ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế hệ thống hàn tự động dầm kích thước lớn bằng Robot và quy trình công nghệ chế tạo dầm

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thiết kế hệ thống hàn tự động dầm kích thước lớn bằng Robot và quy trình công nghệ chế tạo dầm MỤC LỤC ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP 1 MỤC LỤC 3 DANH MỤC HÌNH VẼ 7 DANH MỤC BẢNG 10 LỜI CẢM ƠN 12 TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỒ ÁN 13 PHẦN I: THIẾT KẾ ĐỒ ÁN HÀN DẦM BẰNG ROBOT 14 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ HÀN DẦM KÍCH THƯỚC LỚN 14 1. Tổng quan về thị trường kết cấu thép 14 2. Cải tiến đồ gá – một bước ngoặt quan trọng 15 CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHỌN VẬT LIỆU CƠ BẢN 19 1. Lựa chọn các cơ cấu chuyển động 19 1.1. Động cơ liền giảm tốc trục vít bánh vít 19 1.2. Cơ cấu xilanh thủy lực 20 1.3. Bộ truyền bánh răng trụ, răng thẳng 21 1.4. Các chi tiết khác 22 2. Thiết kế sơ bộ sản phẩm và lựa chọn vật liệu 24 CHƯƠNG III. THIẾT KẾ CƠ KHÍ ĐỒ GÁ VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO 26 1. Thiết kế cơ khí đồ gá 26 1.1. Lựa chọn động cơ 26 1.2. Lựa chọn kích thước bánh răng 29 1.3. Lựa chọn kích thước ổ đỡ 35 1.4. Tính toán lựa chọn xilanh thủy lực 38 2. Lựa chọn công nghệ chế tạo 40 2.1. Chế tạo khung 40 2.2. Các ống, trục, bánh vít, trục vít 44 2.3. Các chi tiết gia công thô 46 2.4. Chế tạo bánh răng 47 CHƯƠNG IV. PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ GÁ 50 a. PLC là gì ? 50 b. Vì sao cần sử dụng PLC? 51 c. So sánh lưu đồ điều khiển 51 d. Ưu nhược điểm của hệ điều khiển bằng PLC 51 CHƯƠNG V. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TOÀN BỘ HỆ THỐNG 53 1. Các thiết bị sử dụng cho hệ thống điều khiển 53 1.1. Bộ điều khiển PLC FX2N 48MR 53 1.2. Bộ chuyển đổi 24VDC 55 1.3. Rơ le trung gian 57 1.4. Biến tần 59 1.5. Cảm biến tiệm cận NPN 63 1.6. Van điện tử 65 1.7. Các công tắc nút nhấn 66 1.8. Cầu dao 67 CHƯƠNG VI. XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 69 1. Xây dựng sơ đồ thuật toán điều khiển 69 2. Trình tự quay của bộ đồ gá 70 3. Giải thích chương trình điều khiển 75 4. Sơ đồ đấu nối hệ thống điều khiển 104 PHẦN II: THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO DẦM KÍCH THƯỚC LỚN 109 CHƯƠNG I. KẾT CẤU TỔNG QUAN CỦA SẢN PHẨM 110 CHƯƠNG II. PHÂN TÍCH VẬT LIỆU CƠ BẢN, LỰA CHỌN VẬT LIỆU HÀN VÀ LOẠI QUÁ TRÌNH HÀN 113 1. Phân tích vật liệu cơ bản 113 1.1. Thành phần hóa học 113 1.2. Cơ tính 114 2. Lựa chọn quá trình hàn 114 2.1. Tổng quan về Tandem MIG 115 2.2. So sánh giữa hai quá trình FCAW và Tandem MIG 117 3. Lựa chọn vật liệu hàn 118 3.1. Phân tích lựa chọn vật liệu 118 3.2. Phân tích thành phần hóa học của vật liệu: 119 3.3. Phân tích cơ tính của vật liệu: 119 3.4. Catalogue vật liệu: 120 CHƯƠNG II. QUY TRÌNH SẢN XUẤT 121 1. Kiểm tra vật liệu và lấy mẫu thí nghiệm 121 2. Cắt thép tấm và cắt các chi tiết cần hàn 122 3. Hàn hoàn thiện và vận chuyển sản phẩm 127 CHƯƠNG IV. KỸ THUẬT SỬ LÝ TRƯỚC, TRONG VÀ SAU KHI HÀN 129 1. Kỹ thuật sử lý trước khi hàn 129 1.1. Nung nóng sơ bộ trước khi hàn 129 1.2. Xử lý cơ hóa 130 2. Trong quá trình hàn 130 3. Sau khi hàn 130 CHƯƠNG V. TÍNH TOÁN THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ HÀN 131 1. Tính toánxác định các thông số chế độ hàn cho từng mối hàn 131 1.1. Xác địnhlựa chọn các thông số hàn chính (

TỔNG QUAN VỀ ĐỒ GÁ HÀN DẦM KÍCH THƯỚC LỚN 14 1 Tổng quan về thị trường kết cấu thép

Cải tiến đồ gá – một bước ngoặt quan trọng

Trong sản xuất hiện đại, để nâng cao tốc độ và năng suất làm việc, con người đã thiết kế các đồ gá chuyên dụng để cố định sản phẩm một cách chính xác theo tiêu chuẩn Các đồ gá giúp quá trình gia công diễn ra nhanh chóng, hiệu quả hơn và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất Nhờ đó, doanh nghiệp có thể tối ưu hóa quy trình làm việc và đạt hiệu quả cao hơn trong việc sản xuất các sản phẩm.

Trong quá trình gia công và lắp ghép nhiều chi tiết để đảm bảo độ chính xác cao, việc sử dụng các đồ gá đóng vai trò quan trọng nhằm giảm sức lao động và nâng cao độ chính xác cho sản phẩm Các đồ gá trong sản xuất thép kết cấu đã được sử dụng từ nhiều năm trước, mặc dù chúng thường có kích thước nhỏ, thiết kế sơ sài và phù hợp cho các sản phẩm nhỏ, nhẹ, không quá phức tạp và có thể thao tác thủ công.

Hình 1: Đồ gá dầm kích thước nhỏ

Để đáp ứng nhu cầu sản xuất các sản phẩm có kích thước và tải trọng lớn, các đồ gá truyền thống không thể phù hợp Do đó, cần thiết phải sử dụng các đồ gá lớn, có khả năng tự động hóa cao, giúp quá trình xoay và lật sản phẩm hiệu quả hơn Việc này nhằm nâng cao năng suất và đảm bảo tính chính xác trong quá trình gia công.

Trên thế giới, loại đồ gá này đã xuất hiện từ nhiều năm trước và đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất của các công ty kết cấu thép Nó giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong thi công, góp phần cải thiện năng suất và chất lượng sản phẩm.

Hình 2 mô tả đồ gá xoay lật dầm Beam-Master, một thiết bị hỗ trợ quan trọng trong gia công kết cấu thép Tại Việt Nam, nhiều doanh nghiệp đã đầu tư trang bị loại đồ gá này để nâng cao hiệu quả sản xuất nhà máy Tuy nhiên, phần lớn thiết bị có nguồn gốc từ Trung Quốc hiện gặp nhiều vấn đề kỹ thuật khiến không thể sử dụng ổn định Việc này đặt ra nhu cầu tìm kiếm các giải pháp thay thế chất lượng cao và phù hợp với tiêu chuẩn trong ngành gia công kết cấu thép tại Việt Nam.

Hình 3: Đồ gá dầm kích thước lớn tại Việt Nam

Nhận thấy tầm quan trọng của dụng cụ tự động và nhu cầu ngày càng tăng của thị trường kết cấu miền Bắc, Công ty Cổ phần Nhà Khung Thép và Thiết bị Công nghiệp SEICO đã hợp tác với PGS.TS Bùi Văn Hạnh để nghiên cứu và phát triển các thiết bị đồ gá tự động, nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và đáp ứng tốt hơn nhu cầu của khách hàng trong ngành xây dựng và công nghiệp.

Dưới sự hướng dẫn của thầy, nhóm tác giả đã lên kế hoạch thiết kế và chế tạo thiết bị đồ gá lật dầm nhằm đáp ứng nhu cầu thị trường Việt Nam Họ đã tham khảo hình ảnh thực tế của sản phẩm đồ gá lật dầm của hãng KOBELCO (Nhật Bản) để lấy ý tưởng và điều chỉnh phù hợp với đặc điểm kỹ thuật và mong muốn của người dùng Việt Nam Quá trình này giúp nhóm tạo ra một sản phẩm đồ gá lật dầm hiệu quả, phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế nhưng vẫn thể hiện đặc trưng của thị trường trong nước.

Hình 4: Hệ thống xoay- lật dầm của hãng KOBELCO

Hệ thống dầm do nhóm tác giả phát triển dựa trên nguyên lý kẹp và xoay dầm để điều chỉnh vị trí tối ưu, giúp dễ dàng thực hiện các công việc hàn Phương pháp này nâng cao hiệu quả công việc và đảm bảo độ chính xác trong quá trình thi công.

Hệ thống phù hợp với các loại dầm cỡ lớn, có chiều dài lên tới 12m và chiều cao lên tới 1m theo tiêu chuẩn quốc tế Đồ gá dầm của nhóm tác giả được thiết kế và mô phỏng 3D chính xác dựa trên phần mềm SolidWorks, đảm bảo đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật và tối ưu hóa quá trình gia công Các hình ảnh tổng quan về hệ thống cho thấy sự tiện dụng và tính hiệu quả của giải pháp này trong các dự án xây dựng lớn, nâng cao năng suất và chất lượng công trình.

Hình 5: Ảnh tổng quát đồ gá lật dầm

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHỌN VẬT LIỆU CƠ BẢN

Lựa chọn các cơ cấu chuyển động

1.1 Động cơ liền giảm tốc trục vít bánh vít

Dầm to dài dùng để chi tiết cần hàn thường được cố định bằng đồ gá hai bên, giúp giữ chắc vị trí và đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình hàn Thay vì sử dụng động cơ servo, phương pháp này tận dụng bộ truyền bánh răng và hộp giảm tốc trục vít bánh vít để kiểm soát chuyển động và đảm bảo khả năng hãm tốt, nâng cao độ an toàn và hiệu quả của quá trình gia công.

Khi truyền chuyển động giữa hai trục thẳng góc với tỉ số giảm tốc lớn và tải trọng lớn, sử dụng cặp bánh vít – trục vít là lựa chọn phù hợp Cơ cấu truyền động này có thiết kế nhỏ gọn, truyền động ổn định và có khả năng tự hãm tốt, giúp đảm bảo hiệu suất làm việc cao.

Sản phẩm thiết kế theo nhóm tác giả sử dụng hộp giảm tốc liền trục, mang lại sự tiện lợi trong quá trình lắp đặt và vận hành Hệ thống này đảm bảo độ chính xác cao, giúp tăng hiệu quả hoạt động và tuổi thọ của máy móc Bên cạnh đó, tính năng bôi trơn làm mát dễ dàng giúp giảm thiểu sự cố và tiết kiệm thời gian bảo trì Đây là giải pháp tối ưu cho các hệ thống truyền động cần độ chính xác và dễ bảo trì.

Hình 6: Động cơ liền trục giảm tốc trục vít – bánh vít

Nhóm tác giả quyết định chọn bộ truyền trục vít bánh vít để sử dụng truyền chuyển động cho cơ cấu xoay - lật dầm

1.2 Cơ cấu xi-lanh thủy lực

Xi lanh thủy lực, còn gọi là động cơ thủy lực tuyến tính, đóng vai trò là thiết bị chấp hành quan trọng trong hệ thống thủy lực, chuyển đổi năng lượng của dầu hoặc chất lỏng thủy lực thành động năng để tạo lực kéo, đẩy, ép, nén hoặc nghiền các vật thể Với ưu điểm nổi bật như khả năng tạo lực lớn, độ chính xác cao, hoạt động bền bỉ và hiệu suất làm việc ổn định, xi lanh thủy lực ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và độ chính xác trong các quy trình.

Kết cấu của sản phẩm khá đơn giản và gọn nhẹ, giúp việc kết nối các phụ kiện như ống dẫn dầu, co nối dễ dàng và thuận tiện Thiết kế này không chỉ giúp quá trình lắp đặt nhanh chóng, dễ dàng mà còn thuận tiện trong việc sửa chữa khi xảy ra sự cố.

• Cho tác động lực mạnh, nhanh và phù hợp với những hệ thống làm việc nặng nhọc, cho công suất lớn.

• Trong những công trình xây dựng thì xi lanh thủy lực có khả năng ứng dụng đa dạng trong các máy móc

Các loại xi lanh hệ thống thủy lực đa dạng về kiểu dáng, mẫu mã và kích cỡ, giúp khách hàng dễ dàng lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng Ngoài ra, giá bán của xi lanh thủy lực được phân thành nhiều mức khác nhau, đáp ứng mọi ngân sách và yêu cầu của người mua.

Việc lắp đặt van an toàn giúp kiểm soát hiệu quả quá tải, phù hợp cho các môi trường độc hại, tải trọng nặng và hoạt động liên tục Điều này đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và ổn định, đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi độ chính xác cao Khách hàng thường yêu cầu các loại xi lanh thủy lực, từ mini đến cỡ lớn, đều có độ chính xác gần như tuyệt đối để đảm bảo hiệu quả và độ bền của hệ thống.

• Thiết bị có tuổi thọ cao, rất ít phát sinh hư hỏng tròn khi hoạt động, không đòi hỏi bảo dưỡng quá nhiều.

• Không cần lo lắng về khối lượng của thiết bị bởi nó có thể giảm bớt khi người dùng thay đổi áp suất thủy lực.

• Có thể quan sát và theo dõi áp suất của dầu thủy lực trong hệ thống thông qua áp kế hoặc đồng hồ đo áp suất.

Nhược điểm của xi lanh thủy lực

Tính chất nén của dầu và tính đàn hồi của ống dẫn ảnh hưởng đến tốc độ tiến và lùi của xi lanh, gây ra sự thay đổi trong quá trình hoạt động khi phụ tải thay đổi Hiểu rõ đặc tính này giúp tối ưu hóa hệ thống thủy lực, đảm bảo hiệu suất làm việc ổn định và chính xác hơn.

• Một số xi lanh của hệ thống sẽ bị giảm hiệu suất và phạm vi ứng dụng bởi sự rò rỉ và thất thoát của đường ống.

Khi hệ thống khởi động ban đầu, nhiệt độ ổn định giúp dầu nhớt duy trì độ chính xác tối đa, nhưng khi thay đổi nhiệt độ thì độ nhớt của dầu cũng thay đổi theo, gây giảm hiệu quả tác động của xi lanh Tuy nhiên, sau khi hệ thống đã hoạt động ổn định, mức độ chính xác sẽ phục hồi và duy trì ổn định hơn, đảm bảo hiệu suất vận hành tốt hơn.

Tham khảo phân loại của hãng Amech ta lựa chọn loại xi-lanh sau:

+ Loại: xi lanh tác dụng kép, dầu thủy lực có thể tác động cả 2 phía của piston

Giảm chấn là bộ phận được thiết kế ở cuối xi lanh để hoạt động như một van tiết lưu, giúp kiểm soát tốc độ của xi lanh khi gần hết hành trình Nhờ đó, giảm chấn giảm tốc độ chuyển động của xi lanh, hạn chế va đập và bảo vệ các bộ phận của hệ thống Đây là thành phần quan trọng để đảm bảo hoạt động trơn tru, an toàn và kéo dài tuổi thọ của xi lanh trong các ứng dụng công nghiệp.

+ Lắp hai đầu bi cầu (AMP)

Hình 7: Xi-lanh thủy lực AMP

1.3 Bộ truyền bánh răng trụ, răng thẳng

Hình 8: Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng

Hệ thống truyền động bánh răng dùng để truyền động giữa các trục, thường đi kèm với sự thay đổi về trị số và chiều của vận tốc hoặc momen Ưu điểm của bộ truyền này là khả năng truyền lực chính xác, độ bền cao và khả năng điều chỉnh tốc độ hoặc mô-men phù hợp với yêu cầu của hệ thống Ngoài ra, truyền động bánh răng còn giúp giảm thiểu tiếng ồn và tối ưu hóa hiệu suất vận hành của máy móc và thiết bị.

• Kích thước nhỏ, khả năng tải lớn

• Tỉ số truyền không thay đổi

• Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 – 0,99

• Tuổi thọ cao, làm việc tin cậy

• Tuy nhiên truyền động bánh răng có các nhược điểm sau:

• Chế tạo tương đối phức tạp

• Đòi hỏi độ chính xác cao

• Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn

Gối đỡ trục là linh kiện cơ khí phổ biến trong nhiều loại máy móc và động cơ, đảm nhiệm chức năng giữ cố định các trục dẫn theo chiều ngang hoặc thẳng đứng Được chế tạo từ hợp kim gang bền vững, gối đỡ trục gồm 4 bộ phận chính: vành trong, vành ngoài, các thành phần lăn và vòng cách định vị viên bi đặt giữa các rãnh bi để duy trì khoảng cách cố định Hiện nay, có hai loại gối đỡ trục phổ biến là gối đỡ đúng và gối đỡ nằm, phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau.

Khớp nối dùng để đỡ trục, giữ cho trục có vị trí xác định trong không gian, đồng thời tiếp nhận các tải trọng Nó đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động và giảm thiểu rung động, giúp đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống Nhóm tác giả sử dụng các loại khớp nối phù hợp để tối ưu hóa hiệu suất truyền lực và giảm thiểu hao mòn trong các ứng dụng kỹ thuật cơ khí.

Dùng để tiếp nhận lực hướng tâm, không cho phép trục bị lệch

Khả năng tải và đô cứng lớn hơn ổ bi đỡ 1 dãy

Thuận lợi trong lắp ghép

Thiết kế sơ bộ sản phẩm và lựa chọn vật liệu

Sau khi lựa chọn các cơ cấu chi tiết phù hợp cho sản phẩm, tác giả tiến hành thiết kế sơ bộ sản phẩm bằng phần mềm SolidWorks, đảm bảo tính chính xác và tối ưu hóa cấu trúc sản phẩm.

Hình 9: Tổng thể các chi tiết trên đồ gá

Các cơ cấu bao gồm:

1 Động cơ và hộp giảm tốc trục vít- bánh vít: tạo chuyển động quay cơ cấu đồ gá xoay

2 Piston thủy lực: nâng đỡ phần trên của bộ đồ gá khi đóng mở chốt

3 Cánh tay nâng phần trên của đồ gá

4 Bản lề 4: chống lật phần trên của đồ gá

5 Chốt khóa 2 nửa của bộ đồ gá

6 Vành răng lớn: truyền chuyển động xoay, lật dầm

7 Bộ vitme định vị phần dưới của dầm

8 Con lăn dẫn hướng: giữ cho đồ gá xoay đồng tâm

9 Bộ chuyển động bánh ray- thanh ray

10 Động cơ cho bộ chuyển động bánh ray- thanh ray

11 Ổ đỡ tải trọng đồ gá

12 Bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng: truyền chuyển động quay từ động cơ để làm xoay cơ cấu đồ gá

13 Bánh răng truyền chuyển động từ động cơ cho bộ truyền bánh ray - thanh ray

THIẾT KẾ CƠ KHÍ ĐỒ GÁ VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

Thiết kế cơ khí đồ gá

Trong quá trình thiết kế đồ gá, tác giả chú trọng chọn bộ truyền bánh răng phù hợp với kích thước sơ bộ của đồ gá, bao gồm bánh răng lớn và bánh răng nhỏ Việc lựa chọn bánh răng đúng kích thước và phù hợp với khả năng hoạt động của đồ gá đảm bảo hiệu quả truyền động chính xác và ổn định Điều này giúp tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao độ chính xác và tuổi thọ của thiết bị.

Vậy theo tiêu chuẩn tác giả chọn sơ bộ bộ truyền như sau:

1 Bánh răng nhỏ: số răng

2 Bánh răng lớn: số răng

Tổng khối lượng của các bộ phận đồ gá được xoay là:

Muốn chọn động cơ điện cần xác định được các thông số sau:

Công suất yêu cầu (cần có) trên trục động cơ Pyc;

Tốc độ quay sơ bộ của động cơ cần có nsb hoặc tốc độ quay đồng bộ của động cơ nđb;

Với thông số đầu vào:

• Đường kính của má quay:

• Tải trọng của má quay và dầm: P000 (N)

• Chọn vận tốc quay của má là

• Hệ số ma sỏt của con lăn: à=0,2

Tính công suất động cơ để quay má kẹp ở vận tốc nhất định (vòng/phút) là yếu tố quan trọng trong quá trình vận hành thiết bị Thời gian từ khi động cơ bắt đầu hoạt động đến khi đạt được vận tốc mong muốn sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của quá trình gia công Việc xác định chính xác công suất cần thiết và thời gian tăng tốc giúp tối ưu hóa năng lượng tiêu thụ và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.

Lực má quay tác động lên 2 con lăn chính bằng tải trọng của má:

Lực cản do ma sát gây ra:

Moment cần thiết để tăng tốc độ của má quay từ đứng yên đến tốc độ

Coi má quay như một vành tròn đồng chất bán kính , quay đúng tâm ta có moment quán tính (về khối lượng) là:

Gia tốc góc của má quay:

Do đó moment cần để tăng tốc má quay:

Do đó moment tổng trên bộ phận làm việc:

Công suất tại bộ phận làm việc:

Chọn hiệu suất của bộ truyền η = 0,8 ; hệ số an toàn s = 1,5

Từ đây ta tính công suất của động cơ:

=  = Ta chọn được động cơ có công suất phù hợp là 3 kW

- Tốc độ quay đã chọn của bộ đồ gá là 4 (vòng/phút)

Với tỉ số truyền của bộ truyền cặp bánh răng là 10, cần lựa chọn động cơ liền trục trục vít - bánh vít phù hợp Động cơ này phải có tốc độ quay của trục ra là 40 vòng/phút để đảm bảo hiệu quả vận hành tối ưu Việc chọn đúng động cơ giúp đảm bảo hoạt động chính xác và bền bỉ của hệ thống truyền động.

- Chọn động cơ điện:

• Tốc độ quay trục ra: 40 vòng/phút

1.2 Lựa chọn kích thước bánh răng

Như ta đã chọn sơ bộ bộ truyền với thông số như sau

1 Bánh răng nhỏ: số răng

2 Bánh răng lớn: số răng

-Độ rắn: HB: 170…217 , ta chọn HB2= 170

- Nhiệt luyện : Tôi cải thiện

- Độ rắn : HB :192…240 , ta chọn HB12

1.2.2 Xác định ứng suất cho phép Ứng suất tiếp xúc cho phép và ứng suất uốn cho phép được xác định theo các công thức sau :

SH,SF – Hệ số an toàn khi tính về ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn:

➢ Bánh răng chủ động :

➢ Bánh răng bị động :

➢ Bánh răng bị động :

➢ - Ứng suất tiếp xúc và uốn cho phép ứng với số chu kỳ cơ sở :

KHL , KFL – Hệ số tuổi thọ, xét đến ảnh hưởng của thời gian phục vụ và chế độ tải trọng của bộ truyền :

Trong đó : – bậc của đường cong mỏi khi thử về ứng suất tiếp xúc và uốn Do bánh răng có

, Số chu kỳ thay đổi ứng suất khi thử về ứng suất tiếp xúc và ứng suất uốn :

N FO = 4.10 ( do đối với tất cả loại thép thì N FO = 4.10 6 )

NHE, NFE – Số chu kỳ thay đổi ứng suất tương đương : Do bộ truyền chịu tải trọng tĩnh

Trong đó : c – Số lần ăn khớp trong một vòng quay : c=1 n – Vận tốc vòng của bánh răng

Tổng số giờ làm việc của bánh răng

Do đây là truyền động bánh răng trụ, răng thẳng nên : Ứng suất cho phép khi quá tải:

1.2.3 Xác định thông số cơ bản của bộ truyền

- Khoảng cách trục aw được xác định theo công thức :

- Đường kính đỉnh răng: vì

1.2.4 Kiểm nghiệm răng về độ bền tiếp xúc

Trong đó: hệ số kể đến cơ tính vật liệu của các bánh răng ăn khớp , chọn theo bảng 15 sau :

Bảng 1 : Trị số của các hệ số Z M , K a , K d hệ số kể đến hính dạng bề mặt tiếp xúc

Với hệ số trùng khớp dọc xác định theo

  =1,88 3, 2(1/− z 1+1/z 2) cos  =1,88 3, 2(1/ 43 1/ 433) cos 0 1, 8− +  chiều rộng vành răng xác định theo công thức:

Vậy hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc

Trong đó: hệ số kể đến sự phân bố không đều tải trong cho các đôi răng đồng thời ăn khớp với răng thẳng

Hệ số V4,5 phản ánh tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp, là yếu tố quan trọng trong thiết kế máy móc Đối với cấp chính xác 8 và trị số vận tốc vòng bằng 1,2, theo bảng phụ lục, người thiết kế có thể xác định được hệ số này một cách chính xác để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu Việc lựa chọn hệ số V4,5 phù hợp giúp nâng cao độ bền và độ tin cậy của các bộ phận trong hệ thống truyền động.

= n = Vậy ứng suất tiếp xúc là

Vậy thỏa mãn điều kiện ứng suất tiếp xúc

1.2.5 Kiểm nghiệm răng về độ bền uốn

Hệ số kể đến sự trùng khớp của răng là 0,55, thể hiện mức độ nghiêng lệch của răng trong quá trình phục hình hoặc chỉnh nha Hệ số độ nghiêng răng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá sự phù hợp của các răng đối diện, góp phần tối ưu hóa chức năng nhai và thẩm mỹ Ngoài ra, hệ số dạng răng của bánh răng 1 và bánh răng 2 phụ thuộc vào số răng tương đương, giúp xác định chính xác hơn cấu trúc khớp cắn và khả năng tải lực giữa các răng Các yếu tố này đều ảnh hưởng đến quá trình lập kế hoạch điều trị chỉnh nha hoặc phục hình cầu răng, đảm bảo sự hài hòa và bền chắc của khớp cắn.

Bảng 2 : Trị số của hệ số dạng răng Y F

Hệ số tải trọng khi tính về uốn, ký hiệu là với và x=0, phản ánh sự phân bố tải trọng không đều trên kết cấu Hệ số này quan trọng trong việc xác định khả năng chịu uốn của công trình Với răng thẳng , hệ số tải trọng cũng được tính dựa trên vận tốc vòng và cấp chính xác 8, giúp đảm bảo độ chính xác trong thiết kế và phân tích kết cấu.

Vậy thỏa mãn điều kiện

1.3 Lựa chọn kích thước ổ đỡ

Vì cơ cấu đồ gá xoay không lệch tâm nên khi quay và khi đứng yên, tải trọng gần như nhau

Hình 11: Sơ đồ lực tác dụng lên các ổ lăn

Vì khi xoay và khi đồ gá đứng yên, các con lăn ở ổ đỡ sẽ chịu tải

Từ hình ảnh trên, tác giả có thể xác định lực tác dụng lên từng con lăn bằng cách cân bằng tải trọng Việc này giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực của mỗi con lăn trong hệ thống Đặc biệt, tải trọng lớn nhất ảnh hưởng đến khả năng tải động của con lăn, từ đó đảm bảo hiệu suất hoạt động và an toàn của thiết bị Phân tích lực tác dụng lên các con lăn là bước quan trọng để tối ưu hóa thiết kế và nâng cao độ bền của hệ thống kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Trong đó: m- bậc đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, m=3 với ổ bi

L- tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay

Gọi là tuổi thọ của ổ tính bằng giờ thì n là số vòng quay trên một phút; n=4 vg/p là tuổi thọ của ổ tính bằng giờ , ta chọn được

Q – là tải trọng động quy ước,

Với: V- hệ số kể đến vòng nào quay, vì vòng ngoài quay nên V=1,2 hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ, lấy

– hệ số kể đến đặc tính tải trọng, với va đạp vừa và rung động, lấy

X – là hệ số tải trọng hướng tâm, với , nên , ổ lăn một dãy, lấy X=1

Vậy ˚Xét khả năng tải tĩnh

Lấy giá trị lớn nhất trong 2 giá trị vậy lấy

Để đảm bảo ổ đỡ hoạt động hiệu quả, bạn cần chọn loại ổ có khả năng xấp xỉ hoặc lớn hơn hai giá trị của tải động và tải tĩnh Trong bài viết này, tác giả đề xuất lựa chọn ổ SKF W638 dựa trên các thông số kỹ thuật phù hợp Điều này giúp đảm bảo độ bền và độ tin cậy của hệ thống trong quá trình vận hành, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất làm việc của các thiết bị cơ khí.

Bảng 3: Bảng thông số lựa chọn ổ lăn

Do chịu tải trọng lớn của bộ đồ gá và dầm gây ra áp lực lớn lên con lăn, dẫn đến ma sát cao trong quá trình vận hành Để nâng cao độ cứng và khả năng chống mài mòn của con lăn, nhóm tác giả đã tiến hành tôi bề mặt con lăn Các biện pháp này giúp tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc của hệ thống truyền động, đồng thời đảm bảo độ bền bỉ trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

Sử dụng phương pháp tôi cải thiện

1.4 Tính toán lựa chọn xi-lanh thủy lực

Các thông số làm việc chính:

+ Kiểu xi lanh (Type): AMP5

+ Đường kính ống (Bore): AL

+ Hành trình xi lanh (Stroke): H

+ Áp suất làm việc lớn nhất (Max Pressure): pmax

+ Tốc độ đẩy (Top Speed): v m/s.

+ Nhiệt độ làm việc (Temperature): t (độ C) Để tiến hành tính chọn xi lanh ta cần biết trước các thông số sau:

• Xi lanh làm việc theo chiều đẩy hay kéo (ở đây ví dụ tính cho trường hợp thông dụng là xi lanh tác dụng kép làm việc theo chiều đẩy).

• Lực đẩy xi lanh: F = 300 (kG)

• Vận tốc làm việc khi xi lanh đẩy: v= 50 (cm/ph).

• Hành trình của xi lanh: H%0 (mm)

BƯỚC 1: Tính đường kính ống xi lanh

Chọn sơ bộ áp suất làm việc tại đầu đẩy: p1=50 (kG/cm 2 )

Chọn sơ bộ áp suất làm việc tại đầu hồi: p2P (kG/cm 2 )

Khi đó đường kính ống xi lanh được xác định sơ bộ theo công thức:

BƯỚC 2: Tính đường kính cần xi lanh Đường kính cần xi lanh được xác định sơ bộ như sau:

S = (0,56 ÷ 0,7).AL= (0,56 ÷ 0,7).49.3= 27.608 ÷ 34,51 Chọn xi lanh cần thiết theo tiêu chuẩn:

Với ALI.3mm, hành trình H%0mm và đường kính xi lanh S= 27.608 ÷ 34,51

Ta chọn xi lanh theo tiêu chuẩn bảng :

Bảng 4: Bảng thông số lựa chọn xi-lanh AMP5

Ta chọn được xi lanh

Lựa chọn công nghệ chế tạo

2.1.1 Tổng quan phương pháp chế tạo a) Gia công bằng phương pháp cắt plasma CNC

Hình 12: Máy cắt plasma CNC

- Ưu điểm của kỹ thuật cắt Plasma:

Phương pháp cắt Plasma có các lợi thế đối với phương pháp cắt Laser, và cắt Oxy-Gas:

Cắt plasma có tốc độ cắt nhanh hơn so với cắt oxy-gas đối với các tấm kim loại có độ dày dưới 50mm, giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất chung Ngoài ra, công nghệ cắt plasma còn vượt trội hơn cắt laser khi thực hiện cắt các tấm dày hơn 3mm, mang lại hiệu quả cao trong gia công kim loại Tốc độ cắt nhanh của công nghệ plasma là yếu tố quan trọng giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và giảm thời gian chế tạo.

Công nghệ cắt Plasma có khả năng cắt nhiều loại vật liệu khác nhau, bao gồm cả vật liệu chứa sắt và không chứa sắt, với độ dày cắt lên đến 80mm Nhờ vào khả năng linh hoạt này, cắt Plasma phù hợp cho nhiều ứng dụng và ngành công nghiệp, đem lại hiệu suất cao và độ chính xác vượt trội trong quá trình gia công kim loại.

Cắt plasma dễ dàng vận hành nhờ vào thiết kế thân thiện, không yêu cầu kỹ thuật cao từ người vận hành Quy trình đào tạo đơn giản, thao tác cắt nhanh chóng và chính xác mà không cần điều chỉnh phức tạp, giúp tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả sản xuất.

• Tính kinh tế: Cắt plasma có tính kinh tế hơn so với cắt Oxy-Gas, khi cắt tấm dày dưới 25mm

- Nhược điểm của phương pháp cắt Plasma

• Điện cực, bép cắt, vòi phun thường xuyên phải thay thế làm tăng giá thành sản xuất

• Cắt plasma không thể cắt với vật cắt không phải kim loại b) Hoàn thiện bằng phương pháp hàn:

Do sản phẩm có khung với nhiều chi tiết phức tạp, phương pháp đúc không phù hợp để gia công Vì vậy, nhóm tác giả đã chọn sử dụng phương pháp hàn để chế tạo các bộ phận của sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả.

Với khả năng linh hoạt cao của các sản phẩm thép, phương pháp hàn là giải pháp hiệu quả để kết nối chúng thành một khối thống nhất, đảm bảo độ bền và tính liên kết của cấu kiện.

2.1.2 Chế tạo phần khung của bộ đồ gá: a) Phần khung vỏ của bộ đồ gá

- Nhóm tác giả lựa chọn vật liệu thép tấm CT38

- Chia nhỏ thành nhiều phần và ghép lại với nhau lựa chọn phương pháp cắt thép tấm, theo bản vẽ sau:

Hình 13: Bản vẽ các chi tiết ghép lại thành khung

- Sau đó ghép các phần lại với nhau bằng các phương pháp hàn: GMAW,

FCAW, SMAW… Tùy vào điều kiện chế tạo sẵn, sau khi hoàn thiện khung sẽ có hình dạng như hình dưới:

Hình 14: Phần khung hoàn thiện b) Phần cánh tay nâng

- Nhóm tác giả lựa chọn vật liệu thép tấm CT38 và thép hộp để tạo kết cấu cho cánh tay

Cắt và ghép lại với nhau bằng phương pháp hàn:

Hình 15: Cánh tay nâng hoàn thiện c) Chế tạo hộp chạy ray

Nhóm tác giả lựa chọn vật liệu thép tấm CT38 và thép hộp để chế tạo kết cấu hộp chạy ray, ứng dụng các phương pháp cắt plasma, đột lỗ và hàn để hoàn thiện sản phẩm Đối với các con lăn chịu tải, tiến hành tôi cải thiện nhằm tăng độ cứng và khả năng chịu mài mòn, góp phần nâng cao độ bền và hiệu suất của hệ thống Phần tang quay được thiết kế và gia công chính xác để đảm bảo sự hoạt động trơn tru, ổn định của kết cấu.

- Sử dụng vật liệu thép đúc, qua các nguyên công cắt và hàn để hoàn thiện chi tiết

2.2 Các ống, trục, bánh vít, trục vít a) Phân tích phương pháp chế tạo Để hạ bậc trục, mở rộng lỗ thì được gia công bằng phương pháp tiện

• Các sản phẩm của phương pháp gia công tiện chủ yếu là dạng tròn xoay như: trục trơn, trục bậc, côn, ren, lỗ, lệch tâm…

• Giống như gia công phay, gia công tiện có năng suất cao, tính vạn năng lớn, độ chính xác cao

• Có nhiều kiểu, loại, kích cỡ máy tiện khác nhau do đó các sản phẩm phương pháp này có tính đa dạng cao

• Khó gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp, đặc biệt trên mặt phẳng b) Kích thước và yêu cầu chế tạo

- Trục vít dùng để nâng, đỡ và cố định dầm chúng ta sử dụng phương pháp tiện ren, với đường kính 36mm với bước ren 4mm

Hình 17: Trục nâng, đỡ và cố định dầm

2.3 Các chi tiết gia công thô

Những chi tiết không yêu cầu gia công chính xác cao như mài phẳng, khoan lỗ bắt bulong, cắt có thể sử dụng các loại máy cầm tay để tiết kiệm thời gian và công sức Các máy này phù hợp cho những công việc đơn giản, giúp đảm bảo hiệu quả và độ chính xác phù hợp với yêu cầu kỹ thuật Việc lựa chọn máy cầm tay phù hợp giúp nâng cao năng suất gia công, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất.

Bánh răng, vành răng

Hình 21: Bản vẽ gia công vành răng, bánh răng

- Bánh nhỏ được gia công bằng phương pháp xọc răng

- Vành răng có kích thước lớn nên sẽ được gia công bằng phương pháp phay

CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ GÁ

Trong việc thiết kế đồ án này, tác giả sử dụng hệ thống điều khiển PLC vì tính linh hoạt và tối ưu của nó a PLC là gì ?

PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các giải pháp điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để thực hiện hàng loạt trình tự các sự kiện, những sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích từ các ngõ vào hoặc thông qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hoặc các sự kiện đếm.

Khi sự kiện được kích hoạt thực sự, nó sẽ bật hoặc tắt thiết bị điều khiển bên ngoài gọi là thiết bị vật lý Một bộ điều khiển lập trình hoạt động liên tục theo chương trình do người sử dụng lập ra, chờ tín hiệu đầu vào và xuất tín hiệu đầu ra tại các thời điểm đã định sẵn Việc sử dụng PLC giúp tự động hóa quá trình kiểm soát, nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót trong các hệ thống điều khiển công nghiệp.

Để điều khiển hệ thống, có thể sử dụng hai phương pháp chính: điều khiển bằng rơle và khởi động từ hoặc điều khiển bằng chương trình nhớ Trong đó, phương pháp sử dụng rơle và khởi động từ phù hợp cho các hệ thống đơn giản, còn điều khiển bằng chương trình nhớ thích hợp cho các hệ thống phức tạp và tự động hóa cao hơn Việc lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp giúp tối ưu hóa hiệu năng và độ tin cậy của hệ thống.

Hệ điều khiển bằng Rơle sử dụng các tiếp điểm và dây nối để thực hiện các chức năng tự động hóa, trong khi hệ điều khiển lập trình có nhớ thay thế các thành phần này bằng các mạch điện tử tiên tiến Sự khác biệt chính nằm ở phần xử lý, khi hệ thống lập trình có nhớ sử dụng bộ điều khiển lập trình để lưu trữ và thực thi các lệnh, giúp nâng cao độ chính xác và linh hoạt trong điều khiển so với hệ thống Rơle truyền thống.

• Như vậy PLC làm nhiệm vụ thay thế phần mạch điện điều khiển trong khâu xử lý số liệu c So sánh lưu đồ điều khiển

Hệ điều khiển dùng Rơle Hệ điều khiển dùng PLC d Ưu nhược điểm của hệ điều khiển bằng PLC Ưu điểm:

- Thích ứng với nhiều nhiệm vụ điều khiển khác nhau

- Giảm đến 80% số lượng dây nối

- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp

- Khả năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho việc sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng

Chức năng điều khiển dễ dàng thay đổi nhờ vào thiết bị lập trình, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành thiết bị Khi không có yêu cầu thay đổi các đầu vào ra, không cần phải nâng cấp phần cứng, tiết kiệm thời gian và chi phí cho doanh nghiệp Tính linh hoạt trong điều khiển này giúp nâng cao hiệu quả và thuận tiện trong quá trình vận hành hệ thống tự động.

- Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển

- Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình

- Thời gian để một chu trình điều khiển hoàn thành chỉ mất vài

- ms, điều này làm tăng tốc độ và năng suất PLC

- Chương trình điều khiển có thể được in ra giấy chỉ trong thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống

- Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học

- Dễ dàng bảo quản, sửa chữa

- Dung lượng chương trình lớn để có thể chứa được nhiều chương trình phức tạp

- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp

- Dễ dàng kết nối được với các thiết bị thông minh khác như:

- máy tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng

- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ, tiết kiệm được không gian lắp đặt

- Giá thành cao (phần cứng + phần mềm)

- Đòi hỏi người sử dụng phải có chuyên môn.

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TOÀN BỘ HỆ THỐNG

Các thiết bị sử dụng cho hệ thống điều khiển

1.1 Bộ điều khiển PLC FX2N - 48MR

Những đặc điểm kĩ thuật của PLC FX2N – 48MR

- Tối đa kết nối với 8 special function modules

• Điện áp cung cấp: 24VDC

• Số ngõ vào, ngõ ra: 24DI / 24DO

• Bộ nhớ chương trình : 16000 bước

• Kết nối truyền thông: RS422, hỗ trợ broad mở rộng RS485/RS232

• Bộ đếm tốc độ cao: max 60KHz, 2 pha: 2 đầu vào max 30KHz

• Phát xung tốc độ cao: 2 chân phát xung max 20KHz

• Có thể mở rộng đến 256 I/O thông qua module

+ Lý do lựa chọn PLC FX2N -48MR

- Do cần nhập các số thực , và sử dụng real – time clock nên từ FX2N mới hỗ trợ

- Loại ngõ ra relay giúp sử dụng được cả điện áp 1 chiều (