Hệ thống tự động ứng dụng trong máy lắp ráp sản phẩm cuộn cảm An automatic system in the inductor product assembling machine Nguyễn Ngọc Phương, Phạm Văn Toản, Lê Phương Long Trường Đ
Trang 1Hệ thống tự động ứng dụng trong máy lắp ráp sản phẩm cuộn cảm
An automatic system in the inductor product assembling machine
Nguyễn Ngọc Phương, Phạm Văn Toản, Lê Phương Long
Trường Đại học Lạc Hồng e- Mail: toanlhu@gmail.com
Tóm tắt
Bài báo này giới thiệu hệ thống tự động ứng dụng trong máy lắp ráp sản phẩm cuộn cảm tại công ty Nectokin (100% vốn Nhật Bản) Sản phẩm máy lắp ráp tự động đã được đưa vào hoạt động tại doanh nghiệp với năng xuất 2,3s/1 sản phẩm, gấp 3 lần so với sản xuất thủ công Giảm 3 nhân công lắp ráp bằng tay/1 ca xuống còn 1 máy và 0,25 công nhân coi máy Tỷ lệ sản phẩm lỗi 0,01%
Abstract
In this paper Introduce an automatic system in the inductor product assembling machine at the Nectokin Company The study concludes that the assembly machine is applied for this company, the operation of machine carried out 2,3 seconds/models increasing 3 times with manual methods and decreasing error of machine is 0,01%
Keyword: Assembly system, Automatic assembly
1 Giới thiệu
Hiện nay, vấn đề sử dụng các thiết bị máy tự
động thay thế sức lao động của con người là rất
phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp Sự
thay thế này đã giảm được phần nào những công
việc nhàm chán, thường xuyên phải tiếp xúc trực
tiếp với những hóa chất độc hại của người công
nhân, tăng chỉ số chất lượng sản phẩm và năng
suất đầu ra Trong khi đó việc trang bị các hệ
thống tự động được ngoại nhập có giá thành khá
cao, việc không làm chủ được hoàn toàn về công
nghệ sẽ gây ra những khó khăn trong việc sửa
chữa và bảo trì Chính vì vậy việc tự động hóa
trong sản xuất ngày càng được các doanh nghiệp
quan tâm hơn
Thực tế, hiện nay tại các doanh nghiệp chúng ta
đang sử dụng hàng trăm lao động cho một khâu sản
xuất, việc quản lý lao động trở nên phức tạp và sản
phẩm làm ra còn tùy thuộc vào lao động như tình
trạng sức khỏe, kinh nghiệm, tay nghề Trong khi
đó, những nước phát triển đã sản xuất ra số lượng
sản phẩm đúng với số lượng ta đã làm được chỉ với
những thiết bị máy và chỉ sử dụng một nhân công
duy nhất để trông coi trong trường hợp máy bị sự
cố kỹ thuật Việc tự động hóa trong sản xuất sẽ
đưa ra những sản phẩm với chất lượng đúng như
mong muốn và tiết kiệm chi phí sản xuất Một số
công ty trong nước bước đầu đã nghiên cứu tự
động hóa trong công nghiệp, công ty Vietcontrol
[1] đã chế tạo “Hệ thống đếm sản phẩm trong nhà
máy xi măng bằng cảm biến siêu âm” Hệ thống
được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất xi
măng với việc tự động hóa các công ty xi măng sẽ tiết kiệm nhiều nhân lực cũng như hệ thống hoạt động chính xác hơn
Việc lắp ráp sản phẩm cuộn cảm (core SSR) cũng đang là vấn đề đặt ra cho nhiều doanh nghiệp trong nước Đặc biệt là việc thiết kế một hệ thống
tự động ứng dụng trong việc lắp ráp cuộn cảm Những vấn đề sau đây được đặt ra trong bài báo:
- Giải pháp xây dựng hệ thống được trình bày trong phần hai
- Phần ba trình bày cách thức thiết kế hệ thống
- Phần thứ tư là mô hình hệ thống điều khiển
- Phần cuối cùng nêu lên một số kết luận khi triển khai tại Công ty Nectokin
2 Giải pháp
Trong quy trình sản xuất sản phẩm cuộn cảm tại công ty Nectokin Việt Nam, cụ thể là công đoạn lắp ráp chi tiết 1 (core) và chi tiết 2 (bobbin) đang được thực hiện thủ công Công đoạn này đòi hỏi công nhân phải dùng tay giữ 3 chi tiết, phân biệt chiều trước – sau – úp – ngửa của hai chi tiết bobbin, đưa hai Bobbin đối xứng qua chi tiết core, dùng lực trên đầu ngón tay để ép hai mảnh bobbin vào khớp với nhau tạo thành hình khuyên ôm lấy core Với cách làm thủ công này tồn tại một số nhược điểm cần phải giải quyết: thứ nhất, việc lắp ráp bằng tay có thể xảy ra nhiều sai sót làm giảm chất lượng sản phẩm do trong quá trình lắp ráp
Trang 2người công nhân không hoàn toàn tập trung, vấn
đề sức khỏe không tốt; thứ hai, với số lượng đơn
đặt hàng ngày càng tăng cao của sản phẩm core
SSR thì việc sản xuất thủ công không thể đáp ứng
được yêu cầu về thời gian; thứ ba, như nhóm tác
giả đã trình bày ở trên, với số lượng đơn đặt hàng
đang tăng cao đồng nghĩa với việc phải cần đến
một lượng lớn nhân công làm tăng chi phí sản
xuất; Thứ tư, do lực bóp trên đầu ngón tay phải đủ
lớn hai bobbin mới ăn khớp với nhau, bên cạnh đó
năng xuất của một công nhân cần phải đạt khỏang
6000 sản phẩm/1 ca Chính vì vậy nhiều công
nhân sau một thời gian làm việc đầu ngón tay
bưng mủ và rất ngại làm việc tại công đoạn này
lắp ráp
Chính những khuyết điểm được phân tích trên đã
khiến việc tự động hoá các qui trình đang là vấn đề
mà công ty quan tâm hàng đầu nhằm nâng cao
năng suất và chất lượng sản phẩm Qua quá trình
nghiên cứu thực tế tại công ty, phương án thiết kế
máy lắp ráp được đưa ra như hình 2
3 Thiết kế hệ thống
Yêu cầu kĩ thuật sau khi cải tiến:
+ Tỉ lệ thành phẩm làm ra bị lỗi cho phép
là: 1/1000
+ Thời gian lắp ráp là 3 giây/1 sản phẩm
+ Một lần cấp 1000 bobbin (cho mỗi loại)
và 980 core (tương ứng 5 vỉ core)
+ Hệ thống hoạt động được trên hai loại
bobbin
Nguyên lý cấu tạo
Từ sơ đồ khối hình 2 máy lắp ráp sản phẩm được
biểu diễn như hình 3 Máy bao gồm: cụm cấp
bobbin (4), cụm tách vỉ core (1), cụm cấp core (2),
cụm lắp ráp (3)
Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Chi tiết bobbin úp và ngửa được cấp hỗn độn, core được cấp theo chồng 5 vỉ Khi có tín hiệu vận hành chi tiết bobbin sẽ được phân loại ra đúng chiều úp – ngửa – trước – sau thông qua cụm cơ cấu cấp bobbin (4), song song đó cụm cơ cấu tách vỉ core (1) làm nhiệm vụ tách từng vỉ core sau đó tiếp tục thông qua cụm cơ cấu cấp core (2) tách thành từng hàng core đặt lên băng tải Băng tải vận chuyển core đến cụm lắp ráp (3), tại đây công việc lắp ráp được thực hiện khi bobbin úp – ngửa và core cùng
có
3 1 Cụm cơ cấu cấp bobbin
Trên thực tế có rất nhiều kiểu phễu cấp phôi tự động như cấp kiểu cánh gạt, giá nâng, đĩa quay, kiểu móc quay, ống hai nửa, định hướng bằng rãnh, rung động Tuy nhiên chi tiết bobbin có hình dạng khá phức tạp, đồng thời khi lựa cần lựa ra đúng chiều úp - ngửa - trước - sau để định vị được
do đó nhóm tác giả chọn phễu kiểu rung động Trong phễu cấp phôi kiểu rung động Dẫn động của các cơ cấu này có thể là các đầu rung điện từ,
cơ khí, khí nén hoặc thủy lực Tuy nhiên để dễ dàng điều chỉnh năng suất phôi ra vô cấp chọn đầu rung điện từ
Khi phễu rung chuyển động chi tiết sẽ tản ra xung quanh thành phễu và bắt đầu đi tới đầu mối cánh xoắn, phôi tiếp tục chuyển động theo cánh xoắn, chi tiết sẽ chuyển đồng theo cánh xoắn từ dưới phễu lên trên theo mặt phẳng nghiêng cho tới phần dẫn hướng úp Sau đó chi tiết tiếp tục lựa chiều trước – sau bằng phương pháp loại bỏ dựa vào khe
hở giữa các chốt định vị trên bobbin
Trang 33.2 Cụm tách vỉ core
Do core được cấp theo chồng 5 vỉ nên phải có cơ
cấu tách từng vỉ core Việc truyền động tách vỉ
core từ chồng ra có các phương án Sử dụng cơ
cấu truyền động xích tải để tách từng vỉ core, từ đó
vỉ core được băng tải vận chuyển tới cụm cơ cấu
tách core với phương pháp này có ưu điểm chế tạo
dễ dàng, rẻ tiền nhưng việc cấp sẽ rất mất thời
gian Sự dụng truyền vít me kết hợp khí nén có ưu
điểm định vị lấy từng hàng core chính xác nhưng
điều khiển phức tạp, khó thiết kế Sử dụng phương
án truyền động khí nén tách vỉ core kết hợp với
băng tải vận chuyển có ưu điểm chế tạo đơn giản,
giá thành thấp, điều khiển đơn giản Do đó chọn
làm truyền động cho cụm cơ cấu tách vỉ core
H 5 Cụm cơ cấu tách vỉ core
Cụm cơ cấu tách vỉ core được biểu diễn trên hình
5, gồm có hai bộ phận chính
Bộ phận vận chuyển: động cơ (5) truyền
chuyển động quay thông qua xích lên băng tải (1)
Bộ phận tách vỉ core: xi lanh (4) hạ từng
vỉ core xuống băng tải, chồng vỉ core được đặt vào
lồng chứa (3), xi lanh (6) đỡ các vỉ core còn lại
trên thùng chứa, do băng tải được thiết kế tách làm
hai nên cơ cấu tăng đơ (2) dùng chỉnh băng tải
Hình 6 trình bày sơ đồ giải thuật điều khiển cụm
tách vỉ core
3.3 Cụm cơ cấu cấp core
Do đặc điểm cấu tạo của core là sắt non giòn, dễ
vỡ và nằm trong bìa carton chống “shock” Chính
vì vậy phương án cấp core gặp nhiều khó khăn
Dùng các thanh dẫn song song lấy 196 core (một vỉ core), sau đó chuyển trạng thái core
từ đứng qua nằm, từ đó tách từng core ra để làm nhiệm vụ tiếp theo Phương pháp này bên cạnh việc gây ra chấn động mạch làm rạn nứt core còn xẩy ra hiện tượng dính giấy ở giữa các lớp core đi theo
Dùng nam châm điện kết hợp khí nén để cấp core cho máy, việc sử dụng nam châm điện sẽ
có ưu điểm xác định vị trí dễ dàng, thiết kế đơn giản, giá thành thấp Bài báo chọn phương án này
để thực hiện
Xi lanh (3) định vị trí lấy core và nhả core, nam châm điện (2) có nhiệm vụ hút core, xi lanh (1) định vị chiều cao lấy core, băng tải (4) vận chuyển core
Để thuận tiện cho quá trình lắp ráp chi tiết core phải ở trạng thái nằm Trong khi đó core được vận chuyển từ vỉ core lên băng tải ở trạng thái đứng, do
đó hệ thống được thiết kế hai băng tải có tốc độ quay khác nhau để đáp ứng yêu cầu xử lý trạng thái core úp
Hình 9 trình bày giải thuật điều khiển của cụm cơ
cấu cấp core
Trang 4H 9 Giải thuật điều khiển cụm cấp core
3.4 Thiết kế cụm cơ cấu lắp ráp
Đặc điểm chi tiết bobbin có các chốt định vị nhỏ
được thiết kế so le nhau Do đó phải phân biệt
đúng chiều để lắp ráp ăn khớp với nhau Chi tiết
Bobbin nhỏ và có các rãnh định vị hẹp gần 0,3mm
nên khó định tâm được vào chi tiết bobbin phía đối
xứng qua core Từ đó phương án dùng xi lanh để
tác dụng lực ép cho việc lắp kết hợp với lòng
khuôn định vị cho hai chi tiết bobbin trên và dưới
đúng vị trí để quá trình lắp diễn ra một cách chính
xác và nhanh nhất
Bobbin trên được định vị chính xác nhờ
lòng khuôn định vị trên và được giữ đúng vị trí
nhờ xi lanh kẹp (hành trình tay kẹp là 2mm) đến
khi quá trình lắp ráp kết thúc
Bobbin dưới được định vị chính xác nhờ
lòng khuôn định vị dưới và được giữ chính xác
đúng vị trí nhờ lực hút (giác hút chân không) đến
khi quá trình lắp ráp kết thúc
Core được định vị chính xác nhờ rãnh dẫn
core (được làm bằng vật liệu inox nhằm đảm bảo
core trượt trong rãnh dễ dàng, đồng thời không bị
ảnh hưởng bởi từ trường) và lực hút của nam châm
điện được gắn trên xi lanh hành trình 25mm
Cụm cơ cấu lắp ráp được trình bày trên hình 12
Cơ cấu dập dẫn hướng cho Bobbin gồm hai xi lanh (1)(6) có hành trình dài 25mm và 30mm loại 2 ty đảm bảo các khuôn định vị không bị xoay vô hướng Trên phần đầu của xi lanh được gắn với khuôn định vị, mục đích chính nhằm dẫn hướng có tính cưỡng bức chi tiết Bobbin trên đồng tâm với chi tiết Bobbin dưới nằm trong khuôn, hai mảnh bobbin được lắp chặt với nhau nhờ lực ép của hai
xi lanh trên và dưới
Trang 5H 13 Giải thuật điều khiển cụm lắp ráp
Qua 4 cụm cơ cấu chính của máy, nhóm tác giả đã
trình bày một cách khái quát về từng cụm cơ cấu
của hệ thống Bản thiết kế hoàn chỉnh của máy
được trình bày trên hình 14
Các thông số kỹ thuật của máy
Kích thước (1200 *1000 *1200)
Khối lượng 70kg
4 Hê thống điều khiển
Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống, ta
thấy trên thực tế có các phương án điều khiển: vi
xử lý, PLC Điều khiển bằng vi xử lý có ưu điểm
giá thành thấp nhưng không ổn định, khó thay thế
và bảo trì Điều khiển bằng PLC có ưu điểm ổn
định, cài đặt các thông số đầu vào dễ nhưng giá
thành cao
Đứng trước một dự án hay một kế hoạch, đầu tiên các doanh nghiệp quan tâm tới vấn đề giá thành, lợi nhuận cũng như chất lượng sản phẩm Điều đó đặt ra cho tác giả phải lựa chọn phương án nào có tính khả thi nhất, mang lại hiệu quả cao nhất cho công ty Từ những ưu, nhược điểm đã phân tích ở trên, đồng thời để đáp ứng được yêu cầu của hệ thống nên phương án điều khiển bằng PLC được lựa chọn để thực hiện ([2][3][4])
Các thiết bị điều khiển hệ thống gồm có
+ Bộ điều khiển PLC Mitsubishi: PLC FX1N-60MR-001
+ Cảm biến sợi quang với bộ khuếch đại: E3X-NA11 (Omron)
+ Cảm biến quang: E3Z-D81 (Omron) + Bộ đếm H7EC-NV (Omron)
+ Bộ nguồn 24VDC-4.5A (Omron) + Biến tần 0.4kW-IE5 (LS)
+ Van Solenoid 24VDC 4V110-06 (SMC)
Trang 65 Kết luận
Bài báo đưa ra thiết kế, từ đó chế tạo thành công
máy lắp ráp tự động sản phẩm cuộn cảm core SSR
Qua quá trình vận hành chạy thử nghiệm sản phẩm
đã đạt được các thông số yêu cầu của công ty đề
ra Sản phẩm đã được chuyển giao cho công ty
Nectokin (100% vốn Nhật Bản) Hình 17 mô tả
máy lắp ráp đã được đưa vào dây chuyền sản xuất
Nếu so với lắp ráp thủ công thời gian lắp ráp từ 7s
xuống 2,3s/ sản phẩm, gấp 3 lần so với sản xuất
thủ công Giảm 3 nhân công lắp ráp bằng tay/1 ca
xuống còn 1 máy và 0,25 công nhân coi máy Tỷ
lệ sản phẩm lỗi 0,01%
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng tự động hóa
vào dây chuyền sản xuất của nhà máy Nhật Bản
Ý nghĩa thực tế: Đây là thiết bị được chế
tạo, thực nghiệm và được doanh nghiệp nước
ngoài ứng dụng vào sản xuất
sản xuất
Bảng 1.Kết quả kiểm tra chất lượng của công ty
Tài liệu tham khảo
[1] Công ty cổ phần Vinacontrol, (2012) http://www.vinacontrol.com.vn
[2] Autonics, sensors & controllers – selection guide (2011), http://www.linearmotiontips.com/,
27 Sep 2011 [3] Misumi (2008), Standard components for press dies, http://cad.misumi.jp/en/press.html [4] Omron (2009), Programmable relay zen v2 units.,
http://www.davis.com/Category/Omron_ZEN_V2 _Programmable_Relays/58686
Phạm Văn Toản sinh năm
1979 Anh nhận bằng Đại học
về Cơ điện tử của trường Đại
học Lạc Hồng năm 2004 Từ năm 2004 đến 2009 anh là giảng viên của Bộ môn Cơ điện
tử Anh nhận bằng Thạc sỹ về
Kỹ thuật cơ khí của trường Đại
học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh năm 2009 Hiện anh là Phó trưởng khoa khoa Cơ Điện trường Đại học Lạc Hồng Hướng nghiên cứu chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống tự động, điều
khiển, các hệ thống trong công nghiệp
Lê Phương Long sinh năm
1984 Anh nhận bằng Đại học
về Cơ điện tử của trường Đại
học Lạc Hồng năm 2007 Anh
nhận bằng Thạc sỹ về Kỹ thuật
cơ khí khuôn mẫu của trường
Đại học Khoa Học Kỹ Thuật và Ứng Dụng Cao Hùng (Đài Loan) năm 2009 Hiện anh đang công tác tại khoa khoa Cơ Điện trường Đại học Lạc Hồng Hướng nghiên cứu chính là thiết kế khuôn mẫu và thực hiện các hệ thống tự động, điều khiển, các hệ thống trong công nghiệp
