Thiết kế chế tạo điều khiển máy hàn mâm bán tự động

1 Cấu tạo của xe rùa Xe rùa hay xe cút kít là một chiếc xe thô sơ có kích thước nhỏ để vận chuyển bằng tay và thường sử dụng trong xây dựng để chuyên di chuyển, thồ, chở những vật liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐIỀU KHIỂN MÁY HÀN MÂM

BÁN TỰ ĐỘNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS Bùi Thanh Luân

Tp Hồ Chí Minh, tháng …/…

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 08 năm 2021

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đến thầy hướng dẫn, TS Bùi Thanh Luân, người đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em mỗi khi gặp khó khăn, thử thách để em có thể hoàn thành tốt và đúng tiến độ luận văn

Bên cạnh đó, em không quên lời cảm ơn gửi đến quý thầy cô tại trường Đại học Công Nghệ Tp.HCM, đặc biệt là các thầy thuộc bộ môn Cơ điện tử, Viện Kỹ Thuật

đã hy sinh thời gian và công sức để truyền đạt cho những kiến thức căn bản, làm nền móng cho sự nghiệp của em trong tương lai

Mình cũng xin cảm ơn tất cả mọi người, anh em bạn bè trong khoa Cơ khí nói chung và lớp 17DCTA3 nói riêng đã không ngừng trao đổi, cập nhật thông tin, kiến thức giúp mình hoàn thành luận văn này

Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, những người thân trong gia đình

đã hết lòng ủng hộ, động viên để con có thể vượt qua khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 29 tháng 08 năm 2021

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

MỤC LỤC

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH v

DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii

Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1

1 1 Cấu tạo của xe rùa 1

1 2 Mô tả loại mâm xe rùa đang sản xuất 2

1 3 Vấn đề đặt ra 2

1 4 Lý do chọn đề tài 3

Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP 4

2 1 Tìm hiểu các máy móc tương tự đã có trên thị trường 4

2 1 1 Máy hàn mâm tự động 4

2 1 2 Máy hàn lăn bán tự động 5

2 1 3 Cánh tay robot hàn mâm xe rùa của Trần Đà 6

2 1 4 Cơ cấu hàn đơn giản 6

2 1 5 Sử dụng công nghệ khuôn dập 7

2 2 Xác định yêu cầu đề bài của máy 8

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 9

3 1 Lựa chọn kết cấu máy 9

3 1 1 Cơ cấu hàn 9

3 1 2 Cơ cấu xoay đổi bàn hàn 10

3 1 3 Tóm lại 12

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 13

4 1 Sơ đồ động học 13

4 2 Tính toán và thiết kế 13

4 2 1 Yêu cầu kĩ thuật 13

4 2 2 Mô hình sau khi thiết kế 14

4 2 3 Lực đẩy của xylanh 14

4 2 4 Lựa chọn động cơ bước 16

4 2 6 Tính độ dày của thanh ngang 19

4 2 7 Tính đường kính của trục chính 21

4 2 8 Lựa chọn động cơ trục chính 27

4 3 Bản vẽ lắp và bản vẽ chi tiết 29

4 3 1 Trục 29

4 3 2 Lựa chọn dung sai 30

4 4 Sơ đồ mạch điện 31

4 4 1 Sơ đồ mạch điều khiển 31

4 4 2 Lựa chọn PLC 32

4 4 2 Sơ đồ giải thuật 33

4 4 2 Mạch điện điều khiển 34

Chương 5 MÔ PHỎNG MÁY TRÊN SOLIDWORK 35

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 36

6 1 Kết luận 36

6 1 1 Đạt được 36

6 1 2 Hạn chế 36

Chương 7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 37

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1 1 Hình dáng của xe rùa 1

Hình 1 2 Mâm căm 2

Hình 1 3 Công nhân ở trong môi trường khói hàn 2

Hình 2 1 Máy hàn mâm tự động 4

Hình 2 2 Máy hàn lăn bán tự động 5

Hình 2 3 Cánh tay robot hàn mâm xe rùa của Trần Đà 6

Hình 2 4 Bàn xoay hàn 6

Hình 2 5 Ép mâm xe rùa 7

Hình 2 6 Mâm chén 7

Hình 3 1 Bàn máy xoay, đầu hàn di chuyển theo trục Z 9

Hình 3 2 Đầu hàn di chuyển theo trục Z và xoay theo trục Z 9

Hình 3 3 Bàn máy di chuyển theo trục Z và đầu hàn xoay theo trục Z 10

Hình 3 4 Có cơ cấu định tâm 11

Hình 3 5 Sử dụng cơ cấu man 11

Hình 4 1 Sơ đồ động học 13

Hình 4 2 Máy hàn mâm bán tự động 14

Hình 4 3 Xylanh 14

Hình 4 4 Động cơ bước 16

Hình 4 5 Biểu đồ vận tốc góc so với góc quét 17

Hình 4 6 Biểu đồ tốc độ so với momen xoắn 18

Hình 4 7 Thanh ngang chịu lực 19

Hình 4 8 Các lực tác dụng lên thanh ngang 20

Hình 4 9 Xác định chuyển vị bằng phương pháp Verêxaghin 20

Hình 4 10 Trục chính 21

Hình 4 11 Các lực tác dụng lên trục chính 23

Hình 4 12 Các lực tác dụng lên trục chính 24

Hình 4 13 Cơ cấu man 27

Hình 4 14 Khảo sát cơ cấu Man 27

Hình 4 15 Bản vẽ chi tiết trục chính 29

Hình 4 16 Bản vẽ chi tiết ống căn trục chính 30

Hình 4 17 Sơ đồ khối mạch điện 31

Hình 4 18 PLC FX1S-14MT-DSS 32

Hình 4 19 Sơ đồ giải thuật 33

Hình 4 20 Mạch điện điều khiển 34

Hình 4 21 Video mô phỏng máy 35

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 2 1 Yêu cầu đề bài của máy 8

Bảng 3 1 So sánh phương án cơ cấu hàn 10

Bảng 3 2 So sánh phương án cơ cấu đổi bàn hàn 12

Bảng 3 3 Các cơ cấu chính của máy 12

Bảng 4 1 Các thông số của động cơ 18

Bảng 4 2 Các thành phần điện của hệ thống 32

Chương 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1 1 Cấu tạo của xe rùa

Xe rùa hay xe cút kít là một chiếc xe thô sơ có kích thước nhỏ để vận chuyển bằng tay và thường sử dụng trong xây dựng để chuyên di chuyển, thồ, chở những vật liệu xây dựng như vôi, vữa, gạch, đá… xe rùa được thiết kế với cấu trúc khá đơn giản thường là với một bánh xe nằm ở trục giữa dưới đáy chiếu xe, có hai tay cầm và một máng chứa vật liệu ở giữa và có hai chân bằng sắt để chống đỡ Xe được thiết kế để cho một người sử dụng, đẩy vật liệu bằng hai tay cầm phía sau (Hình 1.1)

Thùng xe có thể làm bằng nhựa hoặc sắt Thùng nhựa thường được làm bằng công nghệ khuôn ép hoặc khuôn xoay Thùng làm bằng công nghệ khuôn xoay thì bền hơn rất nhiều so với khuôn ép, nhưng giá thành cao hơn

Tại Việt Nam ngoài việc sử dụng xe rùa trong xây dựng nó còn được sử dụng nhiều trong nông nghiệp dùng để vận chuyển nông sản và các loại quả khi tới mùa

vụ Do vậy xe rùa còn được phân ra nhiều loại mẫu mã và phân khúc và độ bền khác nhau để giảm giá thành cạnh tranh giữa các nhà sản xuất với nhau

Hình 1 1 Hình dáng của xe rùa

1 2 Mô tả loại mâm xe rùa đang sản xuất

Cấu tạo của mâm căm bao gồm (Hình 1.2):

Hình 1 3 Công nhân ở trong môi trường khói hàn

Việc em chọn đề tài là “máy hàn mâm xe rùa bán tự động” là một cơ hội tốt để

em có thể hiện năng lực, trình độ chuyên môn của em trong những năm học đại học

và ứng dụng chúng trong nhà máy của gia đình để có thể sản xuất được những mặt hàng chất lượng và giá thành đủ để cạnh tranh với những nhà sản xuất khác Đồng thời tạo ra giá trị nhân văn là giúp người thợ không cần phải tham gia vào môi trường hàn độc hại

Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP

2 1 Tìm hiểu các máy móc tương tự đã có trên thị trường

Trên thị trường có rất nhiều máy móc có cơ cấu hàn và liên quan tới mâm xe rùa Sau đây là một số ý tưởng mà em thu lượm được trong quá trình tìm hiểu về đề tài luận văn này:

2 1 2 Máy hàn lăn bán tự động

Trên kênh youtube “Machine Daily” video “I Was Amazed To See These Machines Working - Best Continuous Production” có một cơ cấu máy hàn bán tự động (hình 2.2)

Hình 2 2 Máy hàn lăn bán tự động

Cơ cấu của máy có 2 bàn gá, một bên là máy hàn lăn được thiết kế tự động hàn, bên còn lại có một người công nhan gá phôi vô bàn gá còn lại Sau đó bàn xoay sẽ trao đổi vị trí của 2 bàn gá cho nhau và người thợ lấy sản phẩm ra ngoài Đây là một thiết kế ý tưởng đặt nền móng cho em thiết kế trong đề tài luận văn này

2 1 3 Cánh tay robot hàn mâm xe rùa của Trần Đà

Hình 2 3 Cánh tay robot hàn mâm xe rùa của Trần Đà

Tại công ty TNHH sản xuất và thương mại Trần Đà, họ sử dụng một con robot 6 bậc tự do (Hình 2.3) để có thể tự động hàn mâm xe rùa (mâm chén) Ở đây chi phí để mua một cánh tay robot hàn khá cao nhưng bù lại diện tích hoạt động của cánh tay robot rất lớn nên có thể gá đặt nhiều phôi cùng một lúc

2 1 4 Cơ cấu hàn đơn giản

Tại channel youtube Made in Poland video “Welding & Cutting rotary table – BUILD” có một cơ cấu máy hàn rất hay và đơn giản (Hình 2.4)

Hình 2 4 Bàn xoay hàn

2 2 Xác định yêu cầu đề bài của máy

Bảng 2 1 Yêu cầu đề bài của máy

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

3 1 Lựa chọn kết cấu máy

3 1 1 Cơ cấu hàn

Với dạng kết cấu bàn máy và cơ cấu hàn yêu cầu chỉ cần hàn điểm, ta có các phương án phù hợp với mục tiêu đề ra như sau

• Phương án 1: Bàn máy xoay quanh trục Z, đầu hàn đi chuyển theo trục Z

Hình 3 1 Bàn máy xoay, đầu hàn di chuyển theo trục Z

• Phương án 2: Đầu hàn xoay quanh trục Z, đầu hàn đi chuyển theo trục Z

Hình 3 2 Đầu hàn di chuyển theo trục Z và xoay theo trục Z

• Phương án 3: Đầu hàn xoay theo trục Z, bàn máy đi lên theo trục Z

Hình 3 3 Bàn máy di chuyển theo trục Z và đầu hàn xoay theo trục Z

Bảng 3 1 So sánh phương án cơ cấu hàn

Phương án 1 Phương án 2 Phương án 3

Kết luận: Chọn phương án 1- Bàn máy xoay, đầu hàn đi xuống Cơ cấu này được áp dụng rộng rãi đối với các loại máy hàn trên thị trường, bởi tốc độ hàn

nhanh, thiết kế chế tạo máy đơn giảm, khối lượng của đầu hàn nhỏ nên có thể đẩy lên đẩy xuống dễ dàn, khối lượng của bàn hàn tuy lớn nhưng sẽ không cần momen xoắn quá cao để xoay bàn hàn

3 1 2 Cơ cấu xoay đổi bàn hàn

Dựa vào cơ cấu “Máy hàn lăn bán tự động” ở trên phần 2, ta có 2 phương án lựa chọn sau:

• Phương án 1: Trục chính được xoay bởi động cơ và hộp số và có cơ cấu

định tâm

Hình 3 4 Có cơ cấu định tâm

• Phương án 2: Sử dụng cơ cấu Man

Hình 3 4 Sử dụng cơ cấu Man

Bảng 3 2 So sánh phương án cơ cấu đổi bàn hàn

Nhận xét: Chọn phương án 2 – Sử dụng cơ cấu Man và ý tưởng của Phương án

1 là có sử dụng cơ cấu định tâm Cơ cấu Man là cơ cấu rất nổi tiếng, chúng thường

sử dụng trong nhiều loại máy yêu cầu độ chính xác cao, cơ cấu đơn giản, dễ dàng chế tạo Nhưng đồng thời ở phân đoạn thiết kế thanh ngang thì ta có thể chế tạo thêm 2 lỗ định tâm để có thể tăng độ tin cậy của máy vì chi phí bỏ thêm không đáng tiền

3 1 3 Tóm lại

Dựa vào cơ cấu của các loại máy móc đã có sẵn trên thị trường sau khi thảo luận với GVHD em lựa chọn ra các cơ cấu nổi bật cho đề tài luận văn:

Bảng 3 3 Các cơ cấu chính của máy

1 Cơ cấu hàn cố định được đẩy xuống nhờ xylanh

2 Máy có 2 bàn gá được điều khiển bởi 2 động cơ bước

3 Thanh xoay quay chính xác 180 độ nhờ sử dụng cơ cấu Man

Chương 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ

4 2 2 Mô hình sau khi thiết kế

Hình 4 2 Máy hàn mâm bán tự động

4 2 3 Lực đẩy của xylanh

Hình 4 3 Xylanh

Dựa vào mô phỏng tổng khối lượng của xylanh (Hình 4.3) cần giữ là 10kg, bao gồm:

- A là diện tích chịu lực tác dụng của áp xuất khí

- F là lực nâng của xylanh

Các loại máy nén khí thông thường đều có áp xuất là 6 Bar tương đương với

- 𝐷1 là đường kính của xylanh

- 𝐷2 là đường kính của trục xylanh, ta chọn xylanh có trục 10 mm

Để nâng được vật có khối lượng 10 kg từ (1) và (2) Ta có công thức tính đường kính của xylanh 𝐷1:

𝐷1 = √ 4.𝐹

𝑃𝜋 + 𝐷22 = √ 4.100

600000𝜋+ 0.012 = 0.0176 (m) (4.3) Vậy ta chọn đường kính xylanh 𝐷1= 20 mm

Với 𝐷1= 20 (mm) Lực ấn xuống của xylanh: 𝐹xuống = 𝑃 𝐴 = 188.5 (𝑁)

4 2 4 Lựa chọn động cơ bước

Hình 4 4 Động cơ bước

Dựa vào mô phỏng khối lượng của bàn gá khoảng 15 kg

Ta có công thức tính Momen động lượng của bàn gá tác dụng lên trục động cơ

a) Chọn vận tốc hoạt động và thời gian đáp ứng của động cơ

Đặt ra yêu cầu xoay bàn gá một góc 45 độ trong vòng 1s Chọn:

- Thời gian đáp ứng của động cơ T = 0.3s

- Vận tốc góc cực đại 𝑉1 =π

4

Ta suy ra ngược lại thời gian mà bàn gá xoay 1 góc 45 độ:

Hình 4 5 Sơ đồ vận tốc góc so với góc quét

ra

b) Tính Momen quán tính của bàn gá

Ta coi bàn gá có dạng hình trụ đặc Ta có công thức tính momen quán tính sau:

𝐼 = 1

2𝑚𝑅2 = 1

2 15 0.22 = 0.3 (Kg𝑚2) (4.5) Với:

- m = 15 kg là khối lượng của bàn gá

Vì Momen của bàn gá tác dụng lên trục của động cơ rất lớn, động cơ cần tìm giá thành cao nhưng số vòng quay lại không cần quá nhiều 8 vòng/phút

Nên ta sử dụng Buly 2:1 để giảm momen tải tác dụng lên động cơ

Vậy Momen xoắn cần tìm của động cơ sẽ có giá trị cần tìm vào khoảng

M = 1

4π = 0.785 (Nm) = 111 (oz-in) Chọn động cơ PKP246D15A2, 1.65 in (42mm) 2-Phase Bipolar Stepper Motor Có các thông số sau

Hình 4 6 Biểu đồ tốc độ so với momen xoắn Bảng 4 1 Các thông số của động cơ

4 2 5 Lựa chọn đai răng và puly

a) Lựa chọn dây đai răng

Dựa vào thông số của động cơ bước PKP564FMN24A Ta xác định được Momen cực đại của động cơ 𝑀𝑚𝑎𝑥 = 0,78 (𝑁𝑚), Số vòng quay cực đại 𝑛𝑚𝑎𝑥 =

Vậy Công xuất của động cơ là

𝑃đ𝑐 = 𝑀𝑚𝑎𝑥 𝑛 𝑚𝑎𝑥

Ta có công thức tính công xuất thiết kế

𝑃𝑑 = 𝐾0 𝑃đ𝑐 (4.8) Với

- 𝑃𝑑 là công xuất thiết kế của đai răng

- 𝐾0 là hệ số tải trọng tra theo bảng 4.11 trang 175

- 𝑃đ𝑐 là công xuất của động cơ

- Số răng của bánh đai nhỏ là 20

- Số rang của bánh đai lớn là 40 (vì tỉ số truyền 1:2)

4 2 6 Tính độ dày của thanh ngang

Hình 4 7 Thanh ngang chịu lực

Ta giả sử bàn gá và trục chính không chuyển vị

Hình 4 8 Các lực tác dụng lên thanh ngang

Các lực tác dụng lên mép của thanh đòn bao gồm:

- Trọng lượng của bàn gá 𝑃1 = mg = 15.10 = 150 (N)

- Trọng lượng của đầu hàn 𝑃2 = mg = 10.10 = 100 (N)

- Lực xylanh ấn xuống Fxl = 188.5 (N)

Sử dụng phương pháp Verêxaghin để xác định chuyển vị

Hình 4 9 Xác định chuyển vị bằng phương pháp Verêxaghin

Công thức tính chuyển vị: 𝑉𝑐 = 𝛺1 h

𝐸𝐼 (1)Với:

- E = 200 109

- 𝛺1 = 1

2Mtd 0,2 =1

2[(𝑃1+ 𝑃2+ 𝐹𝑥𝑙) 0,2].0,2 = 8.77

Dựa vào mô phỏng ta có

- Khối lượng của bàn gá là 15 kg

- Khối lượng của thanh xoay khoảng 4 kg

Momen quán tính của bàn gá chuyển dịch về trọng tâm của trục xoay

I = 1

Với

- d là khoảng cách từ tâm trục xoay tới tâm bàn gá

- m là khối lượng của bàn gá

Momen quán tính của thanh xoay

Giả sử thanh xoay có dạng hình hộp chữ nhật có trọng tâm chính giữa

b) Xác định Momen xoắn tại vị trí nguy hiểm

Ta có các loại lực tác dụng trên thanh xoay được biểu diễn như sau

Giả sử trường hợp xấu 1 bên bàn hàn tháo ra để sửa chữa

Hình 4 12 Các lực tác dụng lên trục chính

4 2 8 Lựa chọn động cơ trục chính

Khảo sát động cơ cấu Man

Hình 4 13 Cơ cấu Man

D1 là khoảng cách cán tay đòn của đĩa xoay 1, D2 là khoảng cách nhỏ nhất từ cánh tay đòn đĩa 1 tới tâm của đĩa 2 Ta khảo sát quỹ đạo của cánh tay đòn (hình 4.7)

Hình 4 14 Khảo sát cơ cấu Man

Ta nhận thấy vị trí thẳng hàng giữa tâm của 2 đĩa xoay và cánh tay đòn là vị trí

có vận tốc 𝑉 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 theo phương Oy Vì tại điểm có 𝑉 = 𝑉𝑚𝑎𝑥 thì Momen quán tính từ đĩa 1 chuyền qua đĩa 2 là nhỏ nhất nên ta xét tại vị trí đặc biệt này Ta có

M1

d1 = M2

Với

- 𝑀1 là momen xoắn của động cơ

- 𝑀2 là momen xoắn cần thiết để xoay trục chính

Vậy Momen xoắn cần thiết của bộ phận công tác là đĩa 1

Chọn động cơ có thông số sau:

- Công xuất của động cơ 𝑃đ𝑐 = 0,37 (𝑘𝑊) = 0,5 (𝐻𝑝)

- Tốc độ xoay v = 1400 (vòng/phút)

- Tỉ số truyền của hộp giảm tốc là 1:100

- Số vòng quay của bộ phận công tác n = 14 (vòng/phút)

Cách cố định bặc đạn thông thường người ta sử dụng 3 cách:

- Sử dụng phe: Dành cho những mối ghép không yêu cầu lực dọc trục quá

lớn

- Sử dụng bulong: Dùng cho những mối ghép yêu cầu lực dọc trục lớn

- Xiết tắc kê đai ốc: Dùng cho những mối ghép có lực dọc trục rất lớn

Ngoài ra trên trục còn có những mối ghép then Việc lựa chọn mối ghép then rất quan trọng, phụ thuộc vào độ lớn lực momen xoắn để chọn lựa mối ghép then phù hợp

4 3 2 Lựa chọn dung sai

Việc lựa chọn dung sai lắp ghép cho những mối ghép rất quan trọng Nó sẽ ảnh hưởng rất lớn tới độ bền của thiết bị, việc lựa chọn đúng dung sai sẽ tăng tuổi thọ của các chi tiết, ví dụ như bặc đạn trên trục,… Ngoài ra nếu chọn dung sai chính xác lớn hơn mức cần thiết thì giá thành gia công sẽ tăng Do vậy việc lựa chọn dung sai rất quan trọng

Dung sai của ổ lăn rất chính xác đạt ở mức J hoặc Js Ví dụ trong ổ lăn ∅20 thì dung sai sẽ rơi vào khoảng ± 0,001 mm Dung sai lắp cho ổ lăn chỉ cần 0,02 mm là đạt Lắp vòng trong ổ lăn thì ta chọn dung sai lắp theo lỗ, phải làm trục nhỏ xuống tức -0,02 mm Lắp vòng ngoài ổ lăn thì ta chọn dung sai lắp theo trục, phải làm lỗ to

ra tức +0,02 mm (Hình 4.16)

Hình 4 16 Bản vẽ chi tiết ống căn trục chính