Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy tự động uốn thép xây dựng phục vụ cho hoạt động dạy học tại phân hiệu báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

Tình hình nghiên cứu chế tạo và sử dụng máy uốn thép trong nước và trên thế giới .... Nguyễn Hữu Chí 1 PHẦN MỞ ĐẦU - Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Ngày nay, các loại đai thép sử

TỔNG QUAN VỀ MÁY TỰ ĐỘNG UỐN THÉP XÂY DỰNG

Tình hình nghiên cứu chế tạo và sử dụng máy uốn thép trong nước và trên thế giới

a Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Cuộc cách mạng công nghiệp vào cuối thế kỷ XVIII và đầu thế kỷ XIX đã làm thay đổi căn bản các điều kiện kinh tế, xã hội, văn hóa và kỹ thuật trên toàn cầu Nền kinh tế nông nghiệp dần chuyển sang nền kinh tế công nghiệp, nhờ sự ra đời của nhiều máy móc và thiết bị, thay thế sức lao động thủ công bằng sức lao động của máy móc với năng suất cao hơn Cuộc cách mạng này bắt nguồn từ nước Anh và nhanh chóng lan tỏa ra khắp châu Âu và thế giới.

Vào đầu thế kỷ XX, cuộc cách mạng công nghiệp đã thúc đẩy nhu cầu sử dụng thép, đặc biệt trong ngành xây dựng dân dụng Sự gia tăng này đã dẫn đến sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp sản xuất thép Tuy nhiên, việc sử dụng thép uốn định hình với khối lượng lớn đã gây ra nhiều khó khăn cho các nhà sản xuất Để đáp ứng nhu cầu, các nhà chế tạo máy đã nghiên cứu và phát triển những máy uốn thép đầu tiên, mặc dù chúng chỉ là những cơ cấu máy sơ khai, hoạt động đơn giản và điều khiển bằng tay, với khả năng uốn các hình dạng đơn giản và năng suất cũng như độ chính xác còn hạn chế.

Hình 1 1: Các loại máy uốn hiện nay

Với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, đời sống con người được nâng cao, dẫn đến nhu cầu ăn ở và tiêu dùng gia tăng Điều này đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của ngành xây dựng và các ngành công nghiệp khác Đồng thời, trước xu thế phát triển toàn cầu, các công việc thủ công và lao động bằng sức người đang phải đối mặt với nhiều thách thức.

Máy uốn thép đang dần được thay thế bởi các thiết bị hiện đại và công nghệ tự động hóa, mang lại năng suất và hiệu quả cao Sự phát triển này đã dẫn đến sự ra đời của các loại máy uốn từ đơn giản, điều khiển bằng tay, đến các máy uốn gắn động cơ hoạt động bán tự động hoặc tự động hoàn toàn.

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điện tử và thông tin, các máy uốn thép tự động cao cấp đã ra đời, giúp tự động hóa quá trình uốn và cấp phôi với năng suất và độ chính xác cao Một ví dụ điển hình là máy uốn, bẻ đai thép CNC SGW12D-1, có khả năng uốn với đường kính từ 5-12 mm và thép tròn dây kép từ 5-10 mm Máy được trang bị hệ thống nạp phôi tự động điều khiển bằng PLC, với góc uốn tối đa lên đến 180° và độ dài uốn tối đa 1000 mm, độ dài uốn tối thiểu 90 mm Công suất động cơ kéo phôi là 16.5KW và công suất động cơ uốn là 7KW, kích thước máy là 3800×1000×2200 mm.

3 tấn Đây là loại máy uốn hiện đại, tuy nhiên giá thành còn khá cao

Một số các dự án đã được nghiên cứu, triển khai trong lĩnh vực này:

[1] Mahesh gadekar, Design & Development of Three Roller Sheet Bending Machine, india, Nov 30, 2015

[2] Y H Lin, M Hua, “Mechanical analysis of edge bending mode for four-roll plate bending process”, Computational Mechanics, Springer-Verlag 1999 b Tình hình nghiên cứu trong nước

Tốc độ đô thị hóa nhanh chóng ở Việt Nam đang thúc đẩy nhu cầu sử dụng thép uốn định hình với nhiều hoa văn khác nhau Theo khảo sát của hiệp hội xây dựng, các loại thép uốn có đường kính từ 6 – 10 mm chiếm hơn 65% trong ngành xây dựng Điều này cho thấy thép có đường kính nhỏ hơn 10 mm được sử dụng phổ biến, không chỉ trong xây dựng mà còn trong ngành cơ khí và các ngành công nghiệp khác.

Trong ngành xây dựng, việc chuẩn bị đai thép là rất quan trọng và ảnh hưởng đến tiến độ cũng như chất lượng công trình Do đó, sản xuất đai thép chủ động là cần thiết, đặc biệt cho các công trình lớn, nơi đai thép thường được sản xuất tại nhà máy và vận chuyển đến công trường, gây tốn kém chi phí Ngược lại, đối với các công trình nhỏ như nhà ở và công trình công cộng, việc sử dụng máy uốn tại chỗ mang lại nhiều lợi ích, giúp tiết kiệm thời gian và giảm bớt sức lao động nhờ vào các máy uốn nhỏ bán tự động hoặc tự động.

CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 5 chuyển máy dễ dàng, dễ sữa chữa khi hỏng hóc, chi phí ban đầu cho việc sản xuất thấp

Máy uốn thép mang lại lợi ích về thời gian, tính linh hoạt và giảm chi phí vận chuyển Tại Việt Nam, hầu hết máy uốn thép hiện nay được nhập khẩu từ Hàn Quốc, Đài Loan và Nhật Bản với giá thành cao và chi phí vận hành, bảo dưỡng tốn kém Do đó, chỉ những doanh nghiệp lớn có khả năng tài chính mạnh mới có thể đầu tư vào các loại máy này, trong khi các doanh nghiệp vừa và nhỏ gặp khó khăn trong việc tiếp cận.

Một số các dự án đã được nghiên cứu, triển khai trong lĩnh vực này:

[3] Phan Thế Nhân, Thiết kế và thi công mô hình máy uốn đai thép hình vuông tự động, ĐHSPKT TPHCM, 2009

[4] Nguyễn Hữu Nghĩa, Thiết kế - chế tạo - điều khiển mô hình cơ cấu uốn dây thép liên tục, ĐHSPKT TPHCM, 2011.

Đặc điểm kết cấu máy uốn thép và các thông số đặc trưng của máy uốn

a Đặc điểm của máy uốn thép

Về mặt kết cấu Máy uốn thép bao gồm các bộ phận chính sau

- Hệ thống truyền động đẩy phôi

- Hệ thống uốn công phôi

Hình 1 2: Máy uốn do Việt Nam sản xuất

CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 6

Máy uốn thép là công cụ lý tưởng để uốn cốt thép, với tính năng và cấu trúc tối ưu, giúp người sử dụng dễ dàng bẻ cong thanh sắt thành nhiều hình dạng khác nhau.

Máy uốn thép có nhiều loại kính cốt thép uốn được từ 3mm đến 12mm

Máy uốn thép giúp tăng năng suất, tiết kiệm chi phí;

Máy yêu cầu bảo trì hạn chế

Máy uốn thép được sử dụng để cắt các kích cỡ khác nhau của các thanh thép mà không thay đổi lưỡi cắt giúp tiết kiệm lao động

Máy uốn thép được thiết kế với lớp vỏ bảo vệ toàn diện, giúp ngăn chặn biến dạng do tải trọng nặng Bánh răng và trục bánh răng của máy được chế tạo từ thép chất lượng cao, đảm bảo độ bền và hiệu suất Các bộ phận quan trọng đã trải qua quy trình xử lý độ cứng để nâng cao khả năng hoạt động.

Máy uốn thép sử dụng công nghệ PLC và hệ thống khí nén, mang lại sự thuận tiện trong quá trình vận hành Thiết bị dễ dàng tìm kiếm và thay thế khi gặp sự cố hỏng hóc.

Máy uốn thép có kết cấu khung thép đảm bảo độ cứng vững của máy

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ MÁY UỐN THÉP

Cơ sở lý thuyết của phương pháp uốn thép

Quá trình uốn là một nguyên công phổ biến trong ngành chế tạo máy, giúp thay đổi phương trục của chi tiết, làm cho chúng cong đều hoặc gấp khúc Khối lượng vật uốn ngày càng tăng, và quá trình này có thể thực hiện trên máy ép trục khuỷu lệch tâm, ma sát, thủy lực, hoặc bằng tay với các dụng cụ chuyên dụng Đặc điểm nổi bật của uốn là chi tiết bị biến dạng nguội, với phôi trải qua biến dạng dẻo từng vùng để đạt được hình dáng mong muốn Quá trình này bao gồm cả biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo.

Khi uốn phần ngoài của lớp trung hòa, phần này chịu kéo trong khi phần bên trong chịu nén Lớp trung hòa không chịu kéo hay nén, do đó giữ được độ dài ban đầu Đây là cơ sở tốt nhất để xác định phôi uốn.

Tùy thuộc vào các kiểu uốn mà đai thép có các thông số kích thước cụ thể khác nhau

Hình 2 1: Kích thước các loại đai thép b Nguyên lý hoạt động

- Kiểu máy uốn mâm quay: chủ yếu dùng 2 con lăn và 1 cơ cấu kẹp giữ phôi để uốn

Hình 2 2: Cơ cấu uốn kiểu mâm quay

- Kiểu máy uốn tay kẹp: chủ yếu dùng 2 chốt và ống kẹp giữ phôi để uốn

Hình 2 3: Cơ cấu uốn kiểu tay kẹp c Thông số kỹ thuật của vật liệu

Đai thép được sản xuất từ thép cuộn CT3, nổi bật với độ dẻo cao và khả năng chịu va đập tốt Thép CT3 được cuộn thành những cuộn lớn với đường kính từ 1,2m đến 1,5m.

Bảng 2 1: Bảng cơ tính vật liệu thép CT3

STT Đường kính thép đai

Vật liệu Độ bền kéo [σ k ] (MPa) Độ dãn dài tương đối Δ (%) Độ bền chảy(MPa)

Thành phần hóa học của thép cuộn được trình bày ở bảng sau

Bảng 2 2: Bảng thành phần hóa học của thép CT3

STT Ký hiệu C Si Mn P (max) S (max)

0.60 0.045 0.045 d Công thức tính ứng suất uốn x z x

+ M x : là mômen uốn trên mặt cắt ngang

+ J x : là mômen quán tính của mặt cắt ngang

+ y: là tung độ của điểm cần tính ứng suất

- Khi tiết diện cắt ngang là hình tròn đặc

Hình 2 4: Tiết diện phôi tròn

  0,1D   e Sơ đồ tính toán và mô phỏng ứng suất

Hình 2 5: Sơ đồ phân tích ứng suất

- Bước 1: Vẽ và lắp ráp mô hình cơ cấu uốn

Hình 2 6: Vẽ và lắp ráp các chi tiết thành mô hình cơ cấu

Bước 2: Khai báo vật liệu cho các chi tiết

- Bước 3: Khai báo các bề mặt chịu tải

Thiết kế mô hình chi tiết 3D trong Inventor hay solidwork

Lắp ráp thành cụm cơ cấu

Chuyển đổi mô hình thành đuôi

Import mô hình vào Ansys 18 hay Solidwork

Chọn vật liệu cho các chi tiết

Khai báo các ràng buộc

Chia lưới cho mô hình

Mô phỏng động Xuất kết quả

Hình 2 7: Khai báo bề mặt làm việc

- Bước 4: Khai báo các ràng buộc

- Bước 5: Đặt tải trọng tác dụng lên chi tiết

Hình 2 8: Khai báo lực tác dụng

Bước 6: Tạo lưới phần tử hữu hạn

Bước 7: Tính toán và chạy mô phỏng

Hình 2 9: Quá trình chạy giải tính

- Khi phôi là thép CT3 và góc uốn là  45 0 thì ứng suất lớn nhất là   u 484.5MPa

Hình 2 10: Kết quả tính ứng suất của phôi thép CT3 với góc uốn  45 0

Hình 2 11: Kết quả tính ứng suất của phôi thép CT3 với góc uốn  90 0

Thiết kế mô hình đầu uốn

Đầu uốn hoạt động bằng cách tạo ra lực uốn để bẻ cong phôi thép, với cấu tạo gồm một tay uốn xoay quanh trục Lực này được sinh ra nhờ một pitong khí nén Để uốn các loại đai thép với hình dạng khác nhau, cần điều chỉnh góc đẩy của cần uốn, góc này được kiểm soát thông qua hành trình chuyển động của pitong bằng các công tắc hành trình gắn trên cần pitong.

Hình 2 12: Cơ cấu uốn khi góc uốn bằng không (nhìn từ trái qua phải)

Cần uốn hoạt động dựa trên nguyên lý đòn bẩy

Hình 2 13: Cơ cấu uốn khi góc uốn bằng không (nhìn từ phải qua trái) b Tính toán lực uốn cho cơ cấu

Hình 2 14: Sơ đồ chịu lực của cơ cấu uốn u phoi u d 6 phoi

     Đường kính pitong cần thiết (Chọn áp suất khí p=7kgf/cm 2 )

Bảng 2 3: Bảng so sánh đường kính pitong khí nén và thủy lực của cơ cấu cắt

STT Đường kính phôi (d) Momen uốn (Mu) Lực uốn Q Lực uốn F Đường kính pitong

Nhận xét và kết luận:

Để uốn phôi có đường kính d=8mm, đường kính pitong cần nằm trong khoảng từ 53mm đến 81mm Để đảm bảo an toàn, nên chọn pitong có đường kính D0mm Cần tính toán độ bền kế để thực hiện quá trình uốn này.

* Tính bền cần uốn thẳng

Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên thanh uốn

Hình 2 15: Phân tích lực trên thanh uốn thẳng

Sử dụng phần mềm inventor để tính toán ứng suất uốn và chuyển vị trên thanh uốn

Bước 1: Thiết kế chi tiết 3D

Bước 2: Vào môi trường phân tích ứng suất

Bước 3: Khai báo vật liệu

Chọn nhánh Material/Right click/Chọn Assign material, sẽ xuất hiện bảng dưới đây Vào mục Override Material/chọn loại vật liệu phù hợp (Steel carbon)

Bước 4: Khai báo các ràng buộc constraints a Khai báo các ràng buộc quay quanh chốt

Vào nhánh Constraints/Chọn ràng buộc quay quanh chốt pin

Hình 2 16: Khai báo ràng buộc chốt pin b Khai báo các ràng buộc gắn cứng tại mặt bên của then

Vào nhánh Constraints/Chọn ràng buộc không ma sát Fix

Hình 2 17: Khai báo ràng buộc mặt làm việc của then

Bước 5: Đặt tải tác động (lực tác động)

Vào nhánh Load/Chọn vòng tròn trong của lỗ/ Nhập gía trị F65N vào theo phương Y

Hình 2 18: Đặt tải trọng tác dụng

Bước 6: Thực hiện tính toán

Hình 2 19: Thực hiện tính toán

Bước 7: Hiển thị kết quả tính toán Ứng suất uốn lớn nhất  u max 61.06Mpa tập trung tại vị trí rảnh then

Hình 2 20: Kết quả ứng suất uốn trong thanh uốn thẳng

Vì  u max  61.06Mpa    [ u ] 610Mpa thanh uốn thẳng đảm bảo bền

* Tính bền cần uốn đầu cong

Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên cần uốn đầu cong

Hình 2 21: Phân tích lực lên đầu cong

Sử dụng phần mềm inventor để tính toán ứng suất uốn và chuyển vị trên thanh uốn

Hình 2 22: Khai báo ràng buộc quay quanh chốt pin

CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 19 b Khai báo các ràng buộc gắn cứng tại mặt bên của then

Hình 2 23: Khai báo ràng buộc không ma sát Fix

Vào nhánh Load/Chọn cung tròn ngoài của đầu cong/ Nhập gía trị Qs0N vào theo phương Y

Hình 2 24: Đặt tải lên đầu cong

Bước 7: Hiển thị kết quả tính toán Ứng suất uốn lớn nhất  u max 90.3Mpa tập trung tại vị trí rảnh then

Hình 2 25: Kết quả ứng suất uốn đầu cong uốn

Vì  u max 90.3Mpa  [ u ] 610Mpa dao cắt đảm bảo bền

* Tính bền trục trung gian chịu xoắn

Sơ đồ phân tích lực tác dụng lên trục trung gian chịu xoắn

Hình 2 26: Phân tích lực lên trục trung gian

Sử dụng phần mềm inventor để tính toán ứng suất xoắn và chuyển vị góc xoắn trên trục trung gian

Vào nhánh Constraints/Chọn ràng buộc quay quanh chốt pin b Khai báo các ràng buộc chống trượt dọc trục tại mặt bên của bậc trục

Vào nhánh Constraints/Chọn ràng buộc không ma sát Friction less

Hình 2 27: Khai báo ràng buộc không ma sát Friction less c Khai báo các ràng buộc gắn cứng tại mặt bên của then

Vào nhánh Load/Chọn mặt làm việc của rảnh then

Nhập gía trị Mx 365x200 F.R F Mx 365.200 8588N

Hình 2 29: Đặt tải trọng lên trục

Bước 7: Hiển thị kết quả tính toán Ứng suất uốn lớn nhất  x max 923.1Mpa tập trung tại vị trí rảnh then

Hình 2 30: Kết quả ứng suất xoắn trên trục trung gian

Vì  x max 923.1Mpa  [ x ] 610Mpa trục không dảm bảo bền, cần tăng khoảng mayơ hay dùng 2 then

* Tính bền tổng thể cụm cần uốn

- Ứng suất phân bố trên cụm cần uốn

Hình 2 31: Ứng suất tập trung chủ yếu ở ngàm cần thẳng với trục trung gian

Thiết kế mô hình cơ cấu đẩy phôi

Cơ cấu đẩy phôi được thiết kế với bốn con lăn có rãnh tròn bánh kính r3, phù hợp với phôi thép có đường kính d=6 Những rãnh này đóng vai trò quan trọng trong việc tăng cường ma sát giữa phôi và con lăn, giúp ngăn chặn hiện tượng trượt phôi trong quá trình đẩy vào.

Hình 2 32: Các con lăn được xẻ rãnh

Cơ cấu đẩy phôi được kết nối với động cơ bước, cho phép điều chỉnh chính xác kích thước đẩy Bộ truyền bánh răng đồng tấm giúp cơ cấu hoạt động đồng bộ, tránh hiện tượng lệch bước Để điều chỉnh lực ép, thiết kế bao gồm các ốc điều chỉnh kết hợp với lò xo nén, tạo ra lực ép êm ái và tùy thuộc vào phôi.

Hình 2 33: Truyền đồng liên kết với 2 bánh răng đồng tốc

Nhằm tăng khả năng đẩy và chống trượt cơ cấu đẩy phôi được thiết kế làm 2 bộ riêng rẻ nhưng có bộ phận liên kết truyền động

Bộ phận con lăn gồm 2 bánh chủ động nhận chuyển động từ động cơ bước còn 2 con lăn bị động tạo lực ép để kéo phôi di chuyển

Hình 2 34: Con lăn đẩy chủ động và bị động

Thiết kế mô hình cơ cấu cắt phôi

Cơ cấu cắt có vai trò quan trọng trong việc cắt phôi đúng kích thước sau khi uốn Để đảm bảo hiệu quả, cơ cấu này cần có độ cứng vững cao do phải chịu lực cắt lớn Ngoài ra, cơ cấu cắt còn hỗ trợ phôi trong quá trình uốn cong.

Cơ cấu cắt vận hành dựa trên nguyên lý đòn bẫy lực cắt được tạo ra nhờ pitong khí nén Áp lực khi nén là 7kgf/cm 2

Hình 2 35: Cơ cấu cắt phôi b Cấu tạo cơ cấu cắt phôi

- Cơ cấu cắt phôi bao gồm các bộ phận sau:

+ Trục đỡ c Tính toán lực cắt cho cơ cấu

- Khi phôi là thép CT3 thì ứng suất cắt là   c 0.4   c 0.4* 240 96MPa  (theo bảng 2.1)

Hình 2 36: Sơ đồ chịu lực của cơ cấu uốn

Q  l l  200  Đường kính pitong cần thiết (Chọn áp suất khí p=7kgf/cm 2 )

Bảng 2 5: Bảng so sánh đường kính của pitong khi cắt phôi d=6 và d=8

STT Đường kính phôi (d) Ứng suất cắt Lực Q Lực F Đường kính pitong

Máy được thiết kế để uốn phôi thép có đường kính từ 6 đến 8mm, với pitông khí nén có đường kính d 0mm và chiều dài hành trình l 0mm, đảm bảo lực cắt tốt Pitông lớn giúp tăng cường độ cứng vững và lực cắt Ngoài ra, cần tính toán và kiểm nghiệm độ bền của dao cắt để đảm bảo hiệu suất làm việc.

Sử dụng phần mềm inventor để tính toán ứng suất uốn và chiyển vị trên doa cắt

Chọn nhánh Material/Right click/Chọn Assign Material, sẽ xuất hiện bảng dưới đây Vào mục Override Material/Chọn loại vật liệu phù hợp (Steel carbon)

Hình 2 37: Khái báo ràng buộc quay quanh chốt pin b Khai báo các ràng buộc chống trượt dọc trục

Vào nhánh Constraints/chọn ràng buộc không ma sát Frictionless

Hình 2 38: Khai báo ràng buộc không ma sát Frictionless c Khai báo các ràng buộc gắn cứng tại lưỡi dao

Vào nhánh Constraints/chọn ràng buộc không ma sát Fix

Vào nhánh Load/chọn vòng tròn trong của lỗ/nhập gía trị F12N vào theo phương Y

Bước 7: Hiển thị kết quả tính toán Ứng suất lớn nhất  u max 498.9Mpatập trung tại vị trí góc trên của dao cắt

Hình 2 41: Kết quả tính toán ứng suất trên dao cắt

Vì  u max 498.9Mpa  [ u ] 610Mpa dao cắt đảm bảo bền e Tính toán và kiểm nghiệm độ bền trục đỡ dao cắt

Sử dụng phần mềm inventor để tính toán ứng suất uốn và chuyển vị trên trục đỡ dao cắt

Hình 2 42: trục đỡ dao cắt

Bước 4: Khai báo các ràng buộc constraints a Khai báo các ràng buộc gắn cứng tại các đế ổ đỡ

Vào nhánh Constraints/chọn ràng buộc gắn cứng Fix

Hình 2 43: Khai báo ràng buộc gắn cứng Fix

- Tính toán lực tải trọng

Hình 2 44: sơ đồ phân tích lực dao cắt

Vào nhánh Load/Chọn vào mặt trụ ngoài đoạn giữa của trục trung gian/nhập gía trị

Bước 7: Hiển thị kết quả tính toán Ứng suất lớn nhất  u max 52.86Mpatập trung tại vị trí cao nhất mặt trên của trục đỡ dao cắt

Vì  u max 52.86Mpa  [ u ] 610Mpa trục đỡ dao cắt đảm bảo bền f Tính toán và mô phỏng toàn cụm đế đỡ pitong dao cắt

Sử dụng phần mềm inventor để tính toán ứng suất và chuyển vị của toàn cụm dế dỡ dao cắt

Hình 2 47: Lắp toàn cụm đế dỡ pitong dao cắt

Bước 4: Khai báo các ràng buộc constraints a Khai báo các ràng buộc gắn cứng tại các đế ổ đỡ

Vào nhánh Constraints/chọn ràng buộc gắn cứng Fix

Hình 2 48: Khai báo ràng buộc gắn cứng Fix

- Tính toán lực tải trọng

Vào nhánh Load/Chọn vào mặt trụ ngoài đoạn giữa của trục trung gian/nhập gía trị

Bước 7: Hiển thị kết quả tính toán Ứng suất lớn nhất  u max 33.47Mpa

Vì  u max  33.47Mpa    [ u ] 610Mpa cụm đỡ pitong vẫn đảm bảo bền

Thiết kế mạch điều khiển trung tâm

a Các thiết bị của bộ phận điều khiển

Arduino Mega2560 là một vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega2560

Arduino Mega2560 khác với tất cả các vi xử lý trước giờ vì không sử dụng FTDI chip điều khiển chuyển tín hiệu từ USB để xử lý

 Vi điều khiển chính: ATmega2560

 IC nạp và giao tiếp UART: ATmega16U2

 Nguồn nuôi mạch: 5VDC từ cổng USB hoặc nguồn ngoài cắm từ giắc tròn

Khi sử dụng nguồn ngoài từ giắc tròn, nên cấp nguồn từ 6 đến 9VDC để đảm bảo mạch hoạt động ổn định Nếu sử dụng nguồn 12VDC, IC ổn áp sẽ bị nóng, dễ gây cháy và hư hỏng mạch.

 Số chân Digital I/O: 54 (trong đó 15 chân có khả năng xuất xung PWM)

Mạch giảm áp LM2596 là bộ điều chỉnh điện áp tích hợp chip LM2596, có khả năng điều chỉnh dòng ra lên đến 3A Với đầu vào 12V, mạch này cung cấp đầu ra nhỏ hơn 12V, rất phù hợp để cấp nguồn cho các cảm biến 5V hoặc MCU nhờ vào bộ chuyển đổi nguồn DC.

Ngoài ra, bo mạch này cũng bao gồm một chip PIC16F57 với bộ dao động tinh thể 25 MHz, một công tắc xúc giác và một ổ cắm IDC 16 chân

Hình 2 52: Mạch giảm áp LM2596

 Kích thước mạch: 53mm x 26mm

* Thiết bị hiển thị (LCD):

1 VSS: tương đương với GND - cực âm

2 VDD: tương đương với VCC - cực dương (5V)

3 Constrast Voltage (Vo): điều khiển độ sáng màn hình

4 Register Select (RS): điều khiển địa chỉ nào sẽ được ghi dữ liệu

5 Read/Write (RW): đọc (read mode) hay ghi (write mode) dữ liệu Nó sẽ phụ thuộc vào gửi giá trị gì vào

6 Enable pin: Cho phép ghi vào LCD

Ma trận phím 4x4 bao gồm 16 nút bấm được sắp xếp thành 4 hàng và 4 cột Các nút bấm trong cùng một hàng và cột được kết nối, tạo ra tổng cộng 8 ngõ ra cho ma trận này.

Ma trận phím 4x4 cho phép người dùng nhập chữ số, chữ cái và ký hiệu vào bộ điều khiển, từ đó điều khiển các thiết bị ngoại vi một cách hiệu quả.

Có thể mắc thêm trở treo (thông thường là 10K) cho các nút bấm để nút bấm hoạt

CNĐT: ThS Văn Quốc Hữu – TGC: TS Nguyễn Hữu Chí 36 động ổn định hơn Để giao tiếp được với ma trận phím 4x4, dùng phương pháp

"Quét" để kiểm tra xem nút nào được bấm

Van điện từ khí nén, hay còn gọi là van đảo chiều, là thiết bị điều chỉnh hướng dòng khí nén Chức năng chính của van này là đóng hoặc ngắt dòng khí, đồng thời điều chỉnh hướng di chuyển của khí nén qua van.

Hiện nay, hệ thống khí nén bao gồm nhiều thiết bị và phần tử cấu tạo Nắm rõ nguyên lý hoạt động của các phần tử khí nén, đặc biệt là van điện từ khí nén, sẽ giúp thiết kế, chế tạo và lắp đặt hệ thống một cách dễ dàng Điều này không chỉ giảm chi phí phát sinh không cần thiết mà còn đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và trôi chảy.

Hình 2 56: Van phân phối 5/2 điều khiển điện-điện

- Xi lanh tác động đơn: là loại xy lanh mà sử dụng khí nén của không khí để dịch chuyển xy lanh theo một hướng nhất định

Xi lanh tác động kép (Double Acting Cylinder - DAC) sử dụng lực của không khí để di chuyển trong cả hai hướng, bao gồm mở rộng và rút lại Thiết bị này có hai cổng, cho phép không khí vào, một cổng cho quá trình outstroke và một cổng cho quá trình instroke.

- Pitong là cơ cấu chấp hành, tạo ra lực nén cung cấp cho các cơ cấu uốn hay cơ cấu cắt vận hành

Pitong có nhiều chủng loại khác nhau

Hình 2 57: Pitong khí nén đuôi cá

Máy nén khí hút không khí từ môi trường và lưu trữ trong bình hơi với áp suất cao Khí từ bình được phân phối đến các công cụ như súng phun hơi để thổi bụi hoặc nước, và các máy có bộ phận quay như máy vít đinh, máy khoan, máy đánh nhám Trong các máy này, tuốc-bin hơi nhỏ sử dụng dòng khí áp suất cao để quay cánh quạt, nhờ vào cơ cấu truyền động thích hợp, giúp các máy hoạt động hiệu quả Không khí nén thường được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các công cụ như máy khoan đường, bơm phun sơn và máy khoan răng.

Ống khí nén là vật tư thiết yếu trong các nhà máy, dùng để dẫn khí nén từ nguồn cấp đến các vị trí cần thiết Chúng được sử dụng rộng rãi trong tất cả các loại nhà máy sản xuất, từ nhỏ đến lớn Khí nén phục vụ cho nhiều thiết bị như van điện từ, xylanh, súng xịt khí, súng vặn vít, súng vặn bulong và máy mài khí nén Để đảm bảo hiệu quả sử dụng, cần có các loại ống dẫn khí nén phù hợp.

Hình 2 59: Các loại ống khí nén

- Dùng để liên kết các ống lại với nhau, có rất nhiều kiểu đầu nối khác nhau

Hình 2 60: Các đầu nối ống

Động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày, đặc biệt trong lĩnh vực robot và tự động hóa công nghiệp Chúng có khả năng điều khiển chính xác các chuyển động góc quay bằng cách biến đổi tín hiệu điều khiển thành các xung điện rời rạc Trong thiết kế chế tạo máy uốn thép, động cơ bước đóng vai trò quan trọng trong việc đưa thanh thép đến vị trí nhất định theo yêu cầu lập trình.

Về cấu tạo động cơ bước cơ bản gồm stato, roto là nam châm vĩnh cữu

Hộp giảm tốc có cấu tạo đơn giản, bao gồm các bánh răng thẳng và nghiêng ăn khớp với nhau theo tỷ số truyền nhất định Khi được cấp điện, thiết bị này tạo ra vòng quay phù hợp với yêu cầu sử dụng Tùy thuộc vào điều kiện làm việc và các tính toán, hộp giảm tốc sẽ được thiết kế để phù hợp với công việc cụ thể.

Hộp giảm tốc loại 1 cấp chỉ truyền động một lần, trong khi hộp số giảm tốc có thể có 2 cấp hoặc 3 cấp Khi chế tạo hộp số giảm tốc, thường người ta thiết kế hộp nhiều cấp với tỷ số truyền mỗi cấp dao động từ 3 đến 5.

Kết quả nghiên cứu chương 2

Chương này đã hoàn thành việc thiết kế, tính toán và mô phỏng các chi tiết chính của cơ cấu cơ khí trong máy uốn.

CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH MÁY TỰ ĐỘNG UỐN THÉP XÂY DỰNG

Chế tạo, lắp ráp mô hình máy tự động uốn thép xây dựng

a Chế tạo và lắp ráp phần khung máy

- Khung máy được chế tạo bằng thép V50x50x5 và V30x30x3 được hàn liên kết lại với nhau

- Các lắp ghép giữa ổ đỡ là khung sườn nhờ mối ghép ren

Hình 3 1: Kết cấu toàn bộ khung máy b Chế tạo và lắp ráp cơ cấu uốn

- Cơ cấu uốn bao gồm càng cong, càng thẳng, trục quay, gối đỡ và pitong

Hình 3 2: Cơ cấu uốn d Chế tạo và lắp ráp cơ cấu đẩy phôi

Cơ cấu đẩy phôi gồm 2 con lăn để kẹp giữ phôi và đẩy phôi

Hình 3 3: Cơ cấu đẩy phôi e Chế tạo và lắp ráp cơ cấu cắt đứt

Cơ cấu cắt đứt gồm: dao cắt, trục xoay, gối đỡ và pitong

Hình 3 4: Cơ cấu cắt đứt f Chế tạo và lắp ráp bộ phận điều khiển

Tiến hành chạy thử máy

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại thép cuộn với đường kính khác nhau Để phù hợp với đề tài, chúng ta chọn thép có đường kính d=6 Thép được nắm thẳng thành những sợi dài khoảng 10-15m và sau đó được đưa vào máy uốn Việc lựa chọn kiểu loại đai thực nghiệm là rất quan trọng.

Có 3 kiểu loại đai đang được sử dụng trong xây dựng chiếu khoảng 80% số lượng đai cần dùng Đó là đai vuông, tam giác, chữ nhật nên sẽ thực nghiệm uốn 3 loại này

So sánh, đánh giá kết quả

a Đánh giá về hiệu quả hoạt động của máy

Máy uốn làm việc êm, máy chạy ổn định Tốc độ cắt ở trạng thái trung bình ít gây rung động

Máy chỉ hơi ồn do va đập khi cắt đứt đai thép do lực cắt đứt khá lớn

Các cơ cấu máy cứng vững nên độ ổn định máy cao

Hệ thống điều khiển chạy ổn định không chập chờn b Đánh giá về năng suất uốn đai

Nếu so với uốn tay thủ công thì máy uốn này sẽ có năng suất hơn từ 4-5 lần

Và đạt độ chính xác cũng như chất lượng đai ổn định hơn

Tùy theo mỗi loại đai mà năng suất đạt được như sau:

+ Nếu đai tam giác thì khoảng 5-7 đai/ phút

+ Nếu đai vuông thì khoảng 4-6 đai/ phút

+ Nếu đai chữ nhật thì khoảng 3-5 đai/ phút

So với các loại máy uốn khác trên thị trường, năng suất của máy uốn này chỉ đạt 65-80% Do sử dụng khí nén, lực sinh ra của máy uốn thấp hơn, dẫn đến tốc độ uốn và cắt cũng bị hạn chế Điều này ảnh hưởng đến chất lượng của đai thép.

Đai thép uốn trên máy có độ ổn định và chính xác cao hơn so với đai thép uốn thủ công, nhờ vào việc hiệu chỉnh góc uốn qua các công tác hành trình và cữ chặn cơ khí có độ chính xác và độ cứng cao Máy hoạt động theo chương trình đã được lập trình sẵn, giúp giảm thiểu sai số trong quá trình gia công.

Qua quá trình thực nghiệm đánh gia đo đạc và so sánh cho kết quả như sau:

+ Độ sai lệch góc uốn chỉ khoảng 2-3%

+ Chiều dài đai thép không sai lệch nhiều chỉ khoảng 1-2%

+ Độ hở các cạnh của đai thép nằm trong giới hạn cho phép

Tiêu đề	Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy tự động uốn thép xây dựng phục vụ cho hoạt động dạy học tại phân hiệu
Tác giả	Văn Quốc Hữu
Người hướng dẫn	TS. Nguyễn Hữu Chí II
Trường học	Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Cơ Khí / Cơ Khí Chế Tạo
Thể loại	Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
Năm xuất bản	2020
Thành phố	TP Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	57
Dung lượng	2,39 MB