Thiết kế hệ thống khoan lỗ tự động

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ -o0o -

ĐỒ ÁN TỰ ĐỘNG HÓA SẢN XUẤT

ĐỀ BÀI T03 THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHOAN LỖ TỰ ĐỘNG

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 11/2012

Trang 2

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ CHƯƠNG 3: MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT

16

21

CHƯƠNG 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trang 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

1.1 Giới thiệu công dụng của hệ thống khoan

Trong nhu cầu sản xuất-tiêu dùng hiện nay, nhu cầu các chi tiết yêu cầu conguyên công khoan trong quá trình sản xuất rất lớn, đa dạng và phong phú (khoan lỗ,làm ren, lắp ráp các thiết bị…) Và nhằm đáp ứng nhu cầu đo, hệ thống khoan tự độngđược thiết kế dùng để thực hiện một quy trình khoan trong sản xuất hàng loạt với năngsuất cao, hệ thống khoan tự động gồm 3 cụm chức năng sau đây:

- Cụm cấp phôi và định hướng phôi

- Yêu cầu gia công: cần khoan lỗ suốt tại tâm ∅5

- Năng suất của hệ thống: 12 sản phẩm/phút

- Sử dụng bộ điều khiển PLC để điều khiển toàn bộ quá trình

Hình 1.1: Kích thước phôi cấp vào

1.3 Xây dựng và lựa chọn phương án

Để thực hiện được quy trình khoan này, ta cần co 3 thành phần sau: cơ cấp phôi vàđịnh hướng phôi, cụm định vị - kẹp chặt và cụm khoan

1.3.1 Cấp phôi và định hướng phôi.

1.3.1.1 Sử dụng máng rung động.

Cơ cấu cấp phôi rung động co máng xoắn vít được dùng để cấp phôi rời từngchiếc cho các máy riêng biệt hoặc các máy trên đường dây tự động Khi cấp phôi dạngtrụ, phôi co thể trượt hoặc lăn trên máng rung

Trang 4

Nguyên lý: Phễu tròn (2) được lắp trên ba chân (1), no thực hiện chuyển động

dao động (xung quanh trục thẳng đứng) và chuyển động tịnh tiến khứ hồi (theo phươngthẳng đứng) , nhờ đo mà phôi chuyển động lên theo máng xoắn vít (3) Phôi nằm trongmáng xoắn vít sẽ trượt hoặc “bay” tùy thuộc vào biên độ dao động và goc nghiêng α củacác chân

a) Máng rung động b) Cơ cấu gạt phôi

Hình 1.2: Máng rung động cấp phôiPhôi từ phễu (3) được chuyển tới vị trí gia công nhờ lực đẩy trên máng chứathường cũng co cấu tạo xoắn vít Nếu trên máng chứa đã đầy phôi thì các phôi trênmáng xoắn tự động dừng lại do hiện tượng trượt tương đối của máng xoắn vít Ngay saukhi phôi ra khỏi máng chứa, các phôi khác ở máng lại tiếp tục lấp đầy máng

 Ưu nhược điểm:

Phạm vi sử dụng: Dùng cho các máy cần số lượng phôi cấp vào lớn (máy dập,

đong nắp chai,…) hoặc cho nhiều máy hoạt động cùng lúc và liên tục

Trang 5

1.3.1.2 Sử dụng cơ cấu định hướng bằng ống di động

Các cơ cấu định hướng dạng ống đi động được dùng để cấp và định hướng cácphôi dạng con lăn hình trụ và hình côn, các loại phôi dạng nắp…

Nguyên lý: Với các cơ cấu loại này, phôi được đổ lộn xộn vào cốc phễu, sau đo

các ống định hướng thực hiện chuyển động tịnh tiến lên xuống hoặc chuyển động quay,nhờ đo mà phôi không bị kẹp và rơi xuống ống một cách dễ dàng

Hình 1.3: Cơ cấu định hướng phôi bằng ống

Để nâng cao hiệu quả nhận phôi, ta tiến hành vát mép đầu ống hoặc định hướngbằng ống xẻ, co năng suất và tốc độ ổn định cao Khi đo, phôi sẽ rơi từ phía trên và từmặt bên của ống

Cơ cấu đảo phôi còn co thể là một chốt trụ co ren, được vặn chặt vào thành ống,và thành ống thực hiện chuyển động quay

 Ưu nhược điểm:

 Ưu điểm:

- Cơ cấu đơn giản, co tốc độ ổn định

 Nhược điểm:

- Số hành trình kép lớn (ống tịnh tiến)

- Khi tăng số hành trình kép thì ống va đập với phôi co thể gây ra hư hỏng bề mặt phôi

- Năng suất cấp phôi tương đối thấp (80 phôi/phút)

Từ hai phương án trên, tuy phương án dùng máng rung sẽ co năng suất cao, ổnđịnh, nhưng khối lượng nặng co kết cấu phức tạp, cần tính toán nhiều mà năng suất tacần cũng không lớn lắm (12 phôi/phút) Nếu xét về chi phí thì khi cấp bằng máng rung

Trang 6

sẽ tốn chi phí nhiều hơn, phức tạp hơn về chế tạo Cơ cấu ống xẻ là một phương án đơngiản, dễ thực hiện và vẫn đảm bảo năng suất yêu cầu.

1.3.2 Cụm định vị và kẹp chặt phôi

Cơ cấu phải đảm bào được các yêu cầu:

- Làm việc tin cậy, kết cấu đơn giản, thuận tiện

- Không được làm biến dạng chi tiết gia công và phá hỏng các mặt chuẩn trên đo

- Kẹp chặt và tháo kẹp phải thực hiện với thời gian ngắn nhất

- Khả năng gây sai số kẹp chặt là nhỏ nhất

Đáp ứng các yêu cầu trên, và mặt ngoài của phôi là mặt trụ tròn, vậy nên ta sửdụng các khối V để định vị chính xác và truyền lực kẹp phù hợp

1.3.2.1 Sử dụng ê tô

Ta sử dụng ê tô để thực hiện việc kẹp chặt và định vị

Ê tô co khả năng đáp ứng được yêu cầu khi gia công (độ cứng vững, khả năngchịu lực và rung động, ) Nhưng phương án này không khả thi trong quá trình thực hiệnvì phải chủ yếu thực hiện bằng tay, thời gian gá đặt lâu, kho kiểm soát được lực tácdụng lên phôi Kho đảm bảo năng suất

1.3.2.2 Kẹp chặt bằng xy lanh thủy lực – khí nén

Với hệ thống sử dụng xy lanh thủy lực, co những ưu nhược điểm sau:

 Ưu điểm

- Truyền công suất cao và lực lớn, kết cấu đơn giản, nhỏ gọn

- Kết nối các thiết bị dễ dàng bằng cách thay đổi các mối nối

- Dễ quan sát bằng áp kế và tránh quá tải nhờ van an toàn

 Nhược điểm:

- Sử dụng dầu để truyền động, khi thay mối nối hoặc dầu bị rò rỉ, sẽ dơ,

- Cần thiết kế thêm không gian để chứa động cơ và bồn chứa dầu

- Cần áp suất lớn để làm việc

Nhưng khác với việc sử dụng thủy lực, khí nén co những ưu điểm nổi trội hơn:Tác động nhanh, áp suất làm việc nhỏ (<10 bar) Hệ thống khí nén sử dụng an toàn, tincậy, sạch, ít bảo trì và nguồn khí co sẵn trong tự nhiên Mặt khác, phôi gia công co kíchthước bé, vật liệu là nhôm nên không cần lực lớn Các xy lanh khí nén cũng đã đượctiêu chuẩn hoa và co sẵn trên thị trường, với yêu cầu của hệ thống, ta co thể lựa chọndựa thiết bị dựa vào thông số kĩ thuật do nhà sản xuất thiết kế

1.3.3 Cụm khoan

Để thực hiện nguyên công khoan ta co thể sử dụng nhiều loại động cơ khác nhau

Trang 7

1 Động cơ thủy lực

2 Động cơ khí nén

3 Động cơ điện xoay chiều

Trong ba phương án trên, ta thấy rằng: vì cơ cấu định vị và kẹp chặt ta đã sửdụng khí nén, một sự tiện lợi, an toàn và sạch sẽ Nếu động cơ ta cũng sử dụng thì rấtthuận tiên cho việc điều khiển và vận hành Khi sử dụng động cơ thủy lực và điện, việckhông đồng nhất nguồn năng lượng sẽ làm phức tạp thêm trong quá trính điều khiển màchính điều này là chúng ta cần hạn chế trong thiết kế hệ thống Với chi tiết nhỏ, vật liệulà nhôm sẽ không cần một lực lớn, với khả năng công nghệ hiện nay, động cơ khí nén

co thể đạt một công suất lớn, vận tốc cao

Hình 1.4: Bố trí sơ lược cụm khoan

Ở đây, việc động cơ tự di chuyển để thực hiện khoan chi tiết là rất kho khăn vàhầu như không khả thi Nên ta sẽ lựa chọn phương án là dùng xy lanh (thủy lực hoặc khínén) để đẩy động cơ xuống và thực hiện quá trình khoan

1.3.4 Lựa chọn phương án

Từ những phân tích như trên, ta chọn hệ thống với các phương án như sau:

 Cấp phôi và định hướng phôi: cơ cấu ống xẻ

 Cụm định vị và kẹp chặt: sử dụng khối V và xy lanh khí nén

 Cụm khoan: sử dụng động cơ khí nén và xy lanh đẩy

1.4 Nguyên lý hoạt động hệ thống:

Phôi được để ngẫu nhiên trên phễu chứa phôi, tiếp theo được định hướng nhờ cơcấu ống xẻ với chuyển động tịnh tiến lên xuống để phôi trụ được định hướng thẳngđứng và phân đều qua ống dẫn

Trang 8

Hình 1.5: Nguyên lý hoạt động hệ thốngTại bàn kẹp chặt, phôi được cấp từ hai ống dẫn đã được định hướng sẵn Xy lanhkẹp chặt thực hiện hành trình đẩy và tiến hành kẹp chặt phôi nhờ vào khối V 90o đượcgắn cố định vào hai thanh trượt đứng trên bàn máy Sau đo, động cơ khoan được khởiđộng đồng thời kích cho xy lanh khoan thực hiện hành trình đẩy đi xuống để động cơkhí nén tiến hành khoan phôi đã được kẹp chặt.

Kết thúc quá trình khoan và lùi mũi khoan đều thực hiện nhờ hành trình đẩy vàrút của xy lanh khoan để tiến tới quá trình đẩy chi tiết và thùng chứa Do chi tiết đượckẹp chặt nhờ khối chữ V nên không thể dùng xy lanh đẩy chi tiết vào thùng chứa ngaylập tức mà cần phải co một lò xo được gắng ở giữa khối chữ V tĩnh để đẩy phôi đã giacông ra ngoài phạm vi của khối chữ V Lúc này, xy lanh đẩy chi tiết vào thùng chứamột cách dễ dàng, trong khi đo cơ cấu cấp phôi vẫn đang làm việc ….Quá trình đượcthực hiện lặp lại cho đến khi dừng hệ thống

Trang 9

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CÁC THIẾT BỊ

2.1 Các thông số tính toán khi gia công:

Yêu cầu với hệ thống: Khoan được lỗ suốt co đường kính ø5 qua tâm phôi, vàphôi co kích thước d = 30mm x h = 40mm Năng suất cần đạt là 12 sản phẩm/ phútDựa vào các yêu cầu của hệ thống, tính toán thông số trực tuyến trên trang webcủa hãng dụng cụ cắt Sandvik, theo tiêu chuẩn DIN với vật liệu làm phôi:41CrAlMo7_V, độ cứng: 250HB ta co bảng thông số sau:

Bảng 2.1: Thông số cắt khi khoan

1 Vận tốc cắt Vcmin 50= (m/phút) ; Vcmax 100 = (m/phút)

60

Vc= (m/phút)

2 Lượng ăn dao Fn=0,15(mm/vòng); Fn= 573(mm/phút)

3 Số vòng quay động cơ: n=3820(vòng/phút)

5 Lực cắt khi khoan: F cat =716N

7 Lượng hớt kim loại: Q cat =11(cm3/phút)

8 Lưu lượng chất làm nguội,

9 Thời gian gia công t =4,19(s)

Tính toán lực kẹp khi khoan

1

sin( / 2)

K M Q

f R

α

=+Trong đo:

Trang 10

2.2 Tính toán cụm cấp phôi và định hướng phôi:

2.2.1 Cụm cấp phôi và định hướng phôi

Cụm cấp phôi co nhiệm vụ định hướng và cấp phôi cho quá trình khoan, với năngsuất cấp phôi phải đảm bảo 12phôi/phút để đáp ứng yêu cầu đặt ra

Cơ cấu cấp phôi được chọn là cơ cấu ống xẻ với hành trình chạy lên và xuống đểđịnh hướng phôi và cấp phôi vào vùng gia công

2.2.2 Thông số thiết kế cụm cấp phôi

Năng suất cấp phôi cần thiết để đáp ứng yêu cầu là 12 phôi/phút, với hệ số điềnđầy phôi trong khoảng 0,25÷0,4

Năng suất: Q K n=

Trong đo: K: hệ số điền đầy phôi

n: số chu kì tịnh tiến của ống xẻ

Vậy phễu cần dự trữ khoảng 30÷48 phôi cho một cụm khoan Ta sẽ dự trữ 50 phôicho một phễu cấp

Vận tốc quay của trục dẫn: 60 vòng/ phút

Số hành trình kép đạt được: 60 hành trình/phút

2.2.3 Tính toán bộ phận chính trong cơ cấu :

Trong đo: v: thể tích một phôi (d x h = 30 x 40)

Q: Số phôi dự trữ

η : Hệ số thể tíchĐường kính lỗ ống xẻ:

2

1 .1

ong phoi

h d

f

 +  ÷ 

=

+Trong đo: dống đường kính lỗ ống

n1 = 0,9 là hệ số tin cậy

f = 0,45÷0,8 là hệ số ma sát giữa phôi và thành ống

Vậy:

2

40130

+

(mm)

Ta chọn dống = 40 (mm)

Trang 11

Tính toán kích thước phễu:

Hình 2.1: Hình dáng và kích thước phễuỞ đây ta xét phần thể tích chứa phôi sẽ là V1

Với tính toán và lựa chọn như trên, phễu chứa phôi co kích thước như sau:

Hình 2.2: Kích thước phễu chứa phôi

Trang 12

Ống xẻ và cơ cấu thực hiện chuyển động tịnh tiến

Chiều dài hành trình kép: s = (1,2÷1,7).h

Với h là chiều dài (chiều cao) phôi, ở đây ta chọn s = 1,5.h

s = 1,5.40 = 60 (mm)

Hình 2.3: Ống xẻ và cơ cấu tịnh tiến

2.3 Tính toán cụm định vị và kẹp chặt

Ta chọn khối V co goc α=900

Hình 2.3: Khối V co goc α = 900

Trang 13

Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật khối V của hãng KANATEC

Mã thiết bị Lực giữ Kích thước (mm) Khối lượng

Lực kẹp khi khoan (từ bảng 2.1): Q=131,17N

Sử dụng xi lanh khí nén để thực hiện việc kẹp chặt Chiều dài hành trình của xy lanh là 50 mm (theo thông số hãng)

Hình 2.4: Hành trình xy lanh kẹp

Lực cần thiết để xy lanh đẩy phôi và kẹp chặt khi gia công:

Q = Qkẹp + Qma sát ≈ Q kẹp

Do khối lượng phôi nhẹ, co thể bỏ qua lực ma sát, nên lực cần thiết của xy lanh cothể xem chính là lực kẹp

- Thời gian chạy hết hành trình và rút về: 0,5s

- Dựa vào các thông số ta chọn các xy lanh tiêu chuẩn của hãng FESTO

Trang 14

b)Hình 2.4: Bố trí cụm kẹp chặt

Trang 15

Bảng 2.2: Các bộ phận chính trong cơ cấu kẹp chặtTên chi tiết Số lượng Hãng sản xuất Mã thiết bị

Xy lanh kẹp chặt và

đẩy phôi

Bảng 2.3: Thông số kĩ thuật các thiết bị

Xy lanh kẹp - ESNU-20-50-P-A

4 Lực tác dụng tại áp suất 6 bar 158,13 N

Cảm biến tiệm cận SMT-8M-A-PO-24V

2.4 Cụm khoan

2.4.1 Thông số cắt khi khoan

Theo bảng 2.1 ta co được khi tính toán thông số cắt

Tổng thời gian gia công:

khoan kep rut mui khoan thoi chay khong

T T= +T +T +T +T

Trong đo: Tkhoan =4,19s, là thời gian khoan

Tkep = 0,5s, thời gian chạy hành trình kẹp phôi

Trútmuikhoan+Tthổi phoi +Tchay không = 0,6s

T = 4,19 + 0,5 + 0,5 =5,19 s

Số chi tiết gia công được trong một phút:

11,565,19

N T

Trang 16

Ta thấy 11,56 < 12, vậy năng suất yêu cầu không được đảm bảo Ta tiến hành lắpthêm một trạm khoan nữa Như vậy, ta sẽ co năng suất dự kiến khoảng 23 chi tiết/phút.

Sơ đồ bố trí như hình sau:

Hình 2.5: Sơ đồ bố trí các trạm khoanTheo bảng 2.1, ta co

Công suất động cơ: P = 0,9 kWVận tốc trục động cơ: n = 3820vòng/phútMomen xoắn tạo ra: M = 1,9N.m

Chọn động cơ theo tiêu chuẩn của hãng MacScott Bond

Tính toán sơ lược kích thước của hệ thống:

Trang 17

Hình 2.6: Kích thước sơ bộ hệ thống khoanKích thước bàn máy:

Chiều dài: L=2.238 200 2.50 230 1006+ + + = mm

Xylanh chọn tiêu chuẩn co chiều dài 238mm, đường kính ø20mm

Hình 2.7: Kích thước cụm kẹp chặtChiều rộng: 560mm

Bảng 2.4: Các bộ phận chính trong cụm khoan

Thông số kĩ thuật xy lanh đẩy: xem phụ lục 2

Thông số kĩ thuật động cơ khoan: xem phụ lục 4

Trang 18

CHƯƠNG 3: MẠCH ĐỘNG LỰC VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT 3.1 Sơ đồ bố trí cảm biến :

Vị trí đặt cảm biến trong hệ thống

C-C

Hình 3.1: Vị trí đặt cảm biếnX00: Khởi động hệ thống

X01: Dừng hệ thống

X1: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh kẹp 1 rút về

X2: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh kẹp 1 duỗi ra

X3: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh kẹp 2 rút về

X4: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh kẹp 2 duỗi ra

X5: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh khoan duỗi ra

X6: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh khoan duỗi ra

X7, X13: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh đẩy phôi 7 và 10 rút về

Trang 19

X8, X14: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh đẩy phôi 7 và 10 duỗi raX9, X11: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh đẩy phôi 8 và 9 rút vềX10, X12: công tắc hành trình ở vị trí khi xylanh đẩy phôi 7 và 10 duỗi raY0: tín hiệu điều khiển động cơ M1, M2

Y1: tín hiệu điều khiển xy lanh kẹp 1

Y2: tín hiệu điều khiển xy lanh kẹp 2

Y5: tín hiệu điều khiển xy lanh khoan duỗi ra

Y6: tín hiệu điều khiển xy lanh khoan rút về

Y7: tín hiệu điều khiển xy lanh đưa phôi duỗi ra

Y8: tín hiệu điều khiển xy lanh đẩy phôi duỗi ra

Y9: tín hiệu điều khiển xy lanh đẩy phôi duỗi ra

Y10: tín hiệu điều khiển xy lanh đưa phôi duỗi ra

3.2 Lưu đồ giải thuật

Trang 20

Lưu đồ giải thuật:

Trang 21

PHỤ LỤC

Phụ lục 1: Ý nghĩa ký hiệu tên xylanh của FESTO

Compact cylinders ADNGF, standard port pattern

Định dạng
Số trang	24
Dung lượng	1,56 MB