Báo cáo nghiên cứu khoa học THIẾT kế, CHẾ tạo THIẾT bị tự ĐỘNG KIỂM TRA và PHÂN LOẠI KÍCH THƯỚC CHI TIẾT

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(27).2008

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG
KIỂM TRA VÀ PHÂN LOẠI KÍCH THƯỚC CHI TIẾT
DESIGNING AND MANUFACTURING A DETAILED SIZE
CLASSIFYING AND AUTO-TESTING MACHINE
PHẠM ĐĂNG PHƯỚC
Trường Đại học Phạm Văn Đồng

TRẦN ĐẠI HIẾU
Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế
TÓM TẮT
Hiện nay, việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị tự động kiểm tra kích thước chi tiết là
việc còn mới mẽ trong điều kiện ở nước ta. Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết
kế chế tạo thiết bị tự động kiểm tra kích thước chi tiết hình trụ trơn. Thiết bị được điều
khiển tự động từ việc: cấp phôi, đo và phân loại chi tiết theo kích thước.
ABSTRACT
Nowadays, the research on the manufacture of a detailed- size classifying and autotesting device is new to our country’s conditions. This paper introduces some research
results in designing and manufacturing a device which can automatically check the
detailed sizes of a plain cylinder. It is automatically controlled in feeding, measuring and
classifying details in proportion to sizes.

1. Đặt vấn đề
Trong lĩnh vực cơ khí, chất lượng sản phẩm luôn là yếu tố hàng đầu cần phải
đảm bảo trong quá trình sản xuất. Việc kiểm tra sản phẩm hiện nay thường thực hiện
bằng tay và quan sát bằng mắt nên năng suất thấp, có thể thiếu chính xác vì các yếu tố
chủ quan.
Việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị tự động kiểm tra và phân loại kích thước chi
tiết nhằm tự động hóa khâu kiểm tra là cần thiết.
2. Thiết kế các bộ phận của thiết bị và điều khiển thiết bị đo
Thiết bị được chế tạo để tự động kiểm tra và phân loại kích thức chi tiết hình trụ

trơn, đây là loại sản phẩm đơn giản nhưng thường gặp
2,5
trong ngành chế tạo máy. Các chi tiết kiểm tra có
đường kính  = (19,5  20.5) mm, chiều dài
L=30mm, như hình vẽ 1. Kích thước được kiểm tra là
Ø20
đường kính của chi tiết 20+0,2. Dung sai cho phép
=0,2mm.
Như vậy theo yêu cầu về độ chính xác kích
thước, các chi tiết đưa vào kiểm tra sẽ nằm trong ba
trường hợp sau:
14

30

Hình 1. Chi tiết cần kiểm tra


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(27).2008

1. Đường kính D < 20 : phế phẩm.
2. Đường kính 20  D  20,2 : đạt u cầu.
3. Đường kính D > 20,2 : khơng đạt u cầu nhưng có thể sửa lại được.
Thiết bị kiểm tra tự động có nhiệm vụ kiểm tra và phân loại sản phẩm theo ba
trường hợp trên.
Sơ đồ ngun lý của mơ hình thiết bị tự động kiểm tra kích thước và phân loại
kích thước chi tiết như hình vẽ 2.
Máng chứa phôi
Ổ chứa
Phế phẩm

Ổ chứa
Thành phẩm

Cửa phân loại

Cửa phân loại

Máng phân loại

Ổ chứa
Sản phẩm không
đạt yêu cầu

Cơ cấu đo

Cơ cấu đóa quay

Hình 2: Sơ đồ ngun lý của thiết bị kiểm tra
Chi tiết cần đo đặt trong máng cấp phơi, máng cấp phơi cung cấp chi tiết đến đĩa
quay và đĩa quay có nhiệm vụ đưa chi tiết đến vị trí cần đo, cụm cơ cấu đo hoạt động và
xác định kích thước đo . Sau khi kiểm tra đường kính của chi tiết, thiết bị tự động phân
loại kích thước của chi tiết theo 3 nhóm: nhóm phế phẩm, thành phẩm và nhóm có kích
thước khơng đạt u cầu.
2.1 Thiết kế các bộ phận Cơ khí
Thiết bị bao gồm: Máng cấp phơi (cơ cấu cấp phơi), cơ cấu đĩa quay, cơ cấu đo,
máng phân loại và ổ chứa sản phẩm sau khi phân loại.
Dựa trên hình dáng và kích thước của chi tiết cần đo ta chọn kết cấu cụm cơ cấu
quay.
Cụm cơ cấu đĩa quay : gồm các chi tiết chính sau:

15


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(27).2008

- Đĩa quay: có đường kính  = 250 mm, đường kính lỗ lắp với trục quay  = 10
mm, chiều dày đĩa B = 15 mm và trên đĩa xẻ 3 rãnh rộng 21 mm cách đều nhau là 1200.
Đĩa quay có chức năng dẫn chi tiết đến vị trí đo và máng phân loại.
- Đĩa cố định có  = 250 mm, chiều dày đĩa B = 8 mm, trên đĩa xẻ một rãnh có
bề rộng 21mm. Đĩa cố định làm mặt chuẩn cho phương pháp đo một tiếp điểm
- Hộp giảm tốc bánh vít trục vít có tỷ số truyền i = 1 : 46, động cơ điện một
chiều gắn trên hộp giảm tốc có điện áp sử dụng U = 6 (V)
- Ngoài ra, để tiếp tục giảm tốc độ đĩa quay theo đúng yêu cầu ta dùng cặp bánh
răng ăn khớp ngoài có tỷ số truyền i = 2 : 3
Cơ cấu đo : Trong thực tế, nếu tính về kinh tế các cơ cấu đo có giá thành tương
đối cao, kết cấu khá phức tạp và có nhiều
tính năng trong kỹ thuật. Việc kết nối các
cơ cấu đo có giá thành cao và sử dụng
không hết tính năng kỹ thuật của nó sẽ làm
thiết bị đo của chúng ta lãng phí về kinh tế
và kỹ thuật. Để thuận lợi cho việc lựa chọn,
chế tạo thiết bị đo đúng với yêu cầu là phân
loại kích thước chi tiết thành ba nhóm sản
phẩm: phế phẩm, thành phẩm và sản phẩm
không đạt yêu cầu ta dùng đồng hồ so.
Đồng hồ so có giá thành thấp, được sử
dụng rộng rãi trong ngành cơ khí chính xác
nên thích hợp cho học sinh và sinh viên
ứng dụng.
Đồng hồ đo chuyển vị có hệ số

khuyếch đại k = 100. Có nghĩa một đơn vị
đo thực tế sau khi dùng đồng hồ đo chuyển
vị thì giá trị sau khi khuếch đại tăng lên
Hình 3 Đồng hồ đo chi tiết
100 lần so với thực tế. Dựa vào đặc tính
có gắn cảm biến quang
của đồng hồ đo chuyển vị mỗi vạch của
đồng hồ tương ứng với lượng dịch chuyển là 0,01 mm nên ta đặt hai cảm biến quang tại
hai vị trí ứng với dung sai là  = 0,2 mm. Như vậy, cảm biến thứ nhất đặt tại vị trí 0 thì
cảm biến thứ 2 đặt tại ví trí vạch thứ 20 như hình 3.
Như vậy, hai cảm biến quang đã chia mặt đồng hồ so thành ba khoảng đúng với
yêu cầu phân loại kích thước chi tiết thành ba loại sản phẩm có kích khác nhau. Để gá
đặt cơ cấu đo lên thiết bị và xác định kích thước của chi tiết thành ba loại sản phẩm có
kích thước khác nhau ta lấy các chi tiết mẫu đặt đúng giá trị kích thước tại hai giới hạn
mà cảm biến quang lấy tín hiệu đưa về bộ điều khiển để phát lệnh điều khiển cơ cấu
chấp hành. Sau khi đặt đúng giá trị kích thước ta có nguyên lý hoạt động của cơ cấu đo
như sau:
Nguyên lý hoạt động: Từ máng cấp phôi chi tiết được đĩa quay đưa đến cơ cấu
16


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(27).2008

đo để xác định kích
thước, khi chi tiết đến cơ
cấu đo mà kim của đồng
hồ so không dịch chuyển
hoặc kim đồng hồ so có
dịch
chuyển

nhưng
không vượt qua được
cảm biến quang thứ nhất,
thì cơ cấu đo sẽ nhận tín
hiệu đưa về bộ vi xử lý
xác định kích thước đó là
phế phẩm, trong trường
Hình 4. Kết cấu và kích thước máng cấp phôi
hợp nếu kim đồng hồ so
vượt qua cảm biến thứ nhất nhưng không vượt qua cảm biến thứ hai thì kích thước đó
được xác định là thành phẩm, còn nếu kim đồng hồ so vượt qua cả cảm biến thứ nhất và
cả cảm biến thứ hai thì tín hiệu lấy từ hai cảm biến quang đưa đến bộ vi xử lý xác định
kích thước không đạt yêu cầu nhưng có thể sửa lại được.
Máng cấp phôi : Dùng cơ cấu cấp phôi kiểu ổ chứa, kết cấu và kích thước máng
cấp phôi như hình 4. Mỗi lần chỉ được phép cấp được một phôi nhất định.
Máng phân loại phôi : Dựa vào trọng lượng và kích thước bản thân của chi tiết
cần phân loại, máng phân loại được thiết kế với hình dáng và kích thước như hình 5.
Nguyên lý hoạt động như sau: Trên
máng có 3 đường dẫn hướng được ngăn
cách bởi 2 cửa phân loại, cửa phân loại
hoạt động nhờ sự tác động của cuộn hút (
nam châm điện). Sau khi cơ cấu đo xác
định được kích thước chi tiết cơ cấu đĩa
quay đưa chi tiết đến máng phân loại, Nếu
chi tiết có kích thước đúng hai cuộn hút
(nam châm điện) sẽ không hoạt động, nhờ
vào trọng lượng bản thân chi tiết rơi tự do
và lăn xuống ổ chứa phôi theo đường dẫn
Hình 5. Hình dáng và kích thước máng phân
hướng đã định sẵn. Nếu trong trường hợp

loại
kích thước chi tiết không đạt yêu cầu thì một trong hai cuộn hút (nam châm điện) sẽ
hoạt động để đóng mở các cửa phân loại và dẫn hướng phôi lăn xuống ổ chứa phôi theo
đường dẫn hướng đã định sẵn.
2.2 Thiết kế môđun điều khiển tự động
Các đặc điểm và yêu cầu điều khiển:
Thiết bị tự động kiểm tra và phân loại kích thước sản phẩm hoạt động dựa trên
các nguyên tắc sau :Sản phẩm từ máng cấp phôi được cấp vào đĩa quay nhờ cơ cấu cấp
phôi điều khiển bằng cuộn hút (nam châm điện), phôi đi qua cảm biến quang nhận có
17


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(27).2008

sản phẩm đặt trên máng cấp
phôi, chi tiết tiếp tục được
đưa đến vị trí đo.
Sau khi đo các cảm
biến phát tín hiệu điều khiển
đóng mở các cửa của máng
phân loại thông qua các cuộn
hút nam châm điện và đưa
sản phẩm đến ổ chứa phôi
đúng yêu cầu.
Ta có sơ đồ khối điều
khiển các tín hiệu điện vào, ra
của thiết bị đo và phân loại
kích thước sản phẩm như
hình 6.
Sơ đồ thuật toán:

Chương trình điều
khiển thiết bị tự động kiểm
tra kích thước chi tiết được viết
sau :

Cảm biến
nhận biết
sản phẩm

Cảm biến
giới hạn
dưới

KHỐI
ĐIỀU KHIỂN
TÍN HIỆU VÀO
MẠCH ĐIỀU KHIỂN
TÍN HIỆU RA

CƠ CẤU

CƠ CẤU
Động cơ
PHÂN LOẠI
điện 1 chiều
Hình 6. Sơ đồ khối điều khiển

CẤP PHÔI

bằng ngôn ngữ Assembly trên cơ sở sơ đồ thuật toán

Hình 7 Sơ đồ thuật toán
18

Cảm biến
giới hạn
trên


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(27).2008

L1: tương ứng với cảm biến quang thứ nhất trên đồng hồ so
L2: tương ứng với cảm biến quang thứ hai trên đồng hồ so
R1= 0 Cửa phân loại thứ nhất đóng, R1=1 cửa phân loại thứ nhất mở
R2= 0 Cửa phân loại thứ hai đóng, R2= 0 cửa phân loại thứ hai mở
3. Kết quả và thảo luận
Thiết bị tự động kiểm tra và phân loại kích thước chi tiết hình trụ trơn sau khi
thiết kế và chế tạo, đạt được các yêu cầu sau:
- Thiết bị có khả năng tự động kiểm tra và phân loại kích thước chi tiết thành ba
nhóm sản phẩm như ý đồ đề ra.
- Kết nối các môđun cơ khí: cấp phôi, kiểm tra, phân loại và môđun điều khiển.
Chương trình điều khiển thiết bị viết bằng ngôn ngữ Assembly.
Tuy nhiên thiết bị còn hạn chế là chưa thể kết nối giữa thiết bị đo và máy vi tính
để quản lý số liệu đo một cách cụ thể hơn và điều khiển thiết bị đo bằng máy tính.
4. KẾT LUẬN
Việc thiết kế chế tạo thành công mô hình thiết bị tự động kiểm tra và phân loại
kích thước chi tiết hình trụ trơn góp phần tạo ra những mô hình học tập và nghiên cứu
cho các học sinh tại các trường dạy nghề cũng như các sinh viên theo học tại các trường
đại học kỹ thuật. Đặc biệt mô hình thiết bị có thể dùng làm mô hình học tập cho học
sinh, sinh viên các ngành như: Cơ khí, Điện tử, Điện, Tin học; hay nói cách khác mô

hình thiết kế là một dạng sản phẩm của ngành cơ điện tử.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Trần Văn Địch, Trần Xuân Việt, Nguyễn Trọng Doanh, Lưu Văn Nhang (2001),
Tự động hoá quá trình sản xuất, Nxb Khoa học và kỹ thuật
[2] Lê Hoài Quốc, Chung Tấn Lâm (2003), PLC trong điều khiển các quá trình công
nghiệp - Bộ điều khiển khả lập trình PLC, Nxb Đại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ
Chí Minh
[3] Nguyễn Hồng Thái, Phần tử tự động trong Hệ thống Điện, Nxb Khoa học kỹ thuật
[4] Nguyễn Tiến Thọ, Nguyễn Thị Xuân Bảy, Nguyễn Thị Cẩm Tú, Kỹ thuật đo lường
và kiểm tra trong chế tạo cơ khí, Nxb Khoa học và kỹ thuật
[5] Trần Doãn Tiến (1999), Tự động điều khiển các quá trình công nghệ, Nxb Giáo
dục.

19