏi phải có một trung tâm điều khiển với tốc độ xử lí cao và chính xác, và ta cũng có thể thực hiện bằng chương trình nhớ kết hợp những với khối xử lí bằng mạch điện tử như vi xử lí, vi điều khiển, PLC, 1.2 Các module của hệ thống dập tự động Một hệ thống dập tự động bao gồm: 1.2.1 Khuôn dập - Chức năng: Nhận lực từ máy dập và trực tiếp biến dạng kim loại trong lòng khuôn tạo ra sản phẩm Hình 1: Khuôn dập 1.2.2 Máy dập - Chức năng: Nâng đỡ khuôn, tạo ra lực dập cung cấp cho khuôn để khuôn làm việc. Hình 2: Máy dập thủy lực
3. 1.2.3 Máy cấp phôi - Chức năng: Nạp phôi vào khuôn dập đều đặn theo chu trình dập của máy (phôi cuộn hoặc phôi rời). Có thể hoạt động bằng khí nén hoặc bằng điện. Hình 3: Máy cấp phôi tự động 1.2.4 Máy xả cuộn – đối với phôi dải liên tục - Chức năng: Giữ cuộn phôi và xả phôi cho máy cấp phôi vừa đủ đều đặn theo chu kỳ. Hình 4: Máy xả cuộn
4. 2. Các cơ cấu phục vụ điều khiển – vận hành 2.1 Cơ cấu điều khiển hành trình dập 2.1.1 Bộ đo khoảng cách dùng cảm biến quang và thanh cản quang lắp trên pen thủy lực Hình 5: Bộ đo khoảng cách sử dụng cảm biến quang 2.1.2 Bộ truyền vít me – đai ốc bi Hình 6: Bộ truyền vít me – đai ốc bi - Thông số bộ truyền: Bước trục vít: 10mm/vòng; Đường kính trục vít: 12mm; Chiều dài trục vít: 600mm.
5. 2.1.3 Động cơ bước Hình 7: Động cơ bước 2.1.4 Nguyên lý làm việc của cơ cấu - Khi có lệnh từ bộ phận điều khiển, động cơ bước sẽ quay trục vít me điều chỉnh độ cao của cảm biến quang ở vị trí cần thiết. Trong quá trình dập, khi thanh cản quang trên pen thủy lực đi qua rãnh trên cảm biến quang, cảm biến quang sẽ xuất tín hiệu về cho bộ phận điều khiển báo hết hành trình dập. 2.2 Cơ cấu định hướng phôi trên khuôn Hình 8: Cơ cấu định hướng phôi trên khuôn
6. 2.3 Cơ cấu lấy sản phẩm Hình 9: Cơ cấu lấy sản phẩm Hình 10: Quá trình lấy sản phẩm Hình 11: Thùng chứa sản phẩm rơi ra
7. 2.4 Cơ cấu kích xả và kích dừng xả phôi cuộn 2.4.1 Cơ cấu kích xả phôi cuộn Hình 12: Cơ cấu kích xả phôi cuộn - Hoạt động: Khi máy cấp phôi kéo căng phôi, dải phôi sẽ làm thanh gạt bật lên, giải phóng công tắc hành trình (bị tác động ở trạng thái tự do), gửi tín hiệu về mạch điện điều khiển tiến hành quay trục tang nhả phôi. 2.4.2 Cơ cấu kích dừng xả phôi cuộn Hình 13: Cơ cấu kích dừng xả phôi cuộn - Hoạt động: Khi tang quay đúng 1 vòng, thanh cản quang lắp trên trục tang sẽ chắn vào khe của cảm biến quang, gửi tín hiệu về mạch điện điều khiển để dừng tang, tang sẽ dừng khi thanh cản quang vừa ra khỏi khe của cảm biến.
8. 3. Các mạch điện tử và hệ thống điện điều khiển 3.1 Mạch điều khiển Sơ đồ 1: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển máy dập NC Hình 14: Mạch điều khiển máy dập NC thực tế
9. 3.2 Mạch Driver động cơ bước Sơ đồ 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver động cơ bước Hình 15: Mạch Driver động cơ bước thực tế
10. 3.3 Mạch Driver van thủy lực Sơ đồ 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Driver van thủy lực Hình 16: Mạch Driver van thủy lực thực tế
11. 3.4 Mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi Sơ đồ 4: Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi Hình 17: Mạch giao tiếp Máy dập – Máy cấp phôi thực tế 3.5 Mạch nguồn xung cho Vi điều khiển Hình 18: Mạch nguồn xung cho Vi điều khiển
12. 3.6 Mạch nguồn chỉnh lưu 12V – 24V Hình 19: Mạch nguồn chỉnh lưu 12V – 24V 3.7 Hệ thống điện điều khiển trên máy dập NC 3.7.1 Bảng điều khiển Sơ đồ 5: Sơ đồ điện bảng điều khiển Máy dập NC
13. Hình 20: Bảng điều khiển Máy dập NC thực tế 3.7.2 Tủ điều khiển Sơ đồ 6: Sơ đồ điện tủ điều khiển
14. Hình 21: Tủ điều khiển thực tế 3.7.3 Tủ công suất Sơ đồ 7: Sơ đồ tủ động lực Hình 20: Tủ động lực thực tế
15. 3.7.4 Điện cơ cấu chấp hành Sơ đồ 8: Sơ đồ điện cơ cấu chấp hành Máy dập NC. 4. Quá trình hoạt động của hệ thống 4.1 Quá trình hoạt động của máy dập NC 4.1.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual cho phép thực hiện các thao tác đóng – mở khuôn, dập sản phẩm thông qua điều khiển hoàn toàn bằng tay. Có thể sử dụng bàn đạp để giải phóng cả 2 hay nhằm thuận lợi cho gá phôi to, nặng , tuy nhiên cần hết sức cẩn thận. - Có 2 khóa: Khóa pen thủy lực, khóa bàn đạp nhằm đảm bảo an toàn. 4.1.2 Chế độ Auto (tự động) - Chế độ Auto cho phép cài đặt khoảng hành trình khuôn từ vị trí khuôn đóng đến điểm kết thúc hành trình công tác bằng cách nhập khoảng cách thông qua bàn phím. - Sau khi cài đặt khoảng cách, máy đưa ra 2 sự lựa chọn: Thực hiện dập từng chu kì (1 – cycle): chỉ cần nhập thời gian dừng DT(s). Khi nhấn nút DOWN hoặc đạp bàn đạp, máy sẽ tiến hành dập đến vị trí đã cài đặt, sau đó dừng khoảng thời gian DT rồi tự động mở khuôn.
16. Thực hiện dập nhiều chu kì (N – cycle): cần nhập thời gian dừng DT(s), số chu kì dập N(rounds) và thời gian giữa 2 chu kì kế tiếp CT(s). Ở chế độ này cần lắp ráp hệ thống cấp phôi tự động, cắm cáp giao tiếp giữa máy dập và máy cấp phôi, để cả máy cấp phôi và máy xả cuộn ở chế độ tự động. Khi nhấn nút START, máy sẽ tiến hành dập đến vị trí đã cài đặt, sau đó dừng khoảng thời gian DT rồi tự động mở khuôn, máy cấp phôi sẽ kéo phôi vào 1 đoạn đã định trước sau đó máy dập sẽ chờ thời gian CT rồi tiến hành dập chu kỳ tiếp theo. Thao tác lặp đi lặp lại đủ N lần đã nhập. 4.2 Quá trình hoạt động của máy cấp phôi 4.2.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual trên máy cấp phôi được dùng chủ yếu trong quá trình nạp phôi mới. Sau khi nạp phôi xong, chuyển máy sang chế độ Auto để chuẩn bị cho quá trình dập tự động nhiều chu kỳ. 4.2.2 Chế độ Auto (tự động) - Trong chế độ tự động, tín hiệu bắt đầu 1 chu kỳ kéo phôi được truyền bởi Máy dập. Qua mạch chuẩn 2 tầng, máy sẽ kéo 1 đoạn phôi có chiều dài đặt trước. Sau đó máy cấp phôi sẽ gửi tín hiệu hoàn thành cấp phôi về cho máy dập để máy tiến hành dập. 4.3 Quá trình hoạt động của máy xả cuộn. 4.3.1 Chế độ Manual (bằng tay) - Chế độ Manual trên máy xả cuộn được dùng chủ yếu trong quá trình nạp phôi mới hoặc thu lại phôi thừa. Sau khi xử lý phôi xong, chuyển máy sang chế độ Auto để chuẩn bị cho quá trình dập tự động nhiều chu kỳ. 4.3.2 Chế độ Auto (tự động) - Ở chế độ tự động, máy hoạt động độc lập, ko giao tiếp với các máy khác. Khi máy cấp phôi kéo căng phôi, phôi sẽ làm thanh gạt bật lên, tác động vào công tắc hành trình S làm kích hoạt chu trình xả phôi. Khi tang cuốn phôi quay 1 vòng, thanh cản quang lắp trên trục tang sẽ chắn vào khe trên cảm biến xuất tín hiệu dừng động cơ quay tang. - Trong suốt quá trình xả phôi, máy có thể dừng bất kỳ lúc nào bằng cách nhấn nút STOP. 5. Thử nghiệm và đánh giá 5.1 Thử nghiệm – đánh giá máy dập NC 5.1.1 Ưu điểm: - Quá trình thử nghiệm thực hiện trên các hạng mục sau: + Chế độ vận hành bằng tay, máy hoạt động ổn định, khả năng đáp ứng thao tác vận hành của người đứng máy tương đối nhanh. + Chế độ tự động: khả năng tương tác tốt, giao diện thân thiện với người dùng, hoạt động độ chính xác tương đối cao, hầu như không bị nhiễu; khả năng giao tiếp, phối hợp với các thiết bị khác của hệ thống tự động rất chặc chẽ.
17. 5.1.2 Nhược điểm - Lực dập còn yếu, chưa đủ lực áp dụng với các khuôn cần lực dập 10 tấn trở lên. - Không gian gá khuôn hạn chế chỉ đáp ứng được các khuôn có kích thước nhỏ. - Hệ điều khiển chưa chống chịu được với các nguồn gây nhiễu khắc nghiệt như hàn hồ quang, máy EDM, v.v 5.1.3 Hướng khắc phục: - Nâng công suất động cơ cũng như đường kính pen thủy lực. - Cải tiến tăng không gian gá đặt khuôn trên máy. - Sử dụng các thiết bị điều khiển khả trình có khả năng chống nhiễu tốt như PLCs. 5.2 Thử nghiệm – đánh giá máy cấp phôi. 5.2.1 Ưu điểm: - Cơ cấu thay đổi chiều dài đoạn phôi cấp vào đơn giản, hoạt động ổn định, tin cậy. - Có cơ cấu nắn thẳng phôi trước khi cấp vào khuôn. - Truyền và nhận tín hiệu với máy dập chính xác, ổn định. 5.2.2 Nhược điểm - Tốc độ cấp phôi chưa cao. - Chỉ đáp ứng phôi có bề rộng không quá 70mm và bề dày không quá 2mm. 5.2.3 Hướng khắc phục: - Sử dụng xilanh khí nén có tốc độ cao, chịu áp suất cao. - Cải tiến, mở rộng cơ cấu định hướng để tăng bề rộng phôi có thể đáp ứng. 5.3 Thử nghiệm – đánh giá máy xả cuộn. 5.3.1 Ưu điểm: - Hoạt động độc lập, tin cậy, chính xác, độ ổn định cao, không nhiễu, moment lớn. 5.3.2 Nhược điểm - Tốc độ quay còn chậm, chưa điều khiển được tốc độ. Chỉ đáp ứng phôi có bề rộng không quá 300mm và tổng khối lượng cuộn phôi không quá 200kg. 5.3.3 Hướng khắc phục: - Sử dụng động cơ có tốc độ lớn hơn - Cải tiến, thay đổi kết cấu, tăng tải trọng trục tang.
18. 5.4 Thử nghiệm – đánh giá toàn bộ hệ thống tự động 5.4.1 Ưu điểm: - Tổng hợp ưu điểm của cả 3 thành phần nói chung. - Hoạt động linh hoạt, ổn định, chính xác. - Không cần công nhân đứng vận hành sau khi thiết lập xong các thông số đầu vào. - Tiết kiệm thời gian, năng suất cao hơn kiểu cấp phôi truyền thống. 5.4.2 Nhược điểm - Năng suất chưa cao bằng các hệ thống cấp phôi với các lại máy dập bánh đà. 5.4.3 Hướng khắc phục: - Cải tiến tăng tốc độ dập, giảm hành trình tự do trên khuôn. 5.5 Kết quả đạt được Hình 22: Kết quả đạt được 6. Kết luận Sau khi thiết kế và thi công mạch điện điều khiển, lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống máy dập CNC các kết quả được rút lại như sau: Tính toán thiết kế hoàn chỉnh các thành phần của toàn bộ hệ thống điều khiển máy dập CNC Phân tích quá trình xảy ra khi thực hiện thao tác dập. Thi công toàn bộ các mạch điện điều khiển Lập trình hoàn thiện các thao tác để điều khiển máy dập. Thực nghiệm đánh giá và hoàn tất toàn bộ hệ thống máy dập CNC
19. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Trần Xuân Tùy, ThS Trần Minh Chính, KS Trần Ngọc Hải Giáo trình hệ thống truyền động thủy khí,Trường ĐHBK Đà Nẵng, 2005 [2] Đinh Bá Trụ, Nguyễn Trường An, Máy ép thủy lực, Học viện kỹ thuật quân sự, 2005 [3] PGS.TS Đặng Thiện Ngôn, Trang bị điện- điện tử trong trong máy công nghiệp, Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM, 2013 [4] Nguyễn Đình Phú, Vi điều khiển PIC 16F887, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM, 2012 [5] Bộ môn Điện công nghiệp, Giáo trình thuyết bị điều khiển điện, Trường đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM [6] Giáo trình Ngôn ngữ lập trình C, Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM [7] Hồ Viết Bình – Trần Thế San, Tự động hóa quá trình sản xuất Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP.HCM [8] John Moton, The PIC Microcontroller - Your Personal Introductory Course, 3rd Ed [9] Milan Verle, Pic Micro controller programming in C [10] Microchip, Pic Micro Mid-Range MCU Family Reference Manual [11] Nigel Gardner, An introdution to programming The Microchip Pic in CCS-C [12] C- Compiler Reference Manual Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Tạ Nguyễn Minh Đức Họ tên: Tạ Nguyễn Minh Đức Đơn vị: Khoa Cơ khí máy, trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM Điện thoại: 0908.477.232 Email: minhduc.ckm@gmail.com Chuyên ngành chính: Điện tự động
20. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.