Nghiên cứu thiết kế hệ thống điều khiển máy ép nhựa bằng vít tải và chế tạo mô hình

LY DO CHON DE TAI: Hiện nay đất nước ta đang trong thời kì đối mới, thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa cùng với sự phát triển của nghành chế tạo máy, nghành kỹ thuật điện tử là sự phá

BO GIAO DUC VA DAO TAO

DAI HOC DA NANG

NGO LAM VI

NGHIEN CUU THIET KE HE THONG

DIEU KHIEN MAY EP NHUA BANG VIT TAI

VA CHE TAO MO HINH

Chuyên ngành : Công nghệ chế tao máy

Mã số : 60.52.04

TOM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUAT

Da Nang — Năm 2011

Công trình được hoàn thành tại ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS ĐINH MINH DIỆM

Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Văn Yến

Phản biện 2: PGS TS Lê Viết Ngưu

Luận văn sẽ được bảo vệ tại Hội đồng cham Luận văn tốt nghiệp

thạc sĩ kỹ thuật họp tại Đại học Đà Nẵng vào

ngày tháng năm 2011

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin- Học liệu, Đại học Đà Nẵng

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng

3

MO DAU

1 LY DO CHON DE TAI:

Hiện nay đất nước ta đang trong thời kì đối mới, thời kỳ công

nghiệp hóa hiện đại hóa cùng với sự phát triển của nghành chế tạo

máy, nghành kỹ thuật điện tử là sự phát triển của kỹ thuật điều khiển

và tự động hóa Hệ thống điều khiến là một bộ phận không thẻ thiếu

được trong mọi quá trình tự động hóa

Nhu cầu về vật liệu mới: ngày nay chất dẻo, hay còn gọi là nhựa,

là các hợp chất cao phân tử, được dùng làm vật liệu để sản xuất nhiều

loại vật dụng trong đời sống hằng ngày cho đến những sản phẩm

công nghiệp, gắn với đời sống hiện đại của con người

Nhu cầu về điều khiển tự động các máy ép vít tải tăng

Dé đáp ứng việc đào tạo kỹ sư, kỹ thuật viên có đủ trình độ hiểu

biết, khả năng thiết kế vận hành và sửa chửa các máy đúc, dập, ép

trong công nghiệp

Đề tài:

“ NGHIEN CUU THIET KE HE THONG DIEU KHIEN

MAY EP NHUA BANG VIT TAI VA CHE TAO MO HINH ”

2 MUC DICH CUA NGHIEN CUU:

- Nghiên cứu các loại máy ép bằng vít tải

- Nghiên cứu về tự động hóa các thiết bị cơ khí

- Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống điều khiển máy ép nhựa

bằng vít tải dùng trong nghiên cứu, giảng dạy, học tập và sản

xuất thực tế

3 ĐÓI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU :

- Nghiên cứu vật liệu nhựa

- Nghiên cứu về công nghệ khuôn ép, các sản phẩm từ nhựa

- Nghiên cứu các loại máy ép bằng vít tải

+ Phạm vì nghiên cứu:

- Nghiên cứu vật liệu nhựa

- Nghiên cứu máy ép bằng vít tải

4

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:

- Đề tài nghiên cứu lý thuyết về các loại máy ép vít tải

- Tham quan thực tế sản xuất

- Nghiên cứu điều khiển tự động và kết nối máy tính lập trình điều khiển bằng máy tính

- Thiết kế và chế tạo mô hình để kiểm chứng

5 NHUNG DONG GOP MOI VE KHOA HOC:

- Dé tai gdp phan vao su phat trién trong lĩnh vực máy ép bằng

vit tai va qua trình điều khiến tự động

- Thúc đây việc nghiên cứu các thiệt bị tự động trong nhà trường

- Bước đâu tạo ra những mô hình tự động, dùng cho học sinh

thực hành và nghiên cứu khoa học

- Tạo khả năng ứng dụng, kêt nôi giữa modun cơ khí và modun điêu khiên

6 KET QUA ĐẠT ĐƯỢC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG

- Làm mô hình học tập cho sinh viên nhằm kích thích và phát triển khả năng xây dựng các mô hình tự động hóa khác

- Thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị máy ép tự động bằng vít tải

- Có thể điều khiển máy ép thông qua máy vi tính

- Thiết kế chế tạo mô hình

7 CÁU TRÚC CỦA LUẬN VĂN Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn bao gồm 3 chương:

CHUONG 1 TONG QUAN VE CONG NGHE, VAT LIEU VA

MAY EP NHUA CHUONG 2 CO SO LY THUYET DIEU KHIEN TU DONG CHUONG 3 TINH TOAN THIET KE VA CHE TAO CAC BO PHAN CUA MAY EP BANG VIT TAI

CHUONG 1 TONG QUAN VE CONG NGHE, VAT LIEU VA

MAY EP NHUA

1.1 Công nghệ ép nhựa

1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển

Nhựa nhân tạo đầu tiên được phát minh tại Anh vào năm 1861

bởi Alexander Parkes Ông công khai thể hiện tại Triển lãm quốc tế

1862 tại London, kêu gọi các vật liệu sản xuất "Parkesine." Có nguồn

gốc từ cellulose, Parkesine có thể được đun nóng, đúc và giữ lại hình

dạng của nó khi được làm lạnh

1.1.2 Công nghệ ép nhựa

Một cách đơn giản nhất, công nghệ ép nhựa là quá trình phun

nhựa nóng chảy điền đầy chất lỏng vào khuôn Một khi nhựa được

làm nguội và đông cứng lại trong lòng khuôn thì khuôn được mở ra

và sản phẩm được đây ra khỏi khuôn nhờ hệ thống đây

1.2 Phân loại vật liệu nhựa

1.2.1 Phân loại

Trong sản xuất vật liệu nhựa được phân thành hai loại: Nhựa

nhiệt dẻo và nhựa phản ứng nhiệt

Theo trạng thái pha chúng ta có thể chia nhựa nhiệt dẻo thành hai

loại: Nhựa có cấu trúc vô định hình và nhựa có cấu trúc tỉnh thể

Ngoài ra theo phạm vi sử dụng chúng ta có thể chia nhựa nhiệt dẻo

thành: nhựa gia dụng và nhựa kỹ thuật

1.2.2 Một số loại nhựa thông dụng

1.Các loại nhựa gia dụng: PA (poly amide): còn gọi là nylon, có

câu trúc tỉnh thể Nhựa PA dùng để chế tạo các loại bánh răng, ô lăn,

6 truot, dai ốc

2.Các loại nhựa kỹ thuật: ABS (Acrylonytrile — Butadiene -

Styrene): Được tạo ra từ 3 don phan tu: Acrylonytrile, Butadiene,

Styrene Nhựa ABS dùng để chế tạo các chỉ tiết trong xe hơi, nắp của

ngăn chứa, vỏ bánh xe ) tủ lạnh, các thiết bị trong gia đình

1.3 Các yếu tô cơ bản và quy trình công nghệ thiết kế khuôn ép

1.4 Các loại máy tạo hình và máy ép sản phẩm

1.5 Nhu cầu thực tế của máy ép nhựa bằng vít tải

Với các tính chất như: độ dẻo dai, nhẹ, có thể tái chế, không có

những phản ứng hóa học với không khí trong điều kiện bình

thường vật liệu nhưa đã thay thể các loại vật liệu khác như: sắt,

nhôm, gang, đồng thau đang ngày càng cạn kiệt trong tự nhiên Do

đó ta có thể nói răng nhu cầu sủ dụng vật liệu nhựa trong tương lai sẽ còn rất lớn Điều này đưa dến một hệ quả là giá thành khuôn sẽ

không được cho là quá đắc bởi lợi nhuận mà nó mang lại là rất lớn, vì

một khuôn ép mà ta có thể cho ra hàng chục thậm chí hàng trăm ngàn sản phẩm nhờ máy ép nhựa

1.6 Khả năng công nghệ và hiệu quả kinh tế

- Tạo ra những sản phẩm có hình dạng phức tạp tùy ý

- Khả năng tự động hóa và chi tiết có tính tự lặp lại cao

- Sản phẩm sau khi ép phun có màu sắc rất phong phú và độ nhăn bóng bề mặt rất cao nên không cần gia công lại

- Phù hợp cho sản xuất hàng khối và đơn chiếc

1.7 Máy ép nhựa và các thông số gia công 1.7.1 Cấu tạo chung của máy ép nhựa Máy ép nhựa gồm các hệ thống cơ bản như hình vẽ sau :

Hệ thống Hệthống Hệ thống Hệ thống hổ trợ ép phun

Hệ thống điều khiển

Hình 1.5 Máy ép nhựa

7 8

Là hệ thống giúp vận hành máy ép Hệ thống này gồm 4 hệ thống

a) Thân máy

khuôn trong quá trình làm nguội và đây sản phẩm thoát khỏi khuôn - Tự hãm đề giảm va đập không tập trung vào giữ

Tấm sau Chốtnối Tấmdiđộng Tấu cố định Xylanh thủy lực — Pitông đẩy Khuôn 1.7.4.2 Hệ thông điều khiển

Hệ thống điều khiển giúp người vận hành máy theo dõi và điều

tôc và vị trí của trục vít, vị trí của các bộ phận trong hệ thông thủy

lực Hệ thống điều khiến giao tiếp với người vận hành máy qua bảng

Xylanh thủy lực Thanh khuýu = Thanh noi - - z ox 2k ` ` ` z ,

a) Khuôn dong

1.8 Chu kỳ ép phun

1 Giai đoạn kép ( Clamping phase ) : khuôn được đóng lại

2 Giai đoạn phun ( Injection phase ) : nhựa điền đầy vào khuôn b) Khuôn mở b) Khuôn mở 3 Giai đoạn làm nguội ( Cooling phase ) : nhựa được làm đặc lại trong

b) Cụm kìm dùng cơ cấu Xylanh

1.9 Đo và điều khiến nhiệt độ trong quá trình ép

Nhiệt độ của khuôn (gia nhiệt cho khuôn hoặc làm nguội

khuôn) rất quan trọng trong quá trình ép phun Nhiệt độ khuôn có

ảnh hưởng đến :

+ Chu kỳ ép phun

+ Hình dạng và chất lượng sản phẩm

+ Tình thẩm mỹ cảu sản phẩm

+ Độ co rút, độ bên và các khuyết tật trên sản phẩm

Do đó, nhiệt độ của khuôn cần phải được đo đạt và điều chỉnh

Cảm biến Cảm biến độ ẩm

lò xo

hợp lý

4

A— bat Cam bién Cảm biến từ lò xo

Cảm biến độ ẩm

Hình 1.23 Đồng hồ và một số loại cảm biến đo nhiệt cao

1.10 Kết luận chương:

Trong chương này đã trình bày một cách tổng quan về vật liệu

nhựa trong công nghiệp, công nghệ ép nhựa, các yếu tố cơ bản, quá

trình công nghệ thiết kế khuôn ép, một số lỗi thường gặp trong quá

trình ép

CHUONG 2: CO SO LY THUYET DIEU KHIEN TU DONG 2.1 Hé thong diéu khién

2.1.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiển

KHOI VI DIEU

PC

Vv

DIEU KHIEN MAY EP

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch điều khiến

2.1.2 Các thành phân chính của mạch

- Chíp vi điều khiển xử lý trung tâm

- Bộ điều khiển đóng ngắt các thiết bị

- IC MAX232 kết nỗi công COM

- REMOTE diéu khién

- May vi tinh 2.1.3 Cấu trúc họ 8051: Con vì điều khiển

Đặc điểm và chức năng hoạt động của các IC họ MSC-51 hoàn

toàn tương tự nhau IC ATS9C 5T (một IC thuộc họ MSC-51 do hãng

ATMEL sản xuất)

IC 89C51 có các đặc trưng sau:

- 4kb ROM

- 128 byte RAM -_4 port xuất nhập, mỗi port 8 bit

II A/ Sơ đồ mạch điều khiến cụm điều khiến máy ép nhựa

KHOIGIAOTIEPPC-VDK '*®%

RESET

KHOI DIEU KHIEN TRUNG TAM

Hình 2.2 Khối điều khiến trung tâm máy ép nhựa

INT 18V

2200UE 64V

2

INT 18V

2200UF ef Te 33UF 50 104

KHOI NGUON CUNG CAP

Hình 2.3 Mạch nguồn cung cấp

12 2.2 Sơ đồ khối AT 89C51

2.3 Sơ đồ chân AT89C51:

|

—Ã<-]| P1.1 P0.0/ADO [-33—0)

oO = | P1.5 P0.4/AD4 [-š3—I

— | P1.6 PO.5/AD5 FS=—

——| P1.7 PO.6/AD6 S51

AT89C51 PO.7/AD7 a

o—24 pst

EA/vPP Š!t—n

oO ° P3.0/RXD ALE/PROG }22—no

oO 2| P3.1/IXD —— | 2o

O—=— P3.4/To

oO ö | P3.5/T1_—_ 238

oO P3.7/RD P2.6/A14 [sg

18 P2.4/A12 [Sq —O1

———}xTAL2 P2.3/A11 Fʧ3—1

|

Hinh 2.7 So dé chan AT89C51

*Mô tả các chân cia AT89C51:

-AT89C51 c6 tất cả 40 chân, trong số đó có 32 chân có chức năng xuất/ nhập 24 trong 32 chân này là các chân có cộng dụng kép tức

mỗi một đường có thể hoạt động xuất/nhập hoặc hoạt động như một đường điều khiển hoặc hoạt động như một đường địa chỉ/dữ liệu của

bus địa chỉ/dữ liệu đa hợp 2.4 Kết noi may tinh 2.4.1 Truyên thông qua công RS-232:

RS-232 là một chuẩn truyền thông nối tiếp cho phép truyền dữ liệu dưới dạng các bít nôi tiệp giữa hai thiệt bị Qua công RS-232 dữ liệu được truyện và nhận theo”dòng bít” nôi tiệp từ một điêm tới một điêm khác Chuân RS-232 thích hợp với việc truyên dữ liệu trên

khoảng cách 25m, tuy vậy muốn truyền trên khoảng cách xa hơn phải

dùng cáp nôi đặc biệt, được bọc kim và có tôn hao đặc biệt

U14 of 5Y

3 pun SRrouT Hx

x——-]T:0UTS T1N | ———x

\ 1Ôu

4

we —RaN_ RZ0UT

L ‘ a Rr) T20uT T2N

CON3 { Cát

2 9

i pe

CON4

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch kết nói máy tinh

2.4.2 Truyền thông nỗi tiếp với 89C51

2.4.3 Giới thiệu khối điều khiển động lực

Khối động lực được sử dụng các linh kiện có tính chất cách ly

với vi điều khiển nhăm trách sự tác động các mức điện áp lớn ở các

động cơ khi động cơ hoạt động.Tránh sự nhiễu trong quá trình hoạt

động

2.4.4 Truyền thông nỗi tiếp từ máy tính với Visual Basic

2.5 Lập trình cho PIC dùng C COMPILER

2.5.1 Giới Thiệu PIC C Compiler:

PIC C compiler là ngôn ngữ lập trình cấp cao cho PIC được viết trên

nên C chương trình viết trên PIC C tuân thủ theo cấu trúc của ngôn

ngữ lập trình C Trình biên dịch của PIC C compiler sẽ chuyển

chương trình theo chuẩn của C thành dạng chương trình theo mã

Hexa (file.hex) để nạp vào bộ nhớ của PIC

lE” PHẦN MÊM ĐIỀU KHIỂN TƯ ĐỒNG CÔNG COM ĐANG ĐÓNG oust |

MG CONG COM | | NGẮT CÔNG COM |

THOI GIAN CAI DAT (S)

DK DONG CO CAP NHUA DK DONG CO EP NHUA

COMPORT1 9600 11:52:49 10/23/2011

Hinh 2.16 Bang diéu khién

2.9 Kết luận chương:

- Trình bày được cơ sỡ và lý thuyết tự động

- Giới thiệu được các khối điều khiển

- Thiết kế được các vi mạch điều khiển hoạt động của máy ép

15 CHUONG 3 TINH TOAN THIET KE VA CHE TAO CAC BO

PHAN CUA MAY EP BANG VIT TAI

3.1 Tính toán thiết kế vít tải

3.1.1 Phân loại và công dụng

Người ta thường phân loại vít tải theo công dụng và tính chất

công việc; theo dạng vít, theo phương chuyển động, theo sự quay

nhanh hoặc chậm của trục vít

3.1.2 Cau tao vit tai

mH [\

Te nh

b)

Hình 3.3 Câu tạo trục vít:

a-trục vít cánh liền một mối; b- cấu tạo chỗ nói trục;

Trục vít là bộ phận chủ yếu để vận chuyển vật liệu, nó gồm có một

trục quay đặc hoặc rỗng, trên trục được lắp các cánh vít vận chuyền

Gối đỡ trục Trong các vít tải, người ta thường dùng các gối đỡ trục

là trượt Gối đỡ hai đầu trục có cấu tạo và kích thứơc theo tiêu

chuan cua 6 trượt

Quan hệ các kích thước của gối đỡ trung gian (bảng 3.1)

3.1.3 Tính toán vít tải

3.1.3.1 Đôi với vít tải quay chậm

Vít tải quay chậm dùng đê vận chuyên vật liệu theo phương năm

ngang hoặc theo phương nghiêng với góc nghiêng nhỏ, thường là

< 20”

16

Hình 3.4 Sự phân bồ vật liệu khi trục vít tải quay Giá trị giới hạn của góc nâng của trục vít % được xác định từ quan

hệ sau:

sin

f, cosg+tgPB

Trong đó @ , la góc ma sát của vật liệu với cánh vít

Bước của trục vít (hay khoảng cách giữa các cánh vít) sẽ là :

a)_ Xác định năng suất của máy theo công thức sau:

Trong đó F là diện tích tiết điện ngang do vật liệu chiếm ở trong thành máy, bằng

7r.D”

- đối với vật liệu dang hat thi = 0.4

- đối với vật liệu dạng bột thì / = 0,35

K là hệ số chỉ sự giảm tiết điện do góc nghiêng đặt vít tải, chọn gía trị

K theo bảng sau đây:

Góc nghiêng đặt vít tải, độ 0 5 10 15 20

Giá trị hệ số K 1 09 | 0,8 | 0,7 | 0,65

V là vận tôc vận chuyên vật liệu dọc theo trục vít

S.n

= — 60 |[m/ [ m/s] (3-7) 3-7

V

Thay các giá trị của E và v vào công thức tính năng suất, cuối cùng

có:

b) Xác định công suất tiêu hao cho vít tải

Công suất tiêu hao chủ yếu dùng để nâng vật liệu, để thắng ma sát

của vật liệu với thành máy và với cánh vít, và để thắng ma sát ở các

gối đỡ trục vít Xác định nó theo công thức sau:

N=-9_ (LC+H), [kW] (3-9)

367 Trong đó Q là năng suất của máy, tắn/h;

L là chiều dài vận chuyển theo phương ngang, m;

H là chiều cao vận chuyển vật liệu, m;

C là hệ số trở lực của máy, chọn C = 1,8 +2,5

3.1.3.2 Đối với vít tải quay nhanh

Khi trục vít quay thì vật liệu chịu tác dụng của lực ly tâm và phân bố

đều ra thành máy và nó được nâng lên theo một đường xoắn ốc có

góc xoắn là Ø và được xác định như sau :

(3-10)

gó-1t2Ð8), [HE Lf.Ó›,

trong đó Ø; = arctg Í ;

f; là hệ số ma sát của vật liệu với thành máy

A= øRsin(ø + ƒ,)

(3-11)

fry

trong đó R là bán kính ngoài của cánh vit (R = 5 ), m;

Van téc tuyét đối của vật liệu bằng :

Vy

cos g Còn vận tốc quay của vật liệu bằng :

Sô vòng quay tôi thiêu của trục vít được xác định như sau:

"J 2

và năng suât của máy sẽ là :

Zz(Dˆ- d7

P, là lực ly tâm ép vật liệu vào thành máy, N

Zz(D” -d”)Hø D.H

@,la tốc độ góc của vật liệu, l/s

2 Xác định công suât N; như sau :

19

trong đó R là bán kính ngoài của cánh vit, m ;

Ro là bán kính trung bình của cánh vít, m ;

@ là tốc độ góc của trục vit, 1/s

3.2 Tính toán các thông số cơ bản của máy

Chọn các kích thước của trục vít như sau :

Bước ví S=(0,8 + 1,0 )D;

Chiêu sâu rãnh vít ;h=(0,2 + 0,3 )D;

Chiều dày cánh vít e= (0,2 + 0,3)D;

Khe hở giữa xylanh và đầu mút cánh vít :

0 = (0,002 + 0,005)D;

D 1a duong kinh truc vit

Đối với loại trục lớn, rỗng để dẫn nước làm nguội vào thì gọn như

sau :

Chiều sâu rãnh vít h=(0,1 + 0,2)D;

Đường kính lỗ rộng dị = (0,3 + 0,4)D;

Trục vít được chế tạo từ thép tốt chịu nhiệt và chịu mài mòn

3.2.1 Tốc độ phun và thời gian phun

Đề đây vật liệu từ xylanh nung chảy vào khuôn đúc thì phải thực hiện

quá trình phun nhờ sự chuyên động của trục vít trong xylanh

Quan hệ giữa tốc độ phun, thời gian phun với thể tích đúc của máy

được nêu ở bảng dưới đây

20

Thê tích

Thời gian phun,

giây

0.4+0.5 0.4=+1,2 0.6+1,3 0.8+1,5 0.8+1.8 1,2=2,0

phun thê tich.cm3/s

40 40=100 80= 150 300~500 400~ 700

Tôc độ

phun dài,

cm/s

3.2.2 Áp suất ép

Áp suất ép phải đảm bảo cho độ điền đầy khuôn, đảm bảo được thời gian phun và tốc độ phun thích hợp Vật liệu có độ nhớt càng cao thì áp suất ép càng lớn

Quan hệ giữa thể tích ép và áp suất ép cho ở bảng dưới đây :

Thê tích

ép.cm? 8 16 32 64 125 | 250 | 500 | 1000

Ap suat 4500= | 4500= | 5000= | 5000= | 6000= | 6000= | 6000= | 6000= ép.N/cm? | 9000 | 9000 12000 | 12000 | 14000 | 14000 | 18000 | 18000

3.2.3 Năng suất máy

L = 165D

Lạ= 560

Hình 3.12 Vít tải