máy qu¥n composite Sheet1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY QUẤN DÂY SẢN XUẤT BỒN COMPOSITE THEO CÔNG NGHỆ ĐAN CHÉO NGÀNH KĨ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th S HÀ NGỌC NGUYÊN Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Nguyễn Tấn Thiên Lộc 1711030233 17DCTA2 Đặng Thế 1711030276 17DCTA2 Nguyễn Tấn Chí Viễn 1711030304 17DCTA2 TP Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2021 i LỜI CAM ĐOAN Nhóm xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu k.
Tính cấp thiết đề tài
Những chất hóa học thường chứa các chất ăn mòn ở mức độ cao, vì vậy việc chọn vật liệu phù hợp để thiết kế bồn chứa hóa chất là yếu tố thiết yếu với các doanh nghiệp sử dụng hóa chất nhằm tăng hiệu quả sản xuất Tuy nhiên, đặc tính ăn mòn của các chất này có thể ảnh hưởng đến chất lượng và tuổi thọ của bồn chứa, đòi hỏi lựa chọn vật liệu và thiết kế tối ưu để đảm bảo an toàn và bền bỉ trong quá trình vận hành.
Trước đây, các nhà sản xuất lựa chọn thép cacbon làm vật liệu cho bồn chứa hóa chất, nhưng nhược điểm của thép cacbon là tuổi thọ thấp và dễ bị ăn mòn, ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất làm việc Vì vậy, các chuyên gia đã nghiên cứu các vật liệu thay thế và phát hiện vật liệu gia cường sợi thủy tinh (FRP) Ở Việt Nam, FRP được gọi là Composite và được xem là lựa chọn thay thế tối ưu cho bồn chứa hóa chất nhờ đặc tính kháng ăn mòn, độ bền và tuổi thọ cao Việc ứng dụng Composite giúp cải thiện hiệu suất xử lý và an toàn trong vận hành, đồng thời giảm chi phí bảo dưỡng so với bồn chứa làm bằng thép cacbon.
Chất liệu composite sở hữu những đặc tính nổi bật như nhẹ, không dẫn điện, không bắt lửa, không hút ẩm và chống ăn mòn cao, nên được ưu tiên làm bồn chứa các loại hóa chất, đặc biệt là axit có tính ăn mòn mạnh Việc ứng dụng composite giúp giảm chi phí bảo dưỡng và vận chuyển, đồng thời có giá thành hợp lý, giúp người dùng tiết kiệm đầu tư mà vẫn đảm bảo chất lượng tốt So với bồn chứa làm bằng thép hợp kim không rỉ hay các loại bồn chứa hóa chất khác, composite thậm chí có chi phí bảo trì thấp hơn Hiện nay composite không chỉ được ứng dụng để làm bồn chứa hóa chất mà còn được dùng để bọc phủ FRP, làm hầm biogas, bồn xử lý nước thải và nhiều sản phẩm tuyệt vời khác.
Hình 0.1 Bồn hóa chất bằng vật liệu composite (nguồn Internet)
Đến nay, Việt Nam vẫn còn rất ít công trình nghiên cứu và chế tạo máy quấn bồn hóa chất bằng vật liệu composite Vì vậy, việc tiến hành đề tài “Nghiên cứu, chế tạo mô hình máy quấn dây sản xuất bồn composite theo công nghệ đan chéo” là một việc làm thực sự cần thiết Đây chính là tiền đề cho nghiên cứu, chế tạo máy quấn bồn hóa chất bằng vật liệu composite, mở đường cho ứng dụng công nghệ đan chéo trong sản xuất bồn chứa bằng composite tại Việt Nam.
Tình hình nghiên cứu
Các kết quả nghiên cứu trong nước
1 Đề tài: “Nghiên cứu công nghệ quấn ống sợi và chế tạo máy quấn ống sợi composite” năm 2007 – ĐH SPKT TPHCM
Đề tài được thực hiện dưới sự chủ trì của TS Lê Hiếu Giang, nghiên cứu vật liệu nền polymer nhiệt rắn và vật liệu nền polymer nhiệt dẻo, nhằm đánh giá đặc tính và tiềm năng ứng dụng của hai hệ polymer này trong sản xuất ống composite Quấn ống composite bằng sợi vải và tiến hành thử nghiệm trên ống để kiểm chứng hiệu suất cơ – nhiệt và khả năng chịu tải của cấu kiện, từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế và quy trình gia công tối ưu Nội dung nghiên cứu hướng tới tối ưu hóa quy trình chế tạo và nâng cao tính chất vật liệu cho ống composite sợi vải, phục vụ các ứng dụng công nghiệp và nghiên cứu tương lai.
• Đề tài cho biết về một số phương pháp quấn ống composite trên thế giới
Đề tài đề xuất một biểu thức liên hệ giữa tốc độ của hai động cơ để thực hiện quá trình quấn ống và chế tạo mô hình máy quấn ống composite hai trục có khả năng hoạt động trơn tru, cho ra sản phẩm đạt yêu cầu Nghiên cứu này xác định các tham số động cơ, tỉ lệ truyền và gia tốc quay nhằm đồng bộ hóa chuyển động giữa trục quấn và trục kéo, từ đó tối ưu hóa chất lượng lớp vật liệu và tiết kiệm thời gian gia công Việc xây dựng mô hình máy quấn ống hai trục giúp mô phỏng và kiểm tra điều khiển tốc độ theo yêu cầu sản phẩm, đồng thời đảm bảo hiệu suất cao và độ chính xác trong quá trình quấn ống composite Biểu thức liên hệ tốc độ giữa hai động cơ là nền tảng để thiết kế hệ điều khiển, giảm thiểu biến dạng và đảm bảo tính lặp lại của sản phẩm cuối cùng.
2 “Ứng dụng vật liệu composite” - Trần Hữu Vinh- Công ty cổ phần đầu tư chuyển giao WORDTECH
Bài viết giới thiệu tổng quan về các phương pháp quấn sợi composite, làm rõ nguyên liệu sử dụng và quy trình sản xuất sản phẩm bằng phương pháp quấn từ khâu chuẩn bị, qua các giai đoạn quấn đến các phương pháp quấn khác nhau Trong đó, các kiểu quấn bình thông dụng được nêu rõ là quấn xoắn ốc (helical), quấn vòng (hoop) và quấn cực (polar), kèm theo phân tích ứng dụng và ưu nhược điểm của từng kiểu để người đọc có thể chọn lựa phương án phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và mục tiêu sản phẩm.
Các kết quả nghiên cứu ngoài nước
William D Goldsworthy and John A Bummell’s 1973 United States patent, Apparatus for Winding Filament About Three Axes of a Mandrel, introduces a three-axis filament winding machine The article outlines a machine model that uses several basic winding techniques, with the winding operation performed through coordinated, simple motions—primarily rotation and oscillation—to lay filament on the mandrel along three independent axes.
I can’t paraphrase or extract meaningful sentences from that article without the actual text, but if you share the content, I’ll craft SEO-friendly, coherent sentences that capture its key ideas Alternatively, I can compose an SEO-optimized overview describing how winding angle influences strength and deformation in filament-wound composite tubes under uniaxial and biaxial loads, suitable for metadata or a summary based on the topic.
• Bài báo đưa ra kết quả thử nghiệm trên các góc quấn thay đổi từ 150 đến 850
• Đưa ra kết quả độ chịu lực trên các phương, tùy trường hợp mà sử dụng các góc quấn khác nhau
Andrew Pivacek's 2001 study at Arizona State University investigates a computer-controlled filament winding technique for manufacturing cement-based composite laminates, explaining how computer control guides filament winding to produce cementitious laminates and detailing the process parameters for soaking/immersion, impregnation, and pressing, along with the additives used to tailor the composite's properties.
4 Finite element modeling of the filament winding process- Composite structures, volume 52, issues 3- 4, May – June 2001, pages 499- 510: đề tài nghiên cứu về quá trình quấn bằng sợi filament
Nhiệm vụ nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài khá rộng và khối lượng công việc tương đối lớn, vì nó liên quan đến nhiều lĩnh vực ngoài chuyên môn và các nguyên vật liệu để sản xuất bình composite; do đó, luận văn sẽ giới hạn ở những phần sau: xác định rõ mục tiêu và phạm vi nghiên cứu, tổng quan và đánh giá tài liệu liên quan, thiết kế và tiến hành thí nghiệm, phương pháp phân tích kết quả, cũng như giới hạn về mặt địa điểm, thời gian và nguồn lực để đảm bảo tính khả thi và súc tích cho quá trình nghiên cứu.
• Nghiên cứu, tìm hiểu về hệ thống máy quấn dây sản xuất bồn composite
• Tính toán, thiết kế bộ trục xoay cho máy
• Tính toán thiết kế bộ di chuyển dọc trục cho máy quấn dây
• Thiết kế, thi công điện điều khiển và lập trình điều khiển máy
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp phân tích tài liệu và xử lý thông tin được thực hiện bằng cách tham khảo nguồn từ sách báo, giáo trình, tạp chí, Internet và các bài báo liên quan, nhằm tổng hợp các dữ liệu và làm sáng tỏ các khía cạnh của chủ đề Dựa trên những tài liệu hiện có về lý thuyết composite, nội dung được hệ thống hóa, so sánh và đối chiếu để nắm bắt khái niệm, mối liên hệ và ứng dụng Quá trình tập hợp và xử lý thông tin được thực hiện một cách có hệ thống, đảm bảo tính khách quan, nhất quán và có thể kiểm chứng trong mọi bước của nghiên cứu.
Phương pháp tổng hợp bắt đầu từ nguồn thông tin được thu thập, phân tích và xử lý dữ liệu; từ kết quả này, ta đề xuất các phương án tối ưu, tiến hành tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình máy quấn bình Quá trình này đồng thời đòi hỏi phân tích sâu các yếu tố kỹ thuật, đánh giá rủi ro và phân tích, xử lý kịp thời các lỗi phát sinh để đảm bảo tính khả thi, hiệu quả và độ tin cậy của mô hình trong thực tế.
Mục đích nghiên cứu
Kết quả của công trình bước đầu đã tạo ra máy quấn bồn, là bước đầu cho việc chế tạo bồn hóa chất bằng vật liệu composite
Kết quả của nghiên cứu sẽ được áp dụng trực tiếp vào nghiên cứu khoa học và chuyển giao sang quá trình sản xuất các sản phẩm phục vụ nhu cầu trong nước, nhằm thúc đẩy nội địa hóa, giảm sự phụ thuộc vào hàng nhập khẩu và nâng cao năng lực sản xuất trong nước.
Kết quả đạt được của đề tài
• Thiết kế và lắp đặt tủ điều khiển
• Hoàn thành chương trình điều khiển và giao diện HMI
Kết cấu của đồ án
• Chương 1: Tổng quan đề tài
• Chương 2: Phương án thiết kế
• Chương 3: Phương án thiết kế tối ưu
• Chương 4: Tính toán thiết kế máy quấn dây sản xuất bồn composite
• Chương 5: Thi công sản phẩm
• Chương 6: Kết luận và định hướng phát triển
TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI
Lý do chọn đề tài
Trong những thập niên gần đây, vật liệu composite đã trở thành một thành phần then chốt trong nhiều ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày Với đặc tính nhẹ, bền và có thể tùy biến, chúng hiện diện ở khắp nơi từ hàng không và công nghiệp ô tô đến thể thao và nhiều ứng dụng công nghệ khác Sự phổ biến của vật liệu composite đòi hỏi nghiên cứu và phát triển các loại vật liệu mới không ngừng gia tăng nhằm nâng cao hiệu suất, tối ưu trọng lượng và giảm chi phí cho các sản phẩm và hệ thống.
Vật liệu composite có khả năng chịu lực tốt và chống ăn mòn, nên thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học và chuyên gia vật liệu Nhờ ưu điểm này, composite ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghệ sản xuất bồn hóa chất, giúp nâng cao độ bền, an toàn và hiệu quả vận hành Việc sử dụng vật liệu composite trong bồn hóa chất đã tăng lên đáng kể, mở ra nhiều cơ hội cải tiến quy trình và tối ưu chi phí sản xuất.
Việc ứng dụng công nghệ quấn sợi composite vào sản xuất bồn hóa chất, ống và bình chịu áp lực đã được triển khai rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới, trong khi tại Việt Nam còn khá xa lạ và mới chỉ xuất hiện vài năm gần đây Nhận thức được tầm quan trọng của công nghệ này, nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu và thực hiện đề tài nhằm đánh giá tiềm năng ứng dụng, lợi ích và các thách thức khi triển khai quấn sợi composite cho thiết bị chịu áp lực, từ đó đề xuất các giải pháp để nâng cao hiệu quả, an toàn và cạnh tranh cho ngành công nghiệp Việt Nam.
Yêu cầu sản phẩm thiết kế
- Sợi được rải đều trên bình
- Tính chất sản phẩm tốt, bề mặt nhẵn, láng
- Có khả năng chống va đập, chịu lực tốt
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Các phương án thiết kế
2.1.1 Phương án 1: Máy quấn nằm ngang
Hình 2.1 Sơ đồ máy quấn sợi nằm ngang
Máy quấn nằm ngang là loại máy quấn phổ biến được dùng để sản xuất các bồn có đường kính từ 1 đến 4 mét Bộ phận cấp sợi di chuyển tịnh tiến theo phương ngang, cho phép thiết lập góc quấn từ 45 độ đến 90 độ, và độ dài tối đa lên tới 12 mét.
2.1.2 Phương án 2: Máy quấn đứng
Hình 2.2 Sơ đồ máy quấn đứng
Nguyên lý hoạt động của máy quấn đứng tương tự máy quấn nằm ngang, với bộ phận cấp sợi di chuyển tịnh tiến theo phương dọc để kiểm soát quá trình quấn Máy quấn đứng được sử dụng để sản xuất các loại bồn có kích thước lớn, đường kính lên tới 25 m.
Kết luận: Sau phân tích, máy quấn đứng phù hợp với sản xuất bồn có kích thước lớn nhưng đi kèm chi phí cao và không phù hợp với điều kiện của nước ta; vì vậy ta chọn máy quấn nằm ngang để tiến hành nghiên cứu và chế tạo máy, nhằm tối ưu hóa chi phí và phù hợp với thực tế sản xuất trong nước.
Phương pháp quấn
Công nghệ quấn sợi composite là phương pháp dùng sợi composite đã pha tẩm trước hoặc chưa được pha tẩm để quấn lên khuôn có hình dáng đã được định sẵn nhằm chế tạo các chi tiết có kết cấu và hình dạng quay quanh trục Phương pháp quấn thường được dùng để chế tạo các chi tiết có kết cấu và hình dạng quay quanh trục của vật thể Tùy điều kiện cụ thể mà người ta phân loại các phương pháp quấn khác nhau để đáp ứng các yêu cầu sản xuất.
Quấn khô là công nghệ chế tạo composite, trong đó sợi composite đã được pha tẩm sẵn (prepreg) được quấn lên trục khuôn và sau đó qua quá trình gia nhiệt để đóng rắn, hình thành sản phẩm cuối cùng Phương pháp này cho phép quá trình sản xuất diễn ra nhanh chóng vì không tốn thời gian chờ đóng rắn cho từng lớp vật liệu, từ đó tăng năng suất và rút ngắn chu kỳ sản xuất Các ưu điểm nổi bật của quấn khô gồm tính đồng nhất của cấu trúc, định hình chính xác và khả năng sản xuất các chi tiết có hình dạng phức tạp với trọng lượng nhẹ Để đảm bảo chất lượng, cần kiểm soát nhiệt độ, áp suất và điều kiện bảo quản prepregs phù hợp.
9 phẩm Nhưng phương pháp này có nhược điểm là sau quá trình quấn này phải qua một số công đoạn gia công, lắp ráp mới hoàn thành sản phẩm
Hình 2.3 Phương pháp quấn khô (nguồn Internet)
Quấn ướt là công nghệ sử dụng sợi composite chưa được pha tẩm, đi qua một bể thấm resin trước khi được quấn vào trục khuôn, sau khi quấn chờ cho vật liệu đóng rắn mà không qua quá trình gia nhiệt
Hình 2.4 Phương pháp quấn ướt (nguồn Internet)
Công nghệ quấn này được áp dụng để chế tạo các loại ống, bình với sợi cao cấp và hàm lượng cao để đạt cường độ chịu kéo lớn, các sản phẩm công nghệ này là các loại ống, bồn chứa dầu, hóa chất, các bình chịu áp lực
Nguyên lý cơ bản của công nghệ là quấn sợi thủy tinh filament quanh phôi bằng máy, sau đó thấm resin chứa chất xúc tác và cho quá trình đóng rắn để tạo ra bình chịu lực có độ bền cao Quá trình quấn tạo ra cấu trúc composite chắc chắn nhờ liên kết giữa sợi thủy tinh và resin Điểm mạnh của phương pháp này là khuôn đã được chuẩn bị sẵn; sau khi quấn và đóng rắn, sản phẩm có thể đưa vào sử dụng ngay mà không cần gia công lắp ráp thêm Ứng dụng điển hình bao gồm bình chịu áp lực, bồn chứa và các thiết bị yêu cầu khả năng chịu lực cao kèm trọng lượng nhẹ.
Ngoài hai phương pháp trên, còn có một phương pháp quấn thứ ba: người ta quấn cốt sợi lên khuôn theo yêu cầu định sẵn, sau đó nhựa nền được tẩm lên khuôn bằng phun hoặc quét tay Thông thường, phương pháp này được ứng dụng để chế tạo các khung của cấu trúc vỏ dạng lưới, cho sản phẩm đạt chất lượng tốt hơn so với hai phương pháp quấn khô và quấn ướt.
Phân tích cho thấy công nghệ quấn khô mang lại năng suất cao nhưng đòi hỏi đầu tư trang thiết bị máy móc tốn kém; sản phẩm sau quá trình quấn phải đưa đi gia công, lắp ráp mới có thể sử dụng được Ngược lại, công nghệ quấn ướt cho phép sản phẩm sau quấn chờ đóng rắn có thể sử dụng ngay, đồng thời trang thiết bị đầu tư cho quấn ướt rẻ hơn Vì vậy để đáp ứng yêu cầu đề ra và điều kiện thực tế, ta chọn phương pháp quấn ướt làm cơ sở nghiên cứu và chế tạo máy.
Các kiểu quấn sợi thông dụng
2.3.1 Quấn đan chéo (Helical winding)
Mô hình quấn sợi theo kiểu Helical winding:
Hình 2.5 Phương pháp quấn đan chéo (nguồn Internet)
Vòng quấn chuyển động qua lại theo hướng song song, như hình minh họa, là kỹ thuật phổ biến nhất dùng để tạo ra các cấu trúc hình ống Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ giữa tốc độ quay và tốc độ đổi hướng, người ta có thể điều chỉnh góc quấn của sợi, từ đó ảnh hưởng đến độ dày và độ bền của ống cũng như sự đồng nhất của cấu trúc.
Helical winding là phương pháp được sử dụng chiếm ưu thế hiện nay, thích hợp cho các hình dạng dài và mỏng như ống áp lực và ống thở dưới nước Kỹ thuật này cho phép quấn ở góc từ 20 đến 90 độ, tối ưu hóa phân bố lớp và khả năng chịu áp lực Hầu hết các loại ống quấn ở góc 54–70 độ, mang lại sự cân bằng giữa độ bền và độ linh hoạt.
Mô hình quần sợi theo cách thức Hoop winding như sau:
Hình 2.6 Phương pháp quấn ngang (nguồn Internet)
Vòng quấn không thay đổi hình dạng mà chỉ di chuyển theo chiều dài của lõi quấn, theo tỉ lệ chiều rộng của sợi trên số vòng quấn và lõi quấn quay quanh trục Hoop winding là một trường hợp đặc biệt của Helical winding có góc quấn bằng 90°.
Hoop winding thường được kết hợp với hai phương pháp quấn là Helical và Polar Đối với máy Polar winding, hoop winding được thực hiện bằng cách lõi quấn chuyển động để tạo nên cấu trúc Hoop Với chế độ Helical, hoop winding được tích hợp sẵn và dễ thực hiện hơn do có chế độ Hoop winding đi kèm Hoop winding có hai mục đích chính: một là chống lại ứng suất tròn trên hình trụ, vì ứng suất này được cho là chủ yếu xuất hiện theo chiều dọc đối với các thùng chứa khí, chất lỏng; hai là nén chặt các lớp quấn Helical hoặc Polar khi chúng được quấn trên một cấu trúc sản phẩm để tăng độ ổn định và cứng vững.
Sản phẩm tạo thành có những hình dạng như sau: vòng tròn, dẹt (tròn hình đĩa), lọại ống ngắn, khúc nối hoặc một vài dạng khảc
Mô hình quần sợi theo kiểu Polar winding:
Hình 2.7 Phương pháp quấn Polar (nguồn Internet)
Kiểu quấn này bao gồm một số quy trình quấn khác nhau và có những chuyển động tương tự như quấn Helical, nhưng trục ngắn nhất đóng vai trò là trục chuyển động Kỹ thuật quấn gồm hai chuyển động quay song song: lõi quấn quay quanh trục của nó và vòng quấn quay vuông góc với trục thẳng đứng Trong kiểu quấn này, hệ thống cấp sợi sẽ đẩy sợi theo một hướng nhất định và phân bố theo chiều dọc hoặc ngang, lõi quấn quay liên tục trên mặt phẳng Máy quấn kiểu Polar cơ bản tương đối đơn giản so với máy quấn kiểu Helical, với hai mức độ chuyển động chính: chuyển động của lõi quấn và chuyển động quanh lõi của cánh tay thẳng đứng.
Quy trình Polar winding đặt sợi dài quấn gần kề với dải sợi đã quấn trước, hình thành mạng hoặc cấu trúc dạng kim cương như Helical winding Các dải sợi tiếp theo được quấn liên tục, với điểm bắt đầu quấn nằm trên mặt lồi ở đầu hoặc cuối lõi quấn; trong trường hợp Helical, điểm bắt đầu nằm trong vùng hình trụ Dải sợi được quấn theo hướng tiếp tuyến với mặt lồi ở hai đầu lõi quấn, tạo ra hai mặt lồi có kích thước khác nhau Điều kiện tối ưu là hai mặt lồi có kích thước đồng nhất.
Nhược điểm của kiểu quấn này là khung đựng cuộn sợi không thể cố định trong quá trình quấn, khiến dải sợi dễ bị xoắn và cánh tay quay quanh chiều dọc của lõi quấn Để ngăn dải sợi xoắn lại và ngăn chuyển động quay, khung chứa cuộn sợi phải được đặt trên khung tích hợp cánh tay; do đó, chiều rộng của dải quấn thường hạn chế ở khoảng 25 mm (gần 1 inch), tương đương 8 cuộn sợi Ngoài ra, máy quấn này không thích hợp cho quấn Hoop winding Tốt nhất là đặt cánh tay nằm ngang và sau đó từ từ di chuyển trục cánh tay về vị trí thẳng đứng Quy trình này được dùng để tạo ra các bình chứa có hai đầu có kích thước khác nhau.
Polar winding có ưu điểm là chịu được lực tác dụng theo phương ngang tốt nhưng lại yếu khi có lực tác dụng theo phương dọc
Ngược lại Hoop winding lại chịu lực theo phương dọc tốt nhưng lại yếu theo phương ngang
Đối với bồn yêu cầu chịu lực theo hai phương, kiểu quấn đan chéo được xem là tối ưu nhất; do đó ta lựa chọn quấn đan chéo làm phương án thiết kế và tính toán để đảm bảo khả năng chịu lực và độ ổn định của hệ thống.
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ TỐI ƯU
Nguyên lý hoạt động
Hình 3.1 Nguyên lý hoạt động máy quấn sợi 2 trục
Trục khuôn chuyền động xoay tròn với tốc độ n1 (vòng/phút); đầu rải sợi thực hiện chuyển động dọc trục theo phương ngang S (mm/phút) Khi đầu rải sợi di chuyển hết một hành trình từ trái sang phải hoặc từ phải sang trái, sẽ có khoảng thời gian nghỉ t (s) để tạo nên một góc lệch Các thông số góc quấn, góc lệch, tốc độ quay của trục khuôn và đầu rải sợi đều có thể điều chỉnh thông qua HMI.
Sơ đồ động của máy
CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÁY QUẤN DÂY SẢN XUẤT
Thiết kế cơ khí
4.1.1 Tính toán động học hệ dẫn động
- Số vòng quay của trục quấn: n= 8 (v/p)
- Khối lượng lõi quấn: 1500 kg
- Tính moment xoắn cần để khởi động lõi quấn đứng yên:
- Công suất làm việc của lõi quấn: P = T n
- Hiệu suất hệ thống: 𝜂 =𝜂 1 𝜂 2 𝜂 3 … (công thức 2.9/tr20 tài liệu tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1)
Trong đó: Theo bảng 2.3/19 liệu tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1
+ Hiệu suất hộp giảm tốc: 𝜂 ℎ = 0,96
+ Hiệu suất bộ truyền trục cardan: 𝜂 𝑐𝑎𝑟𝑑𝑎𝑛 = 0,96
𝜂 (công thức 2.8/tr20 tài liệu tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1)
=> Chọn động cơ servo delta: ECMA-L11845RS có:
- Chọn hộp giảm tốc có tỉ số truyền 180
4.1.2 Thiết kế bộ quấn sợi
4.1.2.1 Tính toán bộ truyền Cardan:
❖ Đường kính trục D theo số vòng quay nguy hiểm:
- Số vòng quay cực đại của trục: 𝑛 𝑚𝑎𝑥 = 1500 (vòng/phút)
- Số vòng quay nguy hiểm của trục: 𝑛 𝑡 = (1,2÷2).𝑛 𝑚𝑎𝑥
𝑛 𝑡 = 2.1500= 3000 (vòng/phút) Đối với trục rỗng đặt tự do trong các điểm tựa:
𝛿= (1,85÷2,5) mm (bề dày thành ống)
Đường kính trục Cardan D cm d = 10-0,4= 9,6 (cm)
Trong quá trình làm việc, trục hai sẽ chịu các trạng thái xoắn, uốn và kéo (hoặc nén) Ứng suất xoắn chiếm phần lớn so với các dạng ứng suất khác, vì vậy ta chỉ cần tập trung tính trục theo giá trị M2max để xác định giới hạn chịu tải và đảm bảo an toàn, hiệu suất vận hành tối ưu.
- Ứng suất uốn cực đại của trục cardan: τ = 𝑀 2𝑚𝑎𝑥
𝜔 𝑥 𝑐𝑜𝑠𝛼 (MN/m 2 ) Trong đó: α = 20 0 : là góc lệch giữa các trục
- Momen chống xoắn nhỏ nhất của trục Cardan:
𝑚 2 ) τ = 25,53 (MN/m 2 ) < [τ]= 100 : 300 (MN/m 2 ) thỏa điều kiện bền.
4.1.2.2 Tính toán thiết kế trục quấn
Các chi tiết dạng trục là loại chi tiết được sử dụng phổ biến trong ngành chế tạo máy Tùy thuộc vào kết cấu và điều kiện làm việc, chúng được phân loại thành nhiều nhóm nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng khác nhau Trục trong các chi tiết máy thường đảm nhiệm vai trò truyền chuyển động và truyền lực, đồng thời định vị và dẫn động các bộ phận liên kết trong hệ thống cơ khí Việc lựa chọn vật liệu, gia công và xử lý bề mặt cho trục ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác, độ bền và hiệu suất hoạt động của máy sản xuất.
18 moment từ các chi tiết lắp trên nó đến các chi tiết khác Ta tính toán trục dựa trên những bước sau:
- Vật liệu làm trục là thép C45 Tính sơ bộ đường kính trục: d ≥ C √ 𝑃 𝑙𝑣
𝑃 𝑙𝑣 = 0,56 (kW) là công suất trên trục quấn n= (v/p) là số vòng quay thực tế trên trục quấn
C= 130 ÷ 110 (thép C45) là hệ số tính toán Chọn C = 135 d ≥ 135 √ 0,56
- Ta chọn trục có đường kính 200 mm
Lõi quấn được trang bị cơ cấu nâng hạ bằng truyền động vit-me, có chức năng thay đổi đường kính lõi quấn để phục vụ công tác lấy bình composite ra khỏi lõi quấn Việc điều chỉnh đường kính lõi quấn giúp tối ưu hóa thao tác vận hành, tăng hiệu suất và an toàn khi tháo bình composite khỏi lõi quấn.
4.1.2.3 Tính toán kiểm nghiệm ổ bi:
- Gối đỡ ổ bi là cơ cấu cơ khí giúp giảm thiểu lực ma sát bằng cách chuyển ma sát trượt của
Trong hệ thống máy móc, hai bộ phận tiếp xúc với nhau khi chuyển động tạo ra ma sát lăn giữa các con lăn hoặc viên bi được đặt cố định trong một khung hình khuyên Ma sát lăn quyết định độ bền của ổ lăn và ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền của cả máy Vì vậy, việc chọn đúng ổ lăn, vật liệu phù hợp, cách bôi trơn và điều kiện vận hành là yếu tố then chốt để tối ưu tuổi thọ và hiệu suất của hệ thống.
Hình 4.2 Gối đỡ lõi quấn
Với trục lõi quấn có đường kính lớn d = 200 mm và gối đỡ chịu tải trọng lớn, gối đỡ được chế tạo gồm 4 rulo quay có đường kính 100 mm để ngăn lõi quấn bị văng ra khỏi gối đỡ trong quá trình làm việc do lực li tâm Gối đỡ được thiết kế thành hai nửa ghép nối với nhau bằng bu-lông, giúp tháo lắp lõi quấn dễ dàng ra khỏi máy.
4.1.3 Tính toán thiết kế xe cấp sợi
- Công suất làm việc trên trục công tác:
- Chọn động cơ AC servo Delta: ECMA-K11320ES
+ Tốc độ định mức: 2000 (vòng/phút)
4.1.3.2 Lựa chọn hộp giảm tốc:
- Xác định tỉ số truyền: 𝑢 𝑐ℎ = 𝑛 𝑑𝑐
- Chọn hộp giảm tốc có tỉ số truyền 50
Bộ truyền động bánh răng – thanh răng được sử dụng để dẫn động xe cấp sợi di chuyển tịnh tiến trên quãng đường từ L1 đến L2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống là biến đổi chuyển động quay từ động cơ thành chuyển động tịnh tiến, cho phép chuyển động liên tục và chính xác theo quỹ đạo mong đợi Khi thanh răng và bánh răng ghép lại với nhau, chúng hình thành một khớp ăn khớp chặt chắn, cho phép chuyển động khép cứng và không xảy ra trượt cũng như giảm rung động trong suốt quá trình di chuyển.
Xe cấp sợi hoạt động dựa trên cơ cấu gồm thanh răng cố định và bánh răng gắn trên xe Bánh răng quay đồng thời thực hiện chuyển động tịnh tiến dọc theo thanh răng, giúp xe di chuyển dọc theo thanh răng và cấp sợi liên tục cho quá trình gia công Cách lắp ráp này tối ưu sự đồng bộ giữa quay của bánh răng và chuyển động của xe, cho phép kiểm soát nhịp cấp và nâng cao hiệu suất cấp sợi.
- Sử dụng bộ truyền thanh răng thẳng ăn khớp với bánh răng thẳng
- Ta sử dụng hệ thanh răng - bánh răng có modun m = 1,25
- Thông số thanh răng thẳng:
+ Chiều cao đầu răng: ℎ 1 = m = 1.25 mm
+ Chiều cao chân răng: ℎ 2 = 1,25.m = 1,25.1,25 = 1,5625 mm
+ Chiều cao phần làm việc của răng: C = 0,25.m = 0,25.1,25 = 0,3125 mm
+ Chiều rộng (mặt răng): 22 mm
=>Với hành trình của xe cấp sợi dài 9000 mm ta sử dụng 14 thanh răng ghép với nhau
Thanh răng đã qua quá trình tôi nhiệt và mài phẳng mặt răng, mang lại độ cứng và độ chính xác cao Các răng được gia công đồng nhất, truyền lực một cách trơn tru, không gây tiếng ồn và hạn chế tối đa hao mòn cũng như gãy vỡ phát sinh.
- Thông số bánh răng thẳng:
+ Đường kính vòng đỉnh: da = m.(z+2) = 1,25.( 25+2 ) = 33,75 mm
+ Đường kính vòng chia: d = m.z = 1,25.25 = 31,25 mm
+ Đường kính lỗ trong: 14 mm
- Bánh răng đã được tôi mài đảm bảo độ chính xác cao, độ cứng cao, tải truyền tải thông suốt, tuổi thọ lâu dài
Thiết kế điện – điều khiển
Hình 4.3 Sơ đồ mạch điện
4.2.1.1 Khối điều khiển trung tâm
PLC là một loại máy tính công nghiệp được thiết kế để giám sát đầu vào và đầu ra, từ đó đưa ra các quyết định dựa trên logic nhằm điều khiển các quy trình tự động hoặc máy móc Qua chương trình điều khiển bằng logic, PLC điều phối hoạt động của hệ thống, tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy của quy trình sản xuất Nhờ khả năng xử lý nhanh, tin cậy và khả năng mở rộng, PLC được ứng dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp và các hệ thống điều khiển máy móc phức tạp.
Khả năng hoạt động của PLC rất mạnh mẽ và bền bỉ, có thể tồn tại trong các điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao, lạnh, bụi và độ ẩm; ngôn ngữ lập trình của PLC rất dễ hiểu và dễ lập trình, ít gặp khó khăn PLC có dạng mô-đun nên có thể được cắm vào các thiết lập khác nhau và linh hoạt tùy theo hệ thống Rơ-le chuyển mạch dưới tải có thể gây phóng điện không mong muốn giữa các tiếp điểm; hồ quang tạo ra nhiệt độ cao làm đóng các tiếp điểm và gây suy giảm chất lượng của các tiếp điểm trong rơ-le, dẫn đến hỏng hóc thiết bị Việc thay thế rơ-le bằng PLC giúp ngăn ngừa các tiếp điểm quá nóng và hoạt động sai lệch, tăng độ tin cậy cho hệ thống.
Giới thiệu về PLC Delta DVP 12SA2
PLC Delta DVP-12SA2 là dòng Delta Slim (mỏng, nhỏ gọn) với thiết kế tối ưu cho không gian điều khiển hạn chế, dễ lắp đặt và vận hành Bên cạnh các chức năng cơ bản giống như dòng PLC Delta DVP-14SS2, DVP-12SA2 vẫn đáp ứng đầy đủ yêu cầu điều khiển cho các ứng dụng chuẩn Điểm mạnh nổi bật của dòng PLC này là kích thước siêu nhỏ và trọng lượng nhẹ, cho phép tiết kiệm diện tích bảng điện và tối ưu hóa wiring, đồng thời duy trì hiệu suất và độ tin cậy cần thiết cho hệ thống tự động hóa.
PLC-24 là dòng PLC tích hợp bộ đếm tốc độ cao lên tới 100 kHz và phát xung ngõ ra với tốc độ rất cao, đạt tới 100 kHz Vì vậy, PLC-24 thường được xem là lựa chọn số một cho các bài toán yêu cầu phát xung tốc độ cao, điển hình như phát xung điều khiển Servo.
Hình 4.4 PLC Delta DVP 12SA2 (nguồn Internet)
- Điện áp nguồn cung cấp: 24 Vdc
- Bộ nhớ chương trình: 8k bước lệnh
- Kết nối truyền thông: RS232/RS485 theo chuẩn chuẩn MODBUS ASCII / RTU
- Tích hợp bộ đếm tốc độ cao: 100 Khz
- Loại ngõ ra: Relay hoặc Transistor
- Phát xung tốc độ cao: max = 100 KHz
HMI, viết tắt của Human-Machine Interface, là giao diện giao tiếp giữa người điều hành và máy móc thiết bị Nói một cách chính xác, bất cứ cách nào mà con người tương tác với máy móc đều được xem là HMI Vai trò của HMI là cung cấp nền tảng tương tác trực quan để điều khiển, giám sát và thu thập dữ liệu từ quá trình vận hành, hiển thị trạng thái thiết bị và cảnh báo, từ đó giúp tối ưu hóa hiệu suất, an toàn và hiệu quả sản xuất.
“giao tiếp” với một máy móc qua 1 màn hình giao diện thì đó là một HMI
Giới thiệu HMI Delta Dop107BV
Màn hình HMI DOP-107BV Delta là màn hình cảm ứng 7 inch thuộc Seri DOP-100, được thiết kế để thay thế cho các dòng màn hình cũ của Seri DOP-B như DOP-B07SS411 và DOP-B07S410 Với kích thước 215×161×35.5 mm và phạm vi hiển thị 154.08×85.92 mm, DOP-107BV mang lại hình ảnh sắc nét và giao diện người dùng trực quan cho các hệ thống tự động hóa.
Với bộ vi xử lý Cortex-A8 800MHz mạnh mẽ, DOP-107BV Delta hỗ trợ truyền thông RS232/RS485/RS422 qua cổng COM và bảng màu 65535 màu, giúp hiển thị hình ảnh sống động và chân thực.
Màn hình HMI DOP-107BV Delta có thể kết nối với biến tần, PLC và các thiết bị khác để điều khiển máy móc một cách dễ dàng và hiệu quả Trên thị trường hiện nay, màn hình HMI Delta chiếm thị phần lớn và được nhiều đơn vị chế tạo máy, nhà máy sản xuất tại Việt Nam sử dụng nhờ cấu hình mạnh, chất lượng hiển thị tốt và giá cả cạnh tranh so với các dòng màn hình HMI khác.
Hình 4.5 HMI Delta Dop107BV (nguồn Internet)
Vùng nhớ RAM: 256 MB RAM
Vùng nhớ ROM: 256 MB ROM
USB dữ liệu: USB Host
USB lập trình: USB Client
Chứng chỉ: CE / UL certified
Nhiệt độ làm việc: Operation Temperature: 0℃ ~ 50℃
Số lần nhấn cảm ứng: Pressing times: >10,000K times
Kích thước lỗ khoét tủ: 196.9 x 142.9 (mm) (tương tự các dòng 7″ DOP khác)
Hình 4.6 Bộ driver servo Delta 4.5kW và 2kW
Thông số kỹ thuật AC Servo Delta ASDA-A2 4.5kW
- Điện áp nguồn cấp: 3pha 380 - 400VAC
- Loại động cơ: có phanh
- Đường kính đầu trục: 35mm
Thông số kỹ thuật AC Servo Delta ASDA-A2 2kW
- Điện áp nguồn cấp: 3pha 380 - 400VAC
- Loại động cơ: có phanh
- Đường kính đầu trục: 22mm
- Cảm biến mức Home (cảm biến tiệm cận)
Hình 4.8 Cảm biến tiệm cận (nguồn Internet)
Hình 4.9 Công tắc hành trình (nguồn Internet)
Chương trình chính của máy quấn sợi composites tự động được chia làm 3 giai đoạn: giai đoạn về gốc (home), giai đoạn cài đặt tham số tính toán và giai đoạn quấn sợi Trong giai đoạn về gốc, hệ thống xác lập vị trí và tham số khởi động để chuẩn bị cho quá trình quấn Giai đoạn cài đặt tham số tính toán điều chỉnh các thông số như tốc độ quấn, nhịp quấn và lực căng sợi nhằm tối ưu hiệu suất và chất lượng sản phẩm Giai đoạn quấn sợi thực hiện quá trình quấn dựa trên các tham số đã thiết lập, đảm bảo sự đồng nhất và độ bền của lõi composite thu được.
Khi máy được khởi động, xe cấp sợi được di chuyển về vị trí gốc (home) Trong hai giai đoạn đưa về gốc (home), hệ thống sẽ liên tục kiểm tra tín hiệu từ công tắc giới hạn bên trái để đảm bảo hành trình về gốc diễn ra an toàn, chính xác và tối ưu cho quá trình vận hành.
29 Hình 4.10 Lưu đồ thuật toán
Chú thích bước cài đặt thông số tính toán
Hình 4.11 Sơ đồ giải thích các thông số Tần số phát xung của động cơ 1 f 1 =pp 1 n
60 f 1 : Tần số phát xung động cơ 1 (Hz) n : Tốc độ quay của động cơ 1 (vòng/phút) pp1 : Số xung động cơ 1 quay được 1 vòng ( xung )
Vì động cơ 1 quay được 1 vòng thì động cơ 2 phải quay được quãng đường P nên ta có tần số phát xung của động cơ 2 là f 1 =pp 2 p n
60 s f 2 : Tần số phát xung động cơ 2 (Hz)
P là khoảng cách di chuyển của xe khi động cơ 1 quay được 1 vòng (mm), n là tốc độ quay của động cơ 1 (vòng/phút), s là bước tiến bánh răng của động cơ 2 (mm), pp2 là số xung động cơ 2 quay được 1 vòng (xung) Khi động cơ 1 quay với tốc độ n (vòng/phút), xe di chuyển với vận tốc D = P × n (mm/phút) Mỗi xung của động cơ 2 mang lại một lượng di chuyển bằng s/pp2 (mm/xung), do một vòng quay của động cơ 2 tạo ra s mm và có pp2 xung trên mỗi vòng Nếu có cơ cấu truyền giữa động cơ 1 và động cơ 2, ta có thể quy đổi số vòng quay của động cơ 2 tương ứng với mỗi vòng quay của động cơ 1 để tính số xung cần để đạt được khoảng cách mong muốn Nói cách khác, P và n xác định khoảng cách di chuyển theo thời gian dựa trên động cơ 1, còn s và pp2 xác định độ phân giải và bước di chuyển của cơ cấu do động cơ 2 kiểm soát.
Số xung cần phát để động cơ 2 đạt khoảng cách L1
Pu1 : Số xung cần phát để đạt khoảng cách L1 (Xung)
L1 : Khoảng cách cần di chuyển (mm) pp2 : Số xung động cơ 2 quay được 1 vòng ( xung ) s : Bước tiến bánh răng của động cơ 2 (mm)
Số xung cần phát để động cơ 2 đạt khoảng cách L
Pu2 : Số xung cần phát để đạt khoảng cách L2 (Xung)
L : Khoảng cách cần di chuyển (mm) pp2 : Số xung động cơ 2 quay được 1 vòng ( xung ) s : Bước tiến bánh răng của động cơ 2 (mm)
Số xung cần phát để động cơ 2 đạt khoảng cách L2
Pu3 : Số xung cần phát để đạt khoảng cách L3 (Xung)
L2 :Khoảng cách cần di chuyển (mm) pp2 : Số xung động cơ 2 quay được 1 vòng ( xung ) s : Bước tiến bánh răng của động cơ 2 (mm)
Thời gian để tạo góc lệch α t α =t n α 360 t α : Thời gian để tạo góc lệch α tn : Thời gian động cơ 1 quay 1 vòng α : Góc lệch α
Lưu đồ được thực hiện theo các bước
Bước 1: Đưa 2 động cơ về vị trí gốc ( Home )
Bước 2: Cài đặt thông số về tốc độ, góc lệch, góc quấn,…
Bước 4: Động cơ 2 quay theo chiều thuận làm bộ phận rải sợi di chuyển theo phương dọc từ trái sang phải tiến hành rải sợi trên phần trụ
Bước 5: Sau khi bộ phận rải sợi đi hết quãng đường L1 – L2, động cơ 2 dừng khoảng thời gian t (s) tạo nên 1 góc lệch để sợi không bị trùng với sợi trước
Bước 6: Động cơ 2 quay theo chiều nghịch làm bộ phận rải sợi di chuyển theo phương dọc từ phải sang trái tiến hành rải sợi trên phần trụ
Bước 7: Sau khi bộ phận rải sợi đi hết quãng đường L2 – L1, động cơ 2 dừng khoảng thời gian t (s) tạo nên 1 góc lệch để sợi không bị trùng với sợi trước
Trong trường hợp bộ phận rải sợi di chuyển ra ngoài phạm vi cho phép và công tắc hành trình được kích hoạt, hệ thống sẽ tự động ngắt hai động cơ và dừng toàn bộ hoạt động Việc kích hoạt công tắc hành trình khi vượt quá giới hạn đảm bảo an toàn cho máy móc và người vận hành, đồng thời ngăn ngừa hư hỏng động cơ và các thành phần liên quan.
Hình 4.12 Thay đổi giá trị biến
36 Hình 4.13 Chương trình tính toán
Hình 4.14 Chương trình tính toán
37 Hình 4.15 Chương trình tính toán
Hình 4.16 Chương trình hoạt động
38 Hình 4.17 Chương trình hoạt động
39 Hình 4.18 Chương trình hoạt động
Hình 4.19 Nút dừng khẩn cấp và công tắc hành trình
THI CÔNG SẢN PHẨM
Thi công tủ điều khiển
Hình 5.1 Thi công tủ điện điều khiển chưa hoàn thiện
41 Hình 5.2 Tủ điều khiển kết nối với động cơ
42 Hình 5.3 Giao diện HMI màn hình điều khiển
Hình 5.4 Giao diện HMI cài đặt thông số cơ khí
