Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC

Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC vNghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI -

NGÔ VĂN TÂM

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐÚC PHUN

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Ngoài phần tài liệu

tham khảo đã đƣợc liệt kê đầy đủ, các số liệu và kết quả trong luận văn là hoàn toàn

trung thực chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Hà Nội, Ngày 10 tháng 03 năm 2013 Tác giả luận văn

Ngô Văn Tâm

Đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn cô TS Trần Thị Thanh Hải, đã tận tâm hướng

dẫn tôi làm luận văn trong suốt thời gian qua

Tuy đã có nhiều cố gắng nhưng trong luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Bởi vậy tôi rất mong nhận được sự góp ý của của các Thầy - Cô cũng như các bạn đồng nghiệp quan tâm đến vấn đề này để luận văn được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, Ngày 10 tháng 03 năm 2013 Học viên thực hiện

Ngô Văn Tâm

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

PHẦN MỞ ĐẦU 8

1 Lý do chọn đề tài 8

2 Lịch sử nghiên cứu 9

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 9

4 Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả 10

5 Phương pháp nghiên cứu 10

CHƯƠNG 1 12

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG 12

MÁY CÔNG NGHIỆP 12

1.1 Lịch sử hệ thống điều khiển trong máy công nghiệp 12

1.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển trong máy công cụ 13

1.3 Giới thiệu về bộ điều khiển PLC 15

1.3.1 Lịch sử phát triển 16

1.3.2 Vai trò của PLC trong quá trình tự động hóa sản xuất 16

1.3.3 Khả năng của PLC 17

1.3.4 Ưu điểm của PLC 17

1.3.5 Ngôn ngữ lập trình cho PLC 18

1.3.6 Phạm vi ứng dụng 19

KẾT LUẬN CHƯƠNG 20

CHƯƠNG 2 21

KHẢO SÁT MÁY ÉP NHỰA KIỂU ĐÚC PHUN 21

2.1 Tổng quan về công nghệ gia công sảng phẩm nhựa 21

2.1.1 Lịch sử phát triển 21

2.1.2 Các phương pháp gia công sản phẩn chất dẻo 22

2.1.3 Hệ thống điều khiển máy đúc nhựa 28

2.1.4 Giới thiệu một số hình ảnh máy đúc nhựa và sản phẩm nhựa 29

2.2 Khảo sát máy đúc phun 31

2.2.1 Hệ thống kẹp khuôn 32

2.2.2 Khuôn 34

2.2.3 Hệ thống phun 35

2.2.4 Hệ thống thủy lực 36

2.3 Phân tích nguyên lý làm việc của máy đúc nhựa kiểu đúc phun 37

2.3.1 Đặc điểm 37

2.3.2 Nguyên lý làm việc của máy đúc phun 38

2.3.3 Các thông số của máy 39

2.4 Hệ thống điều khiển máy đúc nhựa kiểu đúc phun 41

2.4.1 Yêu cầu cơ bản cần điều khiển của máy đúc phun nhựa 41

2.4.2 Các thiết bị chính của hệ thống điều khiển 42

KẾT LUẬN CHƯƠNG 42

CHƯƠNG 3 43

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY ĐÚC PHUN NHỰA 43

3.1 Cơ sở thiết kế 43

3.1.1 Các thông số cần điều khiển 43

3.1.2 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm 45

3.2 Giới thiệu về các thành phần trong hệ thống điều khiển 46

3.2.1 Phần tử xử lý trung tâm (PLC S7-200) 46

3.2.2 Màn hình cảm ứng Delta 54

3.2.3 Bộ điều khiển nhiệt độ OMRON E5CWL 59

3.2.4 Các cảm biến 63

3.2.5 Các phần tử mạch lực 64

3.2.6 Các phần tử khác 66

3.3 Thiết kế hệ thống điều khiển 70

3.3.1 Thiết kế mạch điện điều khiển 70

3.3.2 Tính toán các tham số của bộ điều khiển nhiệt độ 74

3.4 Mô phỏng hệ thống 77

3.4.1 Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống thủy lưc 77

KẾT LUẬN CHƯƠNG 77

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78

Tài liệu tham khảo: 80

PHỤ LỤC 81

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển 13

Hình 1 2: Hình máy CNC với hệ thống thay dao tự động đầu tiên 14

Hình 1 3: Cấu hình hệ thống điều khiển trong máy CNC router 15

Hình 1 4: Khả năng kết nối và điều khiển của PLC với các thiết bị 17

Hình 1 5: Một số hình ảnh ứng dụng của PLC 20

Hình 2 1: Alexander Parkes 21

Hình 2 2: Quá trình cán chất dẻo 23

Hình 2 3: Máy phủ dạng Pilot 24

Hình 2 4: Máy đúc phun 27

Hình 2 5: Máy đúc phun nhựa ngang 29

Hình 2 6: Hình máy đúc phun nhựa đứng 30

Hình 2 7: Khuôn ép nhựa dưới 30

Hình 2 8: Hình khuôn ép nhựa trên 31

Hình 2 9: Các sản phẩm nhựa 31

Hình 2 10: Cấu tạo chung của máy đúc phun 32

Hình 2 11: Hình hệ thống kẹp khuôn 32

Hình 2 12: Khuôn 34

Hình 2 13: Hệ thống phun 35

Hình 2 14: Hệ thống thủy lực hỗ trợ 36

Hình 2 15: Sơ đồ nguyên lý máy đúc nhựa kiểu ép phun 37

Hình 3 1: Sơ đồ thủy lực của máy đúc phun nhựa 43

Hình 3 2: Hình chu trình làm việc của hệ thống 44

Hình 3 3: Biểu đồ thời gian làm việc của hệ thống 45

Hình 3 4: Hình ảnh bên ngoài của một PLC 47

Hình 3 5: PLC và các thiết bị ngoại vi 49

Hình 3 6: Cách PLC thực hiện một vòng quét 50

Hình 3 7: Cách truy nhập theo bit 50

Hình 3 8: Cách truy nhập theo Byte, Word hay Double Word 51

Hình 3 9: Truy nhập Timer Bit và giá trị tức thời của biến thời gian 52

Hình 3 10: Kích thước của dữ liệu phụ thuộc vào cấu trúc lệnh 53

Hình 3 11: Các kiểu dữ liệu 53

Hình 3 12: Hình ảnh của màn hình khi bắt đầu khởi động 56

Hình 3 13: Hình ảnh màn hình ở chế độ tự động 57

Hình 3 14: Nhập dữ liệu 57

Hình 3 15: Hình ảnh màn hình chế độ điều khiển bằng tay 58

Hình 3 16: Sơ đồ nối dây giữa các cổng RS485 59

Hình 3 17: Chức năng chính của bộ điều khiển nhiệt độ 59

Hình 3 18: Cách kết nối bộ điều khiển nhiệt độ 61

Hình 3 19: Các phím chức năng của bộ điều khiển nhiệt độ 62

Hình 3 20: Cảm biến nhiệt độ 63

Hình 3 21: Công tắc hành trình 64

Hình 3 22: Ký hiệu và hình ảnh khởi động từ 65

Hình 3 23: Ảnh rơle và sơ đồ đi dây 66

Hình 3 24: Ảnh các Rơle điều khiển 220VAC 66

Hình 3 25: Hình ảnh một số loại đèn 67

Hình 3 26: Nút dừng khẩn 67

Hình 3 27: Ký hiệu nút dừng khẩn 68

Hình 3 28: Ký hiệu và hình ảnh Aptomat 68

Hình 3 29: Hình ảnh và ký hiệu cầu chì 69

Hình 3 30: Hình ảnh giao diện mặt tủ điều khiển 70

Hình 3 31: Hình ảnh sơ đồ mạch nguồn 71

Hình 3 32: Hình ảnh sơ đồ mạch lực 71

Hình 3 33: Hình ảnh sơ đồ đấu nối PLC 72

Hình 3 34: Hình ảnh sơ đồ đấu nối bộ điều khiển nhiệt độ 72

Hình 3 35: Hình ảnh sơ đồ đấu nối rơle 72

Hình 3 36: Hình ảnh sơ đồ đấu nối rơle 73

Hình 3 37: Hình ảnh sơ đồ cầu đấu đầu ra 73

Hình 3 38: Lưu đồ thuật toán điều khiển 74

Hình 3 39: Hình ảnh các vùng nhiệt 75

Hình 3 40: Sơ đồ mô phỏng bộ PID điều khiển nhiệt độ 76

Hình 3 41: Hình ảnh mô phỏng hoạt động của hệ thống thủy lực 77

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Mô tả so sánh các hệ điều khiển rơle, mạch số, máy tính, PLC 46

Bảng 2: Các loại PLC S7-200 hiện đang bán trên thị trường 47

Bảng 3: Thống kê so sánh một số loại PLC của Siemens 47

Bảng 4: Các thông số kỹ thuật chính của màn hình cảm ứng Delta 54

Bảng 5: Trạng thái đầu vào với đầu vào là cảm biến nhiệt 60

Bảng 6: Đặc tính kỹ thuật 60

Bảng 7: Bản thông số kỹ thuật 63

Bảng 8: Chiều dài dây cảm biến 63

Bảng 9: Bảng kết quả các giá trị sai lệch 76

Bảng 10: Bảng các giá trị tham số của bộ PID 76

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong các lĩnh vực đời sống và sản xuất ngày nay, việc tự động hoá quá trình sản xuất là hết sức quan trọng, điều đó góp phần nâng cao năng suất, chất lượng và giảm giá thành sản phẩm Chính vì vậy tự động hóa đã và đang được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực, từ đời sống sinh hoạt tới các quá trình sản xuất Yêu cầu đặt ra là phải tự động hóa tối đa các quá trình điều khiển, từ các công việc đơn giản trong đời sống thường ngày của con người cho đến các quá trình sản xuất phức tạp Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu đưa ra nhiều phương pháp và thiết bị điều khiển tối ưu Hơn nữa với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, tin học, cơ khí cho phép các kỹ sư có nhiều lựa chọn khác nhau khi thiết kế Một trong những lựa chọn mang lại hiệu quả cao khi thiết kế hệ thống điều khiển tự động hoá là sử dụng bộ điều khiển PLC (Programmer Logic Control) làm phần tử trung tâm của hệ thống điều khiển

Ngày nay, trên thế giới cũng như ở Việt Nam, nhu cầu các sản phẩm chất dẻo trong

kỹ thuật cũng như trong dân dụng ngày càng tăng Dựa trên cơ sở khoa học kỹ thuật công nghệ, thành tựu và sự phát triển mạnh mẽ của ngành vật liệu Polymer, các nhà sản xuất chất dẻo đã đưa ra thị trường một số lượng lớn chất dẻo, phong phú về chủng loại,

có nhiều tính chất và ứng dụng khác nhau và có những ưu nhược điểm nhất định Tính chất chung của chất dẻo là nhẹ, bền, đẹp, dễ gia công, tạo được nhiều mẫu mã đa dạng hơn, giá thành rẻ hơn các vật liệu khác có cùng công dụng cho nên nó có tính chất thay thế một số vật liệu truyền thống như gỗ, thép Giá trị sử dụng của loại sản phẩm này đã xâm nhập vào mọi lĩnh vực của nền kinh tế và trong dân dụng Nhu cầu và chất lượng của sản phẩm cũng như ứng dụng của nó ngày càng tăng

Với các tính chất tốt như: dẻo, nhẹ, có thể tái chế… vật liệu nhựa đã thay thế các loại vật liệu khác như: sắt, đồng, nhôm, gang… đang ngày càng cạn kiệt dần trong tự nhiên

Vì vậy trong tương lai, khả năng thay thế của nhựa đối với các vật dụng kim loại là rất lớn và ngành nhựa có tiềm năng phát triển cao

Với Việt Nam hiện nay, một nước đang phát triển thì việc ứng dụng tự động hóa ngày càng được chú trọng và đầu tư nhằm thúc đẩy hiệu quả sản xuất và cải thiện cuộc sống Một trong những ứng dụng to lớn của điều khiển tự động hóa trong cuộc sống, ta không

thể không nhắc đến đó là điều khiển tự động quá trình làm việc của máy đúc nhựa Góp phần không nhỏ trong sự phát triển kinh tế-xã hội phục vụ dân sinh

Căn cứ trên ưu điểm của bộ điều khiển PLC và sự phát triển của các sản phẩm nhựa

trong cuộc sống tôi đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun dùng bộ điều khiển PLC” Đây là đề tài có ý nghĩa thực tiễn cao, cần phải được

nghiên cứu và chọn phương án hợp lý để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm đúc nhựa

2 Lịch sử nghiên cứu

Việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển tự động máy đúc nhựa, đã được nhiều hãng phát triển và đưa ra các sản phẩm thương mại Ví dụ, bộ điều khiển máy ép phun nhựa SH900 của Đài Loan với các tính năng:

- Bộ nhớ trong: ghi nhớ 49 bộ khuôn (có thể mở rộng không giới hạn)

- Nhiệt độ: 16 đoạn nhiệt độ

- Sai số nhiệt: 0.25% @+1C

- Phạm vi nhiệt độ: Ktype 0-500oC

- Thước điều chỉnh: 4 đoạn (có thể mở rộng 6 đoạn)

- Áp điều chỉnh: 4 đoạn (có thể mở rộng 6 đoạn)

- Tốc điều chỉnh: 4 đoạn (có thể mở rộng 6 đoạn)

- Thuỷ lực tiêu chuẩn: 2 kênh - tốc độ kiểm soát và áp suất (tuỳ chọn: 4 kênh - áp ghi hoặc chức năng khác)

- Nguồn áp vào: 90-240Vac 15% 50/60HZ

- Nguồn áp ra: 27Vdc

3 Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Mục đích

Đề tài tập trung vào nghiên cứu các nội dung chính sau:

- Nghiên cứu tổng quan máy đúc phun nhựa

- Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy đúc phun nhựa dùng PLC làm bộ điều khiển trung tâm

+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

- Máy đúc phun nhựa: Sơ đồ nguyên lý, nguyên lý làm việc của máy

- Các tham số cần điều khiển trong máy đúc phun nhựa: nhiệt độ nóng chảy chất dẻo,

áp suất phun, tốc độ phun

- Bộ điều khiển PLC Siemens S7 200 CPU 224 và các mô đun khác

- Chương trình lập trình cho PLC S7 – 200 là Step7

- Màn hình cảm ứng Delta

- Bộ điều khiển nhiệt độ Omron

- Thiết kế và viết chương trình điều khiển máy

4 Tóm tắt những luận điểm cơ bản và đóng góp mới của tác giả

+ Luận điểm cơ bản

Từ việc nghiên cứu nguyên lý hoạt động của máy đúc phun nhựa, luận văn đã chỉ

ra được phương án điều khiển hợp lý cho máy đúc phun nhựa cần điều khiển đó là phương pháp điều khiển theo sự kiện, từ đó ứng dụng bộ điều khiển PLC để điều khiển hoạt động của máy đúc phun nhựa

+ Đóng góp mới của tác giả

- Đã đưa ra được phương pháp điều khiển hợp lý cho hệ thống cần điều khiển đó là phương pháp điều khiển hệ thống theo trình tự và theo trạng thái thay đổi của các thông

5 Phương pháp nghiên cứu

Tôi sử dụng phương pháp lý thuyết kết hợp với mổ phỏng trên phần mềm Automation Studio:

- Nghiên cứu lý thuyết điều khiển hoạt động của máy đúc phun nhựa

- Nghiên cứu cấu tạo, cấu trúc, đặc tính làm việc của các thiết bị trong hệ thống điều khiển

- Nghiên cứu lý thuyết về các kiểu dữ liệu, cấu trúc lệnh, hàm trạng thái, kỹ thuật lập trình của phần mềm lập trình Step 7 Từ cơ sở lý thuyết đó chúng tôi đưa ra các phương án điều khiển, xây dựng hàm trạng thái, sơ đồ thuật toán, lập trình điều khiển, thiết kế mạch điều khiển và thiết kế chương trình mô phỏng hoạt động của hệ thống

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG

MÁY CÔNG NGHIỆP

1.1 Lịch sử hệ thống điều khiển trong máy công nghiệp

Ngày nay, trong hầu hết các ngành kinh tế, kỹ thuật, nhất là các ngành công nghiệp đều áp dụng kỹ thuật tự động hoá Có thể nói, tự động hoá đã làm thay đổi diện mạo nhiều ngành sản xuất, dịch vụ Ở nhiều nước đã xuất hiện những nhà máy không có người, văn phòng không có giấy Khắp nơi đã bắt gặp những thuật ngữ như thương mại điện tử, chính phủ điện tử, máy thông minh, thiết bị thông minh

Tự động hoá có mặt từ khâu thiết kế đến khâu đóng gói sản phẩm trong một dây chuyền sản xuất

Một trong những đặc trưng của trình độ tự động hoá hiện đại là mức độ xử lí thông minh trong các tình huống xảy ra ở quá trình công nghệ Vì vậy, cần có những cảm biến tinh xảo để nhận biết về các tình huống đó Ngày nay, trên cơ sở những thành tựu của hệ thống tích hợp khoa học Micro và Nano (Micro Nanoscience Integrated System) nhiều tổ hợp các cảm biến tạo ra các cụm cảm biến đa năng, cho phép nhanh chóng nhận thức môi trường và tình huống từ nhiều thông tin cùng một lúc

Ngày nay, người ta đã thừa nhận rằng, nói đến công nghiệp hoá, hiện đại hoá không thể không nói đến tự động hoá Mà linh hoạt hoá là một trong những tiêu chí quan trọng để đánh giá hệ thống tổ chức sản xuất đáp ứng yêu cầu cạnh tranh khốc liệt trên thị trường Những bước đi từ số hoá đến máy tính hoá hệ thống sản xuất, dịch vụ ngày càng thực hiện theo con đường mềm hoá, linh hoạt hoá để thích nghi với thị trường biến động

và đã có lịch sử phát triển lâu dài

Lịch sử phát triển quá trình tự động hóa máy công cụ được trình bày theo sơ đồ hình 1.1 [1]

Ngày nay, đa số các máy công cụ hiện đại đều được điều khiển tự động Đây là điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những dự án tự động hóa linh hoạt trên từng máy công

cụ điều khiển số riêng lẻ, hay việc ghép nối chúng thành một hệ thống tự động linh hoạt

để nâng cao năng suất và chất lượng sản xuất

1.2 Giới thiệu về hệ thống điều khiển trong máy công cụ

CNC là máy công cụ điều khiển tự động điển hình Máy CNC ra đời từ ý tưởng của Jonhs Parson và không quân Mỹ muốn tạo ra một máy công cụ có khả năng gia công các

Hệ thống cơ khí thuần túy

Bộ điều khiển PI

Transistor 1948 Thyristor 1955

Máy tính số 1955 Process computer 1959

PM thời gian thực 1966 Microcomputer 1971

ĐK số, phân tán 1975

Vi điều khiển 1978

MT cá nhân 1980

Hệ thống fiedbus Sensor và actutor mới Tích hợp phần tử

Máy hơi nước 1860 Dynamos 1870 Bơm tuần hoàn 1880

ĐC đốt trong 1880 Máy chữ cơ khí,bơm

Ổ đĩa từ

Robot thông minh FMS, CIM Máy tính nhúng Hàng không vũ trụ

Tăng điều khiển

tự động

Tăng tự động điều khiển dùng máy tính, kết cấu tiểu hình

Tăng tích hợp điều khiển quá trình dùng máy tính Microcomputer

Hình 1 1: Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển

chi tiết máy bay với độ phức tạp và độ chính xác cao lặp đi lặp lại không thay đổi vào năm 1955 Đại học MIT đã phát triển dự án này cho không quân Mỹ

Hình 1 2: Hình máy CNC với hệ thống thay dao tự động đầu tiên

Cùng với sự phát triển của máy CNC là sự phát triển của các hệ thống điều khiển trên máy Các thành phần điều khiển máy CNC làm việc cùng nhau để giải mã các tín hiệu điều khiển được tạo ra bởi bộ điều khiển và phần mềm NC vào điều khiển quá trình công nghệ và hoạt động của động cơ chính xác

Các thành phần chính của hệ thống điều khiển trên máy CNC

Có bốn thành phần chính tạo nên bộ điều khiển trong máy CNC: các đơn vị cung cấp điện, hệ thống bảo vệ mạch, bộ điều khiển trung tâm và bộ điều khiển các thiết bị thành phần

Đơn vị cung cấp điện (PSU): thường được sử dụng để thay đổi dạng của nguồn

điện cung cấp từ dòng điện xoay chiều (AC) từ lưới điện, thành dòng điện một chiều (DC) là nguồn dễ dàng sử dụng hơn để điều khiển hoạt động của máy

Việc cung cấp, xử lý điện áp và dòng điện lớn (nguồn công suất) có thể gây hại cho các mạch điều khiển Vì vậy nguồn công suất và nguồn điều khiển cần được cách li

về điện

Hệ thống bảo vệ mạch: Hệ thống bảo vệ mạch điện chứa một bảng breakout để

cách ly tín hiệu từ máy tính điều khiển, phân phối các tín hiệu điều khiển tới các bộ điều khiển mong muốn, và cũng cho phép truyền tin dễ dàng từ các thiết bị ngoại vi như thiết

bị chuyển mạch giới hạn, nguồn, các cảm biến về máy tính điều khiển Cầu chì cũng là một phần của hệ thống bảo vệ mạch Cầu chì có thể bảo vệ các thiết bị trong trường hợp

hệ thống điện bị lỗi

Bộ điều khiển trung tâm: Có thể dùng máy tính trực tiếp điều khiển đến từng

thiết bị Từ việc điều khiển số NC (Numerical Control), điều khiển bằng máy tính CNC (Computer Numerical Control) cho đến việc ứng dụng các “máy tính nhúng” trong các

bộ điều khiển các thiết bị Hoặc sử dụng PLC để tự động hóa quá trình hoạt động của hệ thống đơn giản

Bộ điều khiển và các thiết bị thành phần:

Các bộ điều khiển động cơ nhận các tín hiệu điều khiển và điều khiển chuyển động của động cơ theo các giá trị nhận được Các bộ điều khiển động cơ có thể giao tiếp thông tin một chiều với động cơ (hệ thống mở), hoặc hai chiều với động cơ (hệ thống kín), tùy thuộc vào sự lựa chọn của người sử dụng của hệ thống điều khiển

Hình 1.3 cho thấy các thiết lập điển hình của các thành phần điều khiển máy CNC, chẳng hạn như cho một router 3 trục CNC Hệ thống này bao gồm một máy tính với phần mềm kiểm soát NC, hộp điều khiển và bộ điều khiển động cơ Hộp điều khiển bao gồm một mạch bảo vệ breakout, nguồn điện (không hiển thị), và bộ điều khiển động

cơ "Breakout board" cung cấp bảo vệ mạch và phân phối tín hiệu bên trong các hộp điều khiển

Hình 1 3: Cấu hình hệ thống điều khiển trong máy CNC router

1.3 Giới thiệu về bộ điều khiển PLC

PLC là viết tắt của tiếng Anh: Programmable Logic Controller là một bộ điều khiển logic lập trình được PLC dùng để thay thế các mạch Rơle (rơle) trong thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic Hiện nay có nhiều hãng sản xuất ra PLC như Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell

PLC thực chất là một máy tính điện tử được sử dụng trong các quá trình tự động hóa trong công nghiệp Thiết bị điều khiển có thể "lập trình mềm", làm việc theo chương trình lưu trong bộ nhớ (như 1 máy tính điều khiển chuyên dụng)

Thích hợp nhất cho điều khiển logic (thay thế các rơle), song cũng có thể chức năng điều chỉnh (như PID, mờ, ) và các chức năng tính toán khác

1.3.1 Lịch sử phát triển

1968: Richard Morley sáng tạo ý tưởng PLC cho General Motors

1969: PLC đầu tiên (Allen Bradley và Bedford), được GM sử dụng trong công nghiệp ô-tô (128 DI/DO, 1kByte bộ nhớ)

1971: Ứng dụng PLC đầu tiên ngoài CN ô-tô

1973: PLC “thông minh” với khả năng tính toán, điều khiển máy in, xử lý dữ liệu, giao diện màn hình

1975: PLC với bộ điều khiển PID

1976: PLC lần đầu tiên sử dụng trong hệ thống phân cấp điều khiển dây chuyền sản xuất

1977: mP-based PLC

1980: Các module vào/ra thông minh

1981: PLC nối mạng, 16-bit PLC, các màn hình CRT màu

1982: PLC với 8192 I/O (lớn nhất)

1992: Chuẩn IEC 61131 ra đời

1996: Slot-PLC, Soft-PLC,

1.3.2 Vai trò của PLC trong quá trình tự động hóa sản xuất

Nước ta hiện nay đang trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Vì thế, tự động hóa sản xuất đóng vai trò quan trọng, tự động hóa giúp tăng năng suất, tăng độ chính xác do đó tăng hiệu quả quá trình sản xuất Để có thể thực hiện tự động hóa sản xuất, bên cạnh các máy móc cơ khí hay điện, các dây chuyền sản xuất…v.v, cũng cần

thiết phải có các bộ điều khiển để điều khiển chúng PLC là một trong các bộ điều khiển đáp ứng được yêu cầu đó

1.3.3 Khả năng của PLC

PLC là một thiết bị điều khiển đa năng được dùng rộng rãi trong công nghiệp để điều khiển hệ thống theo một chương trình được viết bởi người sử dụng Nhờ hoạt động theo chương trình nên PLC có thể được ứng dụng để điều khiển nhiều thiết bị máy móc khác nhau Chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển và cách kết nối thì ta đã có thể dùng chính PLC đó để điều khiển thiết bị, hay máy móc khác Cũng như vậy, nếu muốn thay đổi quy luật hoạt động của máy móc, thiết bị hay hệ thống sản xuất tự động, rất đơn giản, chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển Các đối tượng mà PLC có thể điều khiển được rất đa dạng, từ máy bơm, máy cắt, máy khoan, lò nhiệt…đến các hệ thống phức tạp như: băng tải, hệ thống chuyển mạch tự động (ATS), thang máy, dây chuyền sản xuất…v.v PLC có thể điều khiển theo các quy luật khác nhau đối với các đối tượng của nó

Hình 1 4: Khả năng kết nối và điều khiển của PLC với các thiết bị

1.3.4 Ưu điểm của PLC

PLC có những ưu điểm mà các bộ điều khiển cổ điển dùng dây nối và Rơle không thể nào sánh được:

- Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học

- Gọn nhẹ nên dễ dàng di chuyển, lắp đặt

- Dễ bảo quản, sửa chữa

- Bộ nhớ có dung lượng lớn, nạp xóa dễ dàng, chứa được những chương trình phức tạp

- Độ chính xác cao

- Khả năng xử lý nhanh

- Hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp

- Giao tiếp được với nhiều thiết bị khác, máy tính, mạng, các thiết bị điều khiển khác

1.3.5 Ngôn ngữ lập trình cho PLC

Có thể lập trình cho PLC một các khá dễ dàng dựa trên một tập lệnh mà nhà sản xuất cung cấp Tập lệnh bao gồm nhiều lệnh, có thể cho phép người sử dụng kết hợp các lệnh này một cách logic để tạo nhiều chương trình điều khiển đa dạng, phức tạp Ngoài các lệnh thông thường, nhà sản xuất còn cung cấp thêm các lệnh mở rộng (Expansion Instruction) làm phong phú thêm khả năng điều khiển PLC Cùng với tập lệnh còn có nhiều cách lập trình khác cho PLC:

- Lập trình bằng giản đồ LAD (Ladder Diagram): Các lệnh được liên kết với nhau một cách logic, chương trình có dạng thang Đặc biệt, đối với các lập trình này, chương trình này trông giống như sơ đồ đấu nối một mạch điện nên rất dễ kiểm soát, dễ hiểu Do

đó cách lập trình này được ứng dụng khá phổ biến Thích hợp để lập các chương trình dài, phức tạp Để lập trình theo cách này cần một máy tính cá nhân kèm theo một trong các phần mềm hổ trợ: SSS (Sysmax Support Softwave), CLSS (Controler Link Support Softwave), SYS Win hay SYS MAC – CPT

- Lập trình dạng sơ đồ khối CSF (Control System Flowchart): Các lệnh được hiển thị như các khối chức năng, tùy từng ứng dụng mà ta liên kết các khối chức năng thích hợp để tạo nên chương trình Hiện nay, cách lập trình này không được dùng rộng rãi vì

nó khá phức tạp và khó kiểm soát chương trình Để lập trình theo cách này cũng cần có máy tính và phần mềm hổ trợ tương ứng

- Lập trình dạng phát biểu STL (Statement Lists): Các lệnh được biểu thị như các phát biểu, gần giống ngôn ngữ con người, nên cũng khá dễ hiểu Tuy nhiên do không có dạng hình ảnh nên ta không thấy được cách liên kết các lệnh, do đó khó kiểm soát được chương trình Để lập trình theo cách này, cần có một bộ lập trình bằng tay (Programing

Console) hay một máy tính cá nhân với phần mềm hỗ trợ Programing console rất gọn nhẹ, thích hợp lập các chương trình nhỏ, đơn giản và thuận lợi cho việc thử nghiệm, kiểm tra tình trạng PLC tại hiện trường

1.3.6 Phạm vi ứng dụng

Hiện nay PLC đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất cả trong công nghiệp và dân dụng Từ những ứng dụng để điều khiển các hệ thống đơn giản, chỉ có chức năng đóng/mở (ON/OFF) thông thường đến các ứng dụng cho các lĩnh vực phức tạp, đòi hỏi tính chính xác cao, ứng dụng các thuật toán trong quá trình sản xuất Các

lĩnh vực tiêu biểu ứng dụng PLC hiện nay bao gồm:

+ Hệ thống chuyền tải + Máy đóng gói

+ Điều khiển robot gắp và xếp hàng

+ Xử lý nước

+ Thiết bị xử lý hóa chất

+ Công nghiệp giấy và bột giấy

+ Công nghiệp đúc bê tông

Hình 1 5: Một số hình ảnh ứng dụng của PLC

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Trong chương một tác giả đã trình bày được: Lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển trong máy công cụ Các thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển trong máy công cụ và đặc biệt là vai trò, phạm vi ứng dụng của PLC trong hệ thống điều khiển máy

công cụ cũng như trong tự động hóa các máy sản xuất

CHƯƠNG 2

KHẢO SÁT MÁY ÉP NHỰA KIỂU ĐÚC PHUN

2.1 Tổng quan về công nghệ gia công sảng phẩm nhựa

2.1.1 Lịch sử phát triển

Nhựa mà chúng ta dùng ngày nay có nguồn gốc từ cuối thế kỷ 19 khi mà các nhà khoa học Châu Âu và Mỹ nghiên cứu ra bằng cách trộn nhiều loại cao su và chất phụ gia với nhau

Vật liệu nhựa nhân tạo đầu tiên được phát minh vào năm 1861 bởi Alexander Parkes

và được công bố chính thức với toàn thể thế giới vào năm 1862 tại triển lãm quốc tế ở London, gọi tên là nhựa Parkesine Một loại nhựa hữu cơ tổng hợp từ cellulose (phiên âm tiếng việt và viết xenlulo, xenlulozơ, xenluloza hoặc xenlulô) Đặc điểm loại nhựa này là

có thể gia nhiệt, tạo hình và giữ nguyên hình dạng khi nguội Tuy nhiên chi phí sản xuất tốn kém, khó chế tạo và dễ cháy

Hình 2 1: Alexander Parkes

Năm 1868, nhà phát minh người Mỹ John Wesley Hyatt phát triển một vật liệu nhựa

có tên là Celluloid được tổng hợp từ cellulose và alcoholized camphor được cải tiến trên

sự phát minh của Parkes Giải quyết vấn đề vật liệu làm quả billard (bida) trước đây được làm bằng ngà voi, có thể làm cho voi bị tuyệt chủng, nhựa Celluloid ra đời là một

sự thay thế tuyệt vời lúc đó Cùng với người anh trai Isaiah của mình, Hyatt đã chế tạo ra máy đúc phun đầu tiên và được cấp bằng sáng chế năm 1872 Chiếc máy này tương đối đơn giản so với các máy đúc phun đang sử dụng ngày nay Máy làm việc tựa như một ống kim tiêm, bằng cách sử dụng một piston để phun nhựa xuyên qua xi lanh được làm nóng và đi vào lòng khuôn Ngành công nghiệp nhựa phát triển chậm chạp trong những năm này vì sự hạn chế công nghệ Ngành công nghiệp nhựa nhanh chóng phát triển và

mở rộng trong những năm 1940 vì chiến tranh thế giới thứ II đã tạo ra nhu cầu rất lớn sản phẩm tốn ít chi phí, sản xuất hàng loạt Năm 1946, nhà phát minh Mỹ James Watson Hendry phát triển máy đúc trục vít đầu tiên, cho phép kiểm soát chính xác hơn nhiều tốc

độ ép và chất lượng sản phẩm Máy này cho phép trộn vật liệu trước khi phun để pha màu nhựa hoặc trộn đều nhựa tái chế với nguyên liệu nhựa chưa dùng trước khi phun Máy đúc trục vít vẫn được giữ và phát triển cho đến ngày này

Tổng kết các cột mốc phát triển quan trọng đáng ghi nhớ:

Năm 1862: Alexander Parkes phát minh nhựa Parkesine – nhựa nhân tạo đầu tiên Năm 1872: Hyatt phát minh nhựa Celluloid và cùng với anh trai Isaiah phát minh chiếc máy đúc nhựa đơn giản đầu tiên

Năm 1946: James Watson Hendry phát triển máy đúc nhựa trục vít như ngày nay

2.1.2 Các phương pháp gia công sản phẩn chất dẻo

1 Công nghệ cán chất dẻo

Là phương pháp sản xuất công nghệ gia công chất dẻo dùng để chế tạo sản phẩm dạng tấm hoặc màng Hình 2.2 thể hiện quá trình cán chất dẻo [2] Nhựa nóng chảy dạng bột nhão (paste) chảy qua hai hay nhiều trục cán có tốc độ quay điều chỉnh được, quay ngược chiều nhau, gia nhiệt chính xác, được cuộn lại thành cuộn với chiều dày và chiều rộng xác định Các trục cán song song có bề mặt rất phẳng, quay cùng tốc độ Bề mặt được đánh bóng hoặc tạo hình nổi, cứng hoặc mềm phụ thuộc vào vật liệu Sau khi hoá dẻo (plasticizing), nhựa nóng chảy dạng bột nhão (paste) được chuyển qua máy cán nhiều trục Máy cán thường có 4 đến 5 trục cán xếp theo hình chữ I, F, L, Z Kiểu chữ Z

có nhiều thuận lợi: tấm nhựa mất nhiệt ít (vì chuyển động ngắn) Thường sử dụng các loại vật liệu cán như PVC cứng, mềm, ABS, PS

Lực tác dụng lên trục cán lớn, tạo được màng nhựa mỏng Các lực lớn có thể gập trục cán, tạo nên màng nhựa ở giữa dày hơn so với hai bên Điều này khắc phục bằng cách:

- Đặt các trục chéo nhau một ít, vì vậy tăng khoảng hở

- Gập trục, mômen quay gập trục thực hiện bằng pitton thủy lực Cán ở nhiệt độ cao, ít sự thay đổi ngang trục khi áp suất cao

Để ép thành màng mỏng, cần một lực lớn, bất kỳ một sự thay đổi nào của lực dọc trục cán sẽ làm chiều dày màng thay đổi Một lý do khiến dao động áp lực là khoảng hở

ổ trục lớn Cần điều chỉnh ổ trục thích hợp Sau khi định hình, qua nhiều trục cán, màng hay tấm được làm nguội bằng cách đi qua các trục được làm lạnh ở nhiệt độ nhất định hay tháp làm lạnh Luôn có đồng hồ đo chiều dày đặt ở khoang làm lạnh Chiều dày màng được điều chỉnh tự động Sau làm lạnh, nhựa được cắt hai cạnh (5% chiều rộng) và cuộn tròn Các thiết bị phụ đi kèm với máy cán: ủ, thùng làm mát, trang trí, cắt và nối nóng, kéo căng định hướng màng (một hay hai chiều)

Hình 2 2: Quá trình cán chất dẻo

2 Công nghệ phủ chất dẻo

Là công nghệ tráng phân lớp với quá trình phủ bọc lớp chất dẻo lên vật liệu cốt dạng tấm mềm, dễ uốn (vải, giấy, sợi tự nhiên, sợi tổng hợp) Hình 3.3 Quá trình phủ chất dẻo [2] Công nghệ phủ chất dẻo được áp dụng rộng rãi vì chỉ một loại vật liệu là có thể sử dụng mà không cần xử lý bề mặt Biến tính bề mặt vật liệu thực hiện bằng phủ lên

đó một hay nhiều lớp vật liệu khác, tính chất của sản phẩm được cải thiện, có những tính chất đặc biệt Quá trình phủ được định nghĩa là thay thế lớp không khí trên bề mặt bằng một loại vật liệu khác

Lớp phủ thông dụng là sơn Các lớp phủ để bảo vệ chống ăn mòn vật liệu, chống phân huỷ, chống thấm, trang trí Nhiều ngành công nghiệp áp dụng công nghệ phủ như công nghệ cơ khí, điện tử, phim dùng trong y học

Quá trình đi qua các bước:

- Chuẩn bị dung dịch hay dung dịch phân tán để phủ

- Tháo vật liệu khỏi trục

- Chuyển vào máy phủ

- Tạo lớp phủ (từ dung dịch, bốc hơi)

- Sấy lớp phủ

- Cuộn lại

- Định hình cho sản phẩm (kích thước, hình dáng mong muốn)

Các công việc khác như: xử lý bề mặt để tăng độ bám dính, làm sạch bề mặt, loại

bỏ chất bẩn, bóc tách lớp bảo vệ Dựa vào vật liệu nền, thiết bị phủ có các loại: Phủ màng (web coater), phủ tấm (sheet coater) và máy phủ với các bề mặt không phẳng Loại phủ màng là thông dụng nhất, phủ một cách liên tục lên vật liệu nền Băng từ, giấy dán tường…đều sử dụng công nghệ này Hình dưới là máy phủ dạng pilot, tấm rộng 6 – 24 inches, tốc độ chạy thấp 3048 – 15240mm/phút (10 – 50ft/min) Các máy lớn hơn, bề rộng dải băng lên đến 1524mm (5ft), tốc độ 152400 – 1524000mm/phút (500 – 5000ft/min)

Hình 2 3: Máy phủ dạng Pilot

Máy phủ tấm sử dụng để phủ tấm riêng biệt Kết hợp thêm máy in, máy photo Loại máy này thường sử dụng trong phòng thí nghiệm để phát triển sản phẩm mới, phủ với lượng vật liệu ít Các phương pháp này sử dụng nhiều loại thiết bị như lưỡi dao, đầu định hình, trục tròn để kéo tấm đồng nhất trên trục Phủ phun cũng được dùng để phủ tấm Sản phẩm phủ màng hay tấm được làm khô trong không khí hay trong lò

- Thiết bị đùn nhựa (Plastics extrunder): di chuyển, bơm nhựa

- Thiết bị đùn gia công (Plasticating extrunder): Không chỉ vận chuyển nhựa mà còn làm nhuyễn hoặc nóng chảy vật liệu nhựa Vật liệu dạng hạt rắn được cấp vào thiết

bị và đưa nhựa đã nóng chảy đến khuôn

- Thiết bị đùn nhựa nóng chảy mà không làm chảy nhựa được gọi là melt-fed extrunder

Máy đùn gồm thiết bị tạo hình, chỉnh hình, bộ phận kéo, thu và cắt sản phẩm Vật liệu được dùng trong gia công đùn là các chất dẻo như PVC, PP, PE

4 Gia công chi tiết rỗng

Có thể dùng các phương pháp đùn thổi, đúc ly tâm, ghép 2 nửa vỏ Công nghệ tạo hình rỗng được chia làm 2 giai đoạn là đùn chất dẻo ra bằng khí nén áp lực sau đó dùng

áp lực khí thổi khối chất dẻo trong lòng khuôn hai nửa Vật liệu chủ yếu cho gia công vật thể rỗng là Polyetylen PE (85%) dùng để chế tạo các loại hộp, chai lọ, can nhựa hay các loại sản phẩm đóng gói

5 Gia công đúc ép

Quá trình ép là quá trình gia công vật liệu đã dẻo hoá sơ bộ hoặc nung nóng sơ bộ

để tạo viên và định lượng sản phẩm vào trong khuôn Ở nhiệt độ xác định sau khi khuôn đóng, dưới áp lực ép vật liệu thành sản phẩm Những năm 40, gia công nhựa nhiệt dẻo bằng đúc phun và đùn phát triển mạnh Đúc ép chiếm 70% sản phẩm nhựa, những năm

50 nó chiếm khoảng 25% khối lượng và bây giờ là 3% Cơ sở của phương pháp đúc ép: hỗn hợp được gia nhiệt khoảng 1490C trong khuôn, nhựa mềm ra Nhựa được giữ nhiệt

độ đúc ở áp suất 13,8 – 27,6 MPa trong thời gian thích hợp để xảy ra quá trình polymer hoá hay tạo liên kết ngang (cross-linking) và đóng rắn Chi tiết được đưa ra khỏi khuôn gồm có 3 phần chính: khung tấm ép, truyền động và điều khiển Các máy đúc ép, tấm ép

di chuyển lên xuống, dễ dàng cho việc định vị khuôn đúc Khi ép, khuôn, hệ thống giá đỡ phải đủ mạnh, tránh hư hại sản phẩm Động cơ để di chuyển tấm ép và tạo lực kẹp thường dùng loại pitton thuỷ lực dùng dầu áp lực cao để đẩy các tấm ép và kéo chúng tách ra Bơm điện cung cấp dầu áp lực 13,8 - 20,7MPa Tấm ép có dạng hình vuông, cạnh từ 15cm đến 2,4m, áp lực kẹp từ 6 đến 10000 tấn Các tấm ép thường chuyển động theo chiều thẳng đứng Máy có áp lực nhỏ, tấm trên chuyển động, loại khác thì tấm ép dưới chuyển động

6 Gia công đúc phun

Công nghệ đúc phun thì vật liệu sẽ được đưa vào nung nóng trong các khoang nung nóng riêng đến khi vật liệu nhựa chảy ra, dưới tác dụng của Piston vật liệu sẽ được đẩy ra qua miệng phun vào khoang khuôn kín định hình sản phẩm Máy đúc phun (hình 2.4 [2]) Sau khi nhựa định hình và đóng rắn, khuôn mở ra và đẩy sản phẩm ra ngoài Đúc phun là một quá trình đa năng, tạo ra sản phẩm từ vài gam đến 150kg Đúc phun cho năng suất cao, độ chính xác cao, tạo được sản phẩm có hình dạng phức tạp Với nhựa nhiệt dẻo, 90% sử dụng đúc phun Đúc phun liên quan đến 1/3 sản lượng nhựa tiêu thụ

để gia công nhựa nhiệt dẻo, công nghệ đúc phun gồm: máy đúc phun, khuôn đúc, thiết bị cấp liệu và vận chuyển, sấy, điều chỉnh nhiệt độ, làm lạnh, thiết bị điều khiển tự động

Máy gia công gọi là máy đúc phun (Injection Machine): Gồm có 3 phần chính: cụm phun, bàn kẹp và hệ thống điều khiển Thiết bị phun làm hoá dẻo và phun nhựa Bàn kẹp đỡ, đón, mở khuôn, tháo sản phẩm Cụm phun đẩy đầu phun tiếp xúc vào rãnh rót của khuôn, nóng chảy nhựa phun nhựa nóng chảy vào khuôn, tạo và duy trì áp suất

Hình 2 4: Máy đúc phun

7 Công nghệ đúc thổi

Đúc thổi là một quá trình gia công nhựa, nhựa nhiệt dẻo được gia nhiệt đến nhiệt

độ định hình (forming temperature), tại điểm nóng chảy, nhựa được tạo hình sơ bộ Sau

đó nhựa được đưa vào khuôn đã được làm lạnh Hai nửa khuôn đóng chặt lại, không khí được thổi vào trong khối nhựa đã được tạo hình sơ bộ Hai nửa khuôn đóng kín nên nhựa

sẽ được tạo hình theo hình dạng bên trong của khuôn kín Làm lạnh và tháo khí ra Sản phẩm được lấy ra khi hai nửa khuôn tách ra

Những năm gần đây, đúc thổi chủ yếu tạo các sản phẩm rỗng (hollow object) Để tạo các sản phẩm rỗng, các loại thùng chứa người ta thường áp dụng các phương pháp: đúc thổi phun (injection blow molding), đúc thổi đùn (extrunsion blow molding), và đúc thổi kéo (strtech blow molding)

Đúc thổi phun chỉ với các sản phẩm chai nhỏ (<500ml) Quá trình không phát sinh nhựa thừa (scrap), có thể điều chỉnh chính xác khối lượng và hoàn thiện sản phẩm ở cổ chai (neck finish) Tuy nhiên khó thao tác với các sản phẩm có tay cầm, chi phí cao

Đúc thổi đùn là phương pháp thông dụng, có thể áp dụng với các loại chai lớn hơn (>250ml) Thùng chứa đến 1040 lit, nặng 120kg Chi phí sản xuất rẻ hơn, có thể tạo ra các sản phẩm có tay cầm, tạo cổ dễ dàng Tuy nhiên phải cắt bỏ nhựa thừa và tái sinh chúng

Đúc thổi kéo dùng để đúc các loại thùng lớn Các phân tử định hướng hai trục (biaxal) nên làm tăng độ cứng, sít chặt, nhẹ

8 Công nghệ tạo xốp chất dẻo

Xốp chất dẻo là kiểu đặc biệt của hệ thống phối hợp khi không khí hoặc một loại khí nào đó được đưa vào trong chất dẻo Xốp chất dẻo có các tính chất là: Mật độ nhỏ, nội ứng suất nhỏ, khả năng cách nhiệt rất tốt, cách điện tốt, gia công dễ dàng, kinh tế Vật liệu thường dùng là polyStyrol và Polyurethan Để tạo xốp chất dẻo, người ta thường

sử dụng chất dẻo lẫn vật liệu cơ bản trong 3 dạng sau:

- Nhựa nhiệt dẻo trong trạng thái nóng chảy

- Bột nhão và các Polyme hạt

- Hai hoặc nhiều vật liệu ở trạng thái lỏng giữa chúng xảy ra phản ứng hoá học

9 Công nghệ gia công hàn chất dẻo

Là quá trình mà miền liên kết chất dẻo được thực hiện nhờ áp lực với việc sử dụng vật liệu hàn hoặc không sử dụng vật liệu hàn Về mặt lý thuyết hầu hết chất dẻo đều

có thể hàn được nhưng trong thực tế, chất dẻo có phân tử lượng lớn thì rất khó hàn Để hàn vật liệu bằng chất dẻo phải đưa vật liệu về trạng thái nóng chảy, trong quá trình hàn cần giữ gìn sao cho mối hàn thu nhận có ứng suất nhỏ

Có thể hàn bằng khí nóng: Hàn bằng dụng cụ đốt nóng, hàn bằng dòng điện cảm ứng, hàn bằng đốt nóng tiếp xúc, hàn bằng dòng điện cao tần…

10 Công nghệ dán chất dẻo

Quá trình dán là quá trình ghép nối các phần của chi tiết chất dẻo, bằng phương pháp này có thể tạo ra các mối ghép nối khó tháo gỡ được Phương pháp thường dùng cho các vật liệu không thể hàn được như thuỷ tinh Acril Khi thực hiện dán cần phải xử

lý sơ bộ bề mặt bằng điện hoá, làm sạch và làm nhám bề mặt, phương pháp dán có thể ghép mối chịu được tải trọng lớn mà các phương pháp khác không làm được

Ngoài các phương pháp trên, ở Việt Nam và trên thế giới hiện nay có nhiều các phương pháp khác gia công chất dẻo một cách năng suất và kinh tế như phương pháp tạo hình chân không, phương pháp dập, cắt gọt

2.1.3 Hệ thống điều khiển máy đúc nhựa

Trong các máy chế tạo sản phẩm nhựa quá trình truyển động của các cơ cấu chấp hành thường là quá trình rời rạc làm việc theo các sự kiện, do đó việc sử dụng PLC để làm thiết bị điều khiển trung tâm của hệ thống là rất phù hợp Ngoài ra hệ thống điều khiển còn phải có khả năng thay đổi các thông số dễ dàng để thích hợp cho quá trình gia

công nhiều sản phẩm khác nhau nên màn hình cảm ứng thường được trạng bị cho hệ thống điều khiển

2.1.4 Giới thiệu một số hình ảnh máy đúc nhựa và sản phẩm nhựa

Các hình 2.5, 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 giới thiệu hình ảnh một số máy ép nhựa, khuôn và sản phẩm nhựa hiện có trên thị trường

Hình 2 5: Máy đúc phun nhựa ngang

Hình 2 6: Hình máy đúc phun nhựa đứng

Hình 2 7: Khuôn ép nhựa dưới

Hình 2 8: Hình khuôn ép nhựa trên

Hình 2 9: Các sản phẩm nhựa

2.2 Khảo sát máy đúc phun

Máy đúc phun gồm các bộ phận chính sau:

Hình 2 10: Cấu tạo chung của máy đúc phun

2.2.1 Hệ thống kẹp khuôn

Hệ thống kẹp có chức năng đóng, mở khuôn, tạo lực kẹp giữ khuôn trong quá trình làm nguội và đẩy sản phẩm thoát khỏi khuôn khi kết thúc một chu kỳ đúc phun [2]

Hình 2 11: Hình hệ thống kẹp khuôn

Hệ thống này bao gồm các bộ phận:

 Cụm đẩy của máy (Machine ejectors): Gồm xy lanh thuỷ lực, tấm đẩy và cần đẩy Chúng có chức năng tạo ra lực đẩy tác động vào tấm đẩy trên khuôn để đẩy sản phẩm rời khỏi khuôn

 Cụm kẹp (Clamp cylinders): Có hai loại chính là loại dùng cơ cấu khuỷu và loại dùng xy lanh thuỷ lực Chức năng chính là cung cấp lực để đóng mở khuôn và lực

để giữ khuôn đóng trong suốt quá trình phun

 Tấm di động (Moveble platen): Là nột tấm thép lớn với bề mặt có nhiều lỗ thông với phần động của khuôn Chính nhờ các lỗ thông này mà cần đẩy có thể tác động lực vào tấm đẩy trên khuôn Ngoài ra, trên tấm di động còn có các lỗ ren để kẹp phần động của khuôn Tấm này di chuyển tới lui dọc theo 4 thanh nối trong quá trình đúc phun

 Tấm cố định (Stationary platen): Cũng là một tấm thép lớn có nhiều lỗ thông với phần cố định của khuôn Ngoài 4 lỗ dẫn hướng và các lỗ có ren để kẹp tấm cố định của khuôn tương tự như tấm di động, tấm cố định còn có thêm lỗ vòng định vị để định

vị phần cố định của khuôn và đảm bảo sự thẳng hàng giữa cần đẩy và cụm phun (vòi phun và bạc cuống phun)

 Thanh nối (Tie bars): Có khả năng co giãn để chống lại áp suất phun khi kẹp tạo lực Ngoài ra chúng còn có tác dụng dẫn hướng cho tấm di động

 Cơ cấu kẹp khuôn:

+ Trước khi phun vật liệu vào khuôn đúc, ta cần đóng kín khít hai nửa khuôn lại với nhau Nhiệm vụ của cơ cấu kẹp khuôn trên mặt đúc phun là dịch chuyển khuôn đúc, tạo ra lực đóng khuôn và giữ khuôn trong quá trình đúc phun cho đến khi mở khuôn Vận tốc đóng và mở khuôn đúc có thể ấn định một cách độc lập với nhau nhằm mục đích giảm thời gian của một chu trình sản xuất

+ Ngoài sự dịch chuyển khuôn ra, cơ cấu đóng mở khuôn cần phải tạo ra một lực đóng khuôn và giữ khuôn với độ lớn nhất định Nhiệm vụ của lực đóng mở khuôn là giữ được khuôn kín khít chống được áp lực tạo ra trong khoang khuôn Nếu áp lực trong khoang khuôn lớn hơn lực đóng, giữ khuôn thì khuôn sẽ bị tách ra làm vật liệu dẻo nóng chảy tràn ra ngoài ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

+ Không yêu cầu lực đóng khuôn cực đại theo khả năng vì nó sẽ ảnh hưởng xấu đến tuổi thọ của máy Nếu khoang khuôn không đặt chính giữa thì cơ cấu đóng mở khuôn và các trụ đỡ sẽ chịu tải trọng về một phía gây ra sự mở khuôn Lực đóng khuôn không yêu cầu >80% khả năng vốn có, xong nó luôn ở mức độ đòi hỏi phải lớn hơn lực

mở khuôn Cần phải chú ý đến độ giãn dài của các trụ đỡ, nó có ảnh hưởng đến quá trình đóng mở khuôn Tải trọng các trụ đỡ cần phải đảm bảo đều, như vậy độ giãn dài phải xác định đúng yếu cầu để tránh hiện tượng đứt trụ đỡ Chuyển động của cụm thiết

bị này là chuyển động tịnh tiến, vậy mọi cơ cấu tạo ra chuyển động này đều được phép

áp dụng Các dạng thường gặp của cụm kẹp khuôn gồm:

Hình 2 12: Khuôn

Cụm khuôn là cụm chi tiết để định hình sản phẩm, nó có kết cấu phức tạp, phụ thuộc vào từng loại sản phẩm khuôn được thiết kế sao cho nó có thể đúc được một hay nhiều sản phẩm do tính chất sản phẩm quyết định, khuôn được làm nguội bằng nước Khi sản xuất sản phẩm với số lượng ít chỉ cần làm khuôn một ổ Để sản xuất các sản phẩm giống nhau, có khối lượng lớn thì sử dụng khuôn nhiều ổ vì cùng một chu kì như nhau khuôn có nhiều ổ thì được nhiều sản phẩm được tạo thành, tuy nhiên chi phí gia công khuôn nhiều ổ lại lớn hơn nhiều chi phí gia công khuôn một ổ Khi sử dụng khuôn nhiều ổ phải đảm bảo các khoang tạo hình của các ổ khuôn phải như nhau và trong lòng chúng phải được hình thành áp lực giống nhau, nếu các điều kiện trên không được thỏa mãn thì cùng một lần đúc sẽ có sản phẩm không giống nhau gây ảnh hưởng xấu đến quá trình sản xuất

Cũng có thể sử dụng khuôn nhiều ổ trong trường hợp các khoang tạo hình của các

ổ có hình dạng và thể tích khác nhau Giải pháp này được sử dụng trong trường hợp sản xuất các chi tiết lắp ghép như hộp, nắp,…Tuy nhiên trong những trường hợp như vậy

độ khác biệt của các chi tiết phải không lớn lắm về hình dạng cũng như thể tích

Các chi tiết của khuôn bao gồm: ti đẩy của máy, tấm kẹp ti đẩy và khoang khuôn Thiết kế khuôn dựa trên hình dạng, kích thước và độ chính xác của sản phẩm cũng như độ co ngót của vật liệu Quá trình thiết kế phải chú ý đến khả năng công nghệ tạo

- Xi lanh nhiệt: Xi lanh nhiệt gia nhiệt cho vật liệu làm cho vật liệu chảy lỏng ra

Nó được nung nóng bởi các dây may xo nhiệt

- Trục vít: Trục vít bao gồm 3 đoạn:

+ Đoạn nhập liệu: Ở gần phễu nhập liệu dùng để chuyển nguyên vật liệu về phía trước, ở cuối vùng này nguyên liệu mềm và bắt đầu chảy (50%L)

+ Vùng nén ép: Ở giữa vít dùng để nén ép nguyên liệu lỏng (25%L)

+ Vùng định lượng: Trộn và tạo sự đồng nhất vật liệu trước khi phun vào lòng khuôn (25%L)

Tỷ lệ chiều dài trục vít (L) trên đường kính trục vít (D): L/D từ 14:1 đến 24:1

- Đầu trục vít: Cụm đầu trục vít có nhiệm vụ cho nhựa chảy về phía trước trục vít trong giai đoạn nhựa hoá và ngăn không cho dòng nhựa chảy ngược lại trong giai đoạn bơm nhựa Làm cho nhựa phun vào khuôn được triệt để hơn

- Đầu phun: là bộ phận gắn giữa đầu xy lanh và cuống phun của khuôn Đầu phun phải có hình dạng thích hợp với sự chảy nguyên liệu và gắn chặt với cuống phun trong quá trình đúc phun Lỗ đầu phun nên nhỏ hơn lỗ cuống phun ở khuôn Đầu phun có thể thay đổi và có vòng nhiệt riêng

- Bán tựu động: khi đóng cửa kẹp khuôn thì máy hoạt động tuần tự các chuyển động: khuôn đóng lại – trục vít quay – phun nhựa – khuôn mở - đẩy sản phẩm - máy dừng Đây là quy trình công nghệ đặt sẵn, chu trình này chỉ được lặp lại khi cửa kẹp khuôn được mở ra (lấy sản phẩm) và đóng lại

- Tự động hoàn toàn: Máy chạy tự động liên tục theo quy trình công nghệ đặt sẵn Tín hiệu cho chu trình công nghệ tiếp theo là sản phẩm rơi ra chạy qua bộ phận cảm nhận (mắt thần)

- Tín hiệu điều khiển (bật/tắt): Bằng điện (tín hiệu điện)

+ Bật/tắt: Chế độ tay

+ Công tắc hành trình cho chế độ tự động hay bán tự động

- Mạch điều khiển: Mạch rơle, điện tử, vi điện tử được cài sẵn chương trình

Hệ thống điều khiển có tác dụng làm cho quá trình vận hành máy ổn định và lặp

đi lặp lại Hệ thống hiển thị và điều khiển các thông số của quá trình đúc phun như: Nhiệt độ, áp suất, tốc độ phun, vị trí và tốc độ quay của trục vít, vị trí của hệ thống thủy lực Quá trình điều khiển ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng cuối cùng của sản phẩm

và tính kinh tế

2.3 Phân tích nguyên lý làm việc của máy đúc nhựa kiểu đúc phun

2.3.1 Đặc điểm

Máy đúc phun nhựa cần điều khiển có sơ đồ nguyên lý như hình 2.15

Hình 2 15: Sơ đồ nguyên lý máy đúc nhựa kiểu ép phun

Một cách đơn giản nhất, công nghệ đúc phun là quá trình làm nóng chảy nhựa, phun nhựa nóng chảy điền đầy lòng khuôn Khi nhựa được làm nguội và đông cứng lại

trong lòng khuôn thì khuôn được mở ra và sản phẩm được đẩy ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đẩy Trong quá trình này không có bất kỳ một phản ứng hoá học nào

2.3.2 Nguyên lý làm việc của máy đúc phun

Qúa trình làm việc của máy đúc phun gồm 3 công đoạn

a Công đoạn nhựa hóa và chuyển hóa vật liệu sử dụng cho gia công đúc phun

Giai đoạn kẹp: Trước khi phun nhựa vào khuôn, hai nửa của khuôn đầu tiên phải được đóng an toàn Mỗi nửa của khuôn được gắn vào máy ép phun và một nửa được cho phép để trượt Xy lanh thủy lực kẹp 2 nửa khuôn lại với nhau và tác động một lực đủ để giữ cho khuôn đóng an toàn trong khi vật liệu được phun Thời gian cần thiết phải đóng cửa và kẹp khuôn phụ thuộc vào chu kì 1 lần ép phun Thời gian này có thể được ước tính từ thời gian chu kỳ khô của sản phẩm

b Công đoạn điền đầy khuôn và điền đầy sản phẩm hay còn gọi là giai đoạn bơm nhựa

Nguyên vật liệu nhựa, thường ở dạng viên, được đưa vào máy ép phun, và tiến về phía khuôn bởi các bộ phân máy Trong suốt giai đoạn này xảy ra 3 quá trình Đầu tiên nhựa nóng chảy được phun vào khuôn rất nhanh do trục vít tiến về phía trước Một khi các lòng khuôn gần như điền đầy (điền đầy khoảng 98% lòng khuôn) thì quá trình định hình sản phẩm diễn ra do lòng khuôn có nhiệt độ thấp hơn Nhựa nóng sẽ nguội dần và xảy ra hiện tượng co rút Do đó, một lượng nhựa nữa (khoảng 5%) sẽ tiếp tục được phun vào để bù trừ vào sự co rút cho đến khi miệng phun bị đặc cứng lại Ta gọi đây là quá trình giữ hay quá trình kẹp Quá trình này giúp ngăn dòng chảy ngược của nhựa qua miệng phun

Giai đoạn làm nguội: Giai đoạn này bắt đầu ngay sau khi quá trình giữ kết thúc Khuôn vẫn được đóng và nhựa nóng trong lòng khuôn được làm nguội cho đến khi đủ độ cứng để có thể đẩy rời khuôn Trong suốt giai đoạn này trục vít vẫn quay và lùi dần lại để chuẩn cho lần phun kế tiếp Thời gian tiêu tốn trong giai đoạn này phụ thuộc vào loại vật liệu nhựa mà ta đúc

c Giai đoạn lấy sản phẩm ra khỏi khuôn

Giai đoạn đẩy: Đây là giai đoạn cuối cùng của một chu kỳ đúc phun Trong giai đoạn này cụm kẹp làm chức năng mở khuôn ra một cách nhanh chóng và an toàn Lúc đầu, cụm kẹp mở khuôn một cách chậm chạp và sau đó nhanh dần cho đến khi cuối

hành trình thì nó chuyển động chậm lại để tránh va đập mạnh Khi khuôn mở ra thì tấm đẩy của khuôn bị cần đẩy của máy đẩy về phía trước để lôi sản phẩm ra khỏi khuôn Một khi sản phẩm rời khỏi khuôn thì cần đẩy sẽ hồi về sẵn sàng cho một chu kỳ đúc phun kế tiếp

Để đảm bảo tính chất và chất lượng sản phẩm, quá trình đúc phun phải được thực hiện theo nguyên lý sau: Vật liệu chất dẻo được cho vào phễu định lượng và cấp liệu đặt trên xy lanh của máy đi vào rãnh vít của trục vít nằm trong xy lanh Do chuyển động quay của trục vít vật liệu được vận chuyển lên phía trước về phía vòi phun, trong suốt quá trình đó vật liệu tiếp nhận nhiệt từ thành xy lanh do các nhân tố cung cấp (hơi nóng điện trở, điện từ…) Nhờ có lượng nhiệt đó cùng với nhiệt lượng hình thành do chuyển động cơ học của vật liệu nóng chảy Vật liệu nóng chảy được trục vít chuyển lên phía trước nhờ áp lực được hình thành trong quá trình quay làm cho nó bị kéo lùi về phía sau Như vậy lượng vật liệu cần thiết để điền đầy khoang tạo hình của khuôn sẽ tập kết ở khoảng trống phía trước trục vít Trong quá trình điền đầy khuôn, trục vít thực hiện chuyển dịch dọc trục về phía trước và đẩy khối vật liệu nóng chảy qua vòi phun vào khuôn Vật liệu được làm nguội trong khuôn trở nên cứng, sau đó khi hai nửa khuôn được tách ra thì sản phẩm tự động thoát ra ngoài

2.3.3 Các thông số của máy

1 Thể Tích Phun

Thông số này coi là thông số dữ liệu Hiện tồn tại các máy đúc phun có thể tích đúc từ 2 † 30.000cm3

Máy đúc phun thường hay sử dụng nhất là loại máy có thể tích 6, 125,250, 500cm3

2 Tốc Độ Phun

Thông số này cần được đảm bảo là tối ưu, sao cho trong quá trình điền đầy khuôn

nó không cứng có nghĩa là vận tốc không được quá nhỏ và đồng thời cũng không quá lớn quá để xảy ra hiện tượng phân hủy vật liệu do ma sát Tốc độ phun có đơn vị (cm3/s)

Việc điều chỉnh tốc độ phun từ giá trị cực đại tới giá trị tối ưu được thực hiện bằng cách thay đổi lưu lượng chất lỏng trong hệ thống thủy lực

3 Áp lực phun

Áp lực phun được ấn định khi máy hoạt động Nó được xác định trong trường hợp

cụ thể tính đến kết cấu khuôn, tính chất của vật liệu và nhiệt độ gia công