Thiết Kế, Chế Tạo Thiết Bị Tự Động khoan Tâm Chi Tiết Hình Trụ Trơn

- 1 -
MỞ ĐẦU
1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI:
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngày nay trong sản
xuất nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm là rất quan trọng, vì
vậy việc sử dụng các thiết bị tự động trong sản xuất là rất cần thiết.
Việc nghiên cứu chế tạo các hệ thống tự động ở Việt Nam còn đang là
lĩnh vực cần được phát triển. Chính phủ đã và đang có nhiều sự quan tâm
giúp đỡ các nhà khoa học Việt Nam nghiên cứu tiếp cận vấn đề này. Việc
nghiên cứu đã được đặt ra ở các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học,
hiệp hội tự động hoá . . .
Với những yêu cầu phát triển của nền công nghiệp Việt Nam, để có
thể tiến hành thành công sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá, xây dựng
đất nước giàu mạnh chúng ta không thể không áp dụng các hệ thống tự động
trong các lĩnh vực sản xuất nhằm đáp ứng yêu cầu của sự phát triển kinh tế xã
hội. Trên cơ sở kế thừa những thành tựu về khoa học công nghệ, chúng ta cần
đẩy mạnh nghiên cứu các vấn đề về cơ khí hoá và tự động hoá sản xuất, đặc
biệt cần quan tâm việc đào tạo các lĩnh vực kỹ thuật mới trong các trường kỹ
thuật.
Trong lĩnh vực cơ khí. Năng suất,chất lượng và giá thành 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, vì vậy cần tự
động hoá khâu kiểm tra sản phẩm trong quá trình sản xuất. 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. Vì vậy tôi mạnh dạn lựa chọn hướng nghiên cứu
của đề tài là “ Thiết Kế, Chế Tạo Thiết Bị Tự Động khoan Tâm Chi Tiết
Hình Trụ Trơn ”.
- 2 -
2. MỤC ĐÍCH CỦA NGHIÊN CỨU:
Mục đích của đề tài : “ Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động kiểm tra kích

thước chi tiết hình trụ trơn ” dùng trong nghiên cứu và phục vụ giảng dạy học
tập tại khoa Cơ khí, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU:
a/ Nghiên cứu lý thuyết về cơ sở kỹ thuật đo và kiểm tra tự động trong
chế tạo máy.
b/ Xây dựng mô hình, nguyên lý và thiết kế cơ khí các bộ phận của
thiết bị.
c/ Tính toán thiết kế phần điều khiển.
d/ Chế tạo lắp ráp và vận hành.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU:
Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp kết hợp giữa lý
thuyết và thực nghiệm, lập trình điều khiển bằng máy tính.
5. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI VỀ KHOA HỌC:
- Đề tài góp phần vào sự phát triển trong lĩnh vực sản xuất tự động, đặc
biệt là lĩnh vực kiểm tra tự động đối với nước ta hiện nay.
- Thúc đẩy việc nghiên cứu các thiết bị tự động trong nhà trường. Bước
đầu tạo ra những mô hình tự động, dùng cho sinh viên thực hành và nghiên
cứu khoa học.
- Tạo khả năng ứng dụng, kết nối giữa môđun cơ khí và môđun điều
khiển.
- Tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh thiết bị tự động kiểm tra và
phân loại kích thước chi tiết hình trụ trơn thành 3 loại ( phế phẩm, thành
phẩm và sản phẩm không đạt yêu cầu có thể sửa lại được).
6. CHỌN TÊN ĐỀ TÀI:
Với những lý do và mục đích của nghiên cứu tôi chọn tên đề tài:
- 3 -
“ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG KIỂM TRA KÍCH
THƯỚC CHI TIẾT HÌNH TRỤ TRƠN “.
7. CẤU TRÚC LUẬN VĂN:
Luận văn bao gồm 5 chương:

Chương 1 - Tổng quan về các hệ thống tự động phục vụ sản xuất.
Chương 2 - Tự động hóa qúa trình cấp phôi và kiểm tra.
Chương 3 - Một số vấn đề lý thuyết sai số, phương pháp đo kích thước
thẳng và cách chọn phương án đo trong kiểm tra tự động.
Chương 4 - Thiết kế, chế tạo thiết bị tự động kiểm tra kích thước chi
tiết hình trụ trơn.
Chương 5 - Thiết kế môđun điều khiển tự động.
- 4 -
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
PHỤC VỤ SẢN XUẤT
1.1. Qúa trình phát triển và ứng dụng trong thực tế:
Đã từ xa xưa, con người luôn mơ ước về các loại máy có khả năng thay
thế cho mình trong quá trình sản xuất và các công việc thường ngày khác.
Mặc dù tự động hóa các quá trình sản xuất là một đặc trưng của khoa học kỹ
thuật hiện đại của thế kỷ 20, nhưng những cơ cấu tự động, làm việc không
cần có sự trợ giúp của con người đã tồn tại từ trước công nguyên như ở Ai
Cập cổ và Hy Lạp các máy tự động thực hiện các màn múa rối, thời trung cổ
người ta đã dùng các máy tự động cơ khí thực hiện chức năng gác cổng v.v. .
Chiếc máy tự động đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp được chế
tạo vào năm 1765 do một thợ cơ khí có tên Pônzunôp người Nga. Nhờ nó mà
mức nước trong nồi hơi được giữ cố định không phụ thuộc vào lượng tiêu
hao hơi nước. Để đo mức nước trong nồi Pônzunôp dùng một cái phao, khi
mức nước thay đổi phao sẽ tác động lên cửa van, thực hiện điều chỉnh lượng
nước vào nồi. Nguyên tắc điều chỉnh này được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực
khoa học kỹ thuật khác nhau.
Năm 1712 ông Nartôp thợ cơ khí người Nga đã chế tạo được máy tiện
chép hình để tiện các chi tiết định hình. Việc chép hình theo mẫu được thực
hiện tự động, chuyển động dọc của bàn dao do bánh răng - thanh răng thực
hiện. Cho đến năm 1798 ông Henrynandsley người Anh mới thay thế chuyển

động này bằng chuyển động của vitme - đai ốc . Năm 1873 Spender đã chế
tạo máy tiện tự động có ổ cấp phôi và trục phân phối mang các cam đĩa và
cam thùng. Năm 1808 Joseph M.Jacquard đã dùng các lỗ đục trên những tấm
thẻ kim loại mỏng, sắp xếp chúng trên máy dệt theo nhiều cách khác nhau để
- 5 -
điều khiển máy dệt thực hiện tự động các mẫu hàng phức tạp. Sự có mặt hoặc
vắng mặt một lỗ xác định việc một mũi kim có hoạt động hay không. Phương
pháp này là tiền thân của vật mang tin di động. Năm 1834 Babbage đã hoàn
thiện máy tính cơ khí vi sai có khả năng tính toán với độ chính xác tới sáu
con số thập phân ông thực nghiệm với nhiều bản thiết kế nhằm thực hiện ý
tưởng của ông là mở rộng tầm vóc và độ phức hợp của chiếc máy. Từ thời đó
ông đã thiết kế được một chiếc máy không những có thể thực hiện những
phép tính số học, mà còn có thể hoàn thành những chức năng như những máy
tính hiện đại như: lưu trữ, xử lý, nhớ, nhập và xuất dự liệu. Năm 1887
Đ.G.Xtôleoôp đã chế tạo được phần tử cảm quang đầu tiên, một trong những
phần tử hiện đại quan trọng nhất của kỹ thuật tự động hóa.
Các thành tựu đạt được trong lĩnh vực tự động hóa đã cho phép chế tạo
trong những thập kỷ đầu của thế kỷ 20 các loại máy tự động nhiều trục, máy
tổ hợp và các đường dây tự động liên kết cứng và mềm dùng trong sản xuất
hàng loạt lớn và hàng khối. Cũng trong khoảng thời gian này, sự phát triển
mạnh mẽ của điều khiển học, một môn khoa học về các quy luật chung của
các quá trình điều khiển và truyền tin trong các hệ thống có tổ chức đã góp
phần đẩy mạnh sự phát triển và ứng dụng của tự động hóa các quá trình sản
xuất vào công nghiệp. Sự phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại
và công nghệ điều khiển logic khả lập trình dựa trên sự phát triển của tin học
cụ thể là sự phát triển của máy tính.
Trong những năm gần đây các nước có nền công nghiệp phát triển tiến
hành rộng rãi tự động hóa trong sản xuất loạt nhỏ. Điều này phản ánh xu thế
chung của nền kinh tế thế giới từ sản xuất loạt lớn và hàng khối sang sản xuất
loạt nhỏ và hàng khối thay đổi. Nhờ các thành tựu to lớn của công nghệ thông

tin và các lĩnh vực khoa học khác, ngành công nghiệp gia công cơ của thế
giới trong những năm cuối thế kỷ 20 đã có sự thay đổi sâu sắc. Sự xuất hiện
- 6 -
một loạt công nghệ mũi nhọn như kỹ thuật linh hoạt ( Agile engineering), hệ
thống điều hành sản xuất qua màn hình ( Visual Manufacturing System), kỹ
thuật tạo mẫu nhanh ( Rapid Prototyping) và công nghệ Nano đã cho phép
thực hiện tự động hóa hoàn toàn không chỉ trong sản xuất hàng khối mà cả
trong sản xuất loạt nhỏ và đơn chiếc. Chính sự thay đổi nhanh của sản xuất
đã liên kết chặt chẽ công nghệ thông tin với công nghệ chế tạo máy làm xuất
hiện một loạt các thiết bị và hệ thống tự động hóa hoàn toàn mới như các loại
máy điều khiển số, các trung tâm gia công các hệ thống điều khiển theo
chương trình logic PLC , các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS , các hệ thống
sản xuất tích hợp CIM cho phép chuyển đổi nhanh sản phẩm gia công với
thời gian chuẩn bị sản xuất ít nhất, rút ngắn chu kỳ sản xuất sản phẩm, đáp
ứng tốt tính thay đổi nhanh của sản xuất hiện đại.
Trong thế kỷ 21 trên cơ sở liên kết một số công nghệ hiện đại đã khẳng
định nền sản xuất trí tuệ. Để có thể tiếp cận và ứng dụng dạng sản xuất tiến
tiến này, chúng ta phải bắt đầu nghiên cứu, học hỏi và chuẩn bị cơ sở vật chất
theo hướng phát triển sản xuất trí tuệ là cần thiết.
1.2. Hệ thống sản xuất công nghiệp và tự động hóa:
1.2.1. Mục tiêu của tự động hóa sản xuất:
Mục tiêu của một hệ thống tự động hóa sản xuất công nghiệp là mang
lại một giá trị tăng thêm cho nguyên liệu, cho bán thành phẩm hoặc cho một
tổ hợp thành phẩm .... tạo ra những sản phẩm có giá trị cao hơn. Nền sản xuất
công nghiệp được tự động hóa ngày càng nhiều như:
- Tự động hóa những thao tác trước kia hoàn toàn thủ công ví dụ như
lắp ráp, kiểm tra, đo lường v.v ....
- Tự động hóa ở mức cao hơn, đầy đủ hơn các thao tác trước đây đã
được tự động hóa từng phần ít hoặc nhiều như: chuyển máy bán tự động sang
tự động hoàn toàn, chuyển máy tự động cứng sang máy tự động linh hoạt. Sự

- 7 -
chuyển đổi từ sản phẩm này sang sản phẩm khác được thực hiện một cách
nhanh chóng vá thuận lợi không phải thay thế phần cứng của máy.
Có thể nói việc tự động hóa nhằm vào mục tiêu đa dạng sau:
- Tìm kiếm những giá thành sản xuất thấp hơn bằng cách: giảm số
lượng công nhân, giảm tiêu hao vật tư, năng lượng v.v....
- Loại bỏ cho con người những công việc nặng nhọc, nguy hiểm độc
hại và cải thiện điều kiện làm việc.
- Chất lượng sản phẩm tốt hơn bằng cách đưa vào dây chuyền sản xuất
những thao tác mà chỉ có tự động hóa mới thực hiện được trên bình diện công
nghiệp.
- Chất lượng sản phẩm đồng đều hơn, ổn định hơn do loại bỏ yếu tố
con người như: ngẫu nhiên, đãng trí, tình trạng sức khỏe v.v...
- Thực hiện những thao tác mà con người không thể làm được dù bằng
thủ công hay trí óc như: chế tạo hay lắp ráp những bộ phận cực nhỏ, những
thao tác cực nhanh, phối hợp phức tạp các động tác v.v...
1.2.2. Hệ thống sản xuất công nghiệp:
Để một hệ thống sản xuất hoạt động cần phải cung cấp cho nó nguồn
nguyên liệu chính, phôi, bán thành phẩm cùng các nguyên liệu phụ cần thiết.
Đồng thời phải cung cấp nguồn năng lượng ( Điện, khí nén, chất đốt . . .)
cùng với nước sạch, chất bôi trơn v.v... ngoài ra hệ thống sản xuất còn thải ra
các phế liệu, các chất cặn bã, nước bẩn v.v...
Như vậy một hệ thống sản xuất công nghiệp thông thường gồm các bộ
phận sau:
- Bộ phận khai thác, vận hành, phải có mặt thường xuyên bên máy
trong thời gian máy hoạt động và can thiệp nhiều hay ít tùy thuộc vào trình
độ tự động của hệ thống sản xuất như: giám sát các máy tự động, nạp liệu,
- 8 -
phôi, kiểm tra và tháo dỡ sản phẩm đối với các máy bán tự động và tham gia
vào sản xuất đối với các máy không tự động.

- Bộ phận hiệu chỉnh làm những thao tác điều chỉnh để đạt được chất
lượng vận hành theo yêu cầu vào lúc khởi đầu một đợt sản xuất, nhất là lúc
bắt đầu một loạt sản phẩm mới.
- Bộ phận bảo dưỡng định kỳ, sửa chữa cơ khí khi có sự cố hỏng hóc,
bảo dưỡng dự phòng.
1.3. Cấu trúc của hệ thống tự động:
1.3.1. Cấu trúc hệ thống tự động:
Mỗi hệ thống tự động bao gồm hai khối: khối chấp hành và khối điều
khiển
Hình 1-1. Sơ đồ khối mô tả cấu trúc của hệ thống tự động
1. Khối chấp hành: gồm có bộ phận động cơ dẫn động, các bộ phận
làm việc chế biến vật liệu thành sản phẩm hoặc bán sản phẩm. Khối này gồm
có:
- Thiết bị gia công: bàn dao, trục chính, mỏ hàn v.v..
- Thiết bị dẫn động: động cơ điện, xylanh thủy lực v.v...
2. Khối điều khiển: chuẩn bị các lệnh từ các thông tin nhận được và
phát các lệnh đó cho khối chấp hành, rồi lại từ khối này nhận các tín hiệu trở
về để điều phối hiệu chỉnh các hoạt động của nó .
Khối chấp hành khối điều khiển
Đối
thoại
với
người
Dẫn động
Các quy trình
Cảm biến
Tiền dẫn động
Bộ
xử
lý

Truyền tin
Các bộ phận điều khiển khác
Nguồn
Người
- 9 -
Ta có thể mô tả cấu trúc khối của hệ thống tự động như hình 1-1.
1.3.2. Các phần tử cấu thành hệ điều khiển:
1. Hệ thống dẫn động:
Để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các máy tự động ta có thể sử dụng các
loại dẫn động khác nhau. Mỗi loại dẫn động có tiền dẫn động tương ứng, các
tiền dẫn động liên kết với các dẫn động điện là các công tắc, nút bấm, bộ điều
tốc, cùng các thiết bị bảo hiểm cần thiết.
- Dẫn động điện: gồm các loại động cơ điện một chiều và xoay chiều
có vận tốc không đổi hoặc thay đổi được, các van điện điều tiết lưu lượng,
điện trở gia nhiệt, đầu điện từ, mỏ hàn, mỏ cắt v.v.... Trong điều khiển còn
dùng động cơ bước xung điện.
- Dẫn động khí nén: kỹ thuật này dùng nguồn khí nén sẵn có trong các
nhà máy. Các xylanh khí nén được dùng vào nhiều công việc: gá lắp, xiết
chặt, lắp ghép, thay phôi v.v... các van phân phối là các tiền dẫn động tương
ứng. Chúng có thể nhận tín hiệu điều khiển bằng khí nén hoặc điện ( van
điện).
- Dẫn động thủy lực: dùng trong các trường hợp lực lớn hoặc chuyển
động chậm cần phải điều chỉnh chính xác, và chỉ dùng khi dẫn động điện và
khí nén không thỏa mãn yêu cầu. Các tiền dẫn động là các van phân phối
tương ứng hoặc các van điện từ.
2. Các cảm biến:
Để theo dõi chuyển động của các dẫn động hoặc kết quả của các động
tác, các cảm biến cung cấp những tin tức trở về cần thiết cho việc điều khiển
các quá trình. Các cảm biến có thể xác định các vị trí, áp lực, nhiệt độ, ứng
suất, kích thước, lực, vận tốc, gia tốc v.v... trong kỹ thuật tự động hóa, cảm

biến vị trí được sử dụng nhiều nhất so với nhiều chủng loại cảm biến khác.
3. Bộ phận xử lý:
- 10 -
Kỹ thuật xử lý thông tin trong tự động hóa công nghiệp đã đạt được
những tiến bộ nhanh chóng trong những năm gần đây. Từ cách xử lý cứng
nay đã chuyển sang khả năng chương trình hóa. Việc thay thế hoàn toàn hoặc
thay đổi từng phần chương trình điều khiển ( phần mềm) có thể đáp ứng được
các nhu cầu về sản xuất linh hoạt mà không phải thay đổi khó khăn, phức tạp
và tốn kém của các bộ phận phần cứng.
4. Bộ phận đối thoại người - máy:
Cho phép con người can thiệp vào quá trình khai thác, hiệu chỉnh và
duy trì bảo quản máy. Đó là các nút bấm, bàn phím, nút xoay, đèn chỉ thị, tín
hiệu, hộp nhắn tin v.v... thường được lắp ráp trên bảng điều khiển.
- 11 -
CHƯƠNG 2
TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH CẤP PHÔI VÀ KIỂM TRA
2.1. Tự động hóa quá trình cấp phôi:
Cấp, vận chuyển và lưu giữ phôi tự động phải được giải quyết trên cơ
sở của các quá trình gia công cụ thể, chức năng thiết bị và độ chính xác yêu
cầu. Quá trình cấp phôi phải được thực hiện kịp thời, tin cậy. Trong thực tế
gia công, tồn tại nhiều loại phôi khác nhau như: phôi cuộn, phôi thanh, phôi
rời. Theo các số liệu khảo sát thì có đến 70 ÷73 % lượng phôi thuộc nhóm
phôi rời. Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển cơ cấu cấp phôi theo đúng chức
năng và kỹ thuật là góp phần vào thuận lợi cho quá trình tự động hóa. Trong
giới hạn ta đề cập đến quá trình cấp phôi rời.
Các phôi rời được phân loại theo số lượng các đường trục và bề mặt
đối xứng cùng hình dáng hình học và độ lớn của chúng. Các chi tiết có thể
thuộc nhóm tròn xoay, nhóm có bề mặt cong hoặc đa diện. Mỗi nhóm chi tiết
đều có các nguyên tắc hình thành cơ cấu cấp phôi và vận chuyển tự động.
2.1.1. Một số cơ cấu cấp phôi kiểu phễu và máng tải (ổ chứa):

Cơ cấu cấp phôi kiểu phễu và máng tải thường thực hiện định hướng
sơ bộ phôi bên ngoài, sau đó đưa nó vào vùng gia công. Kết cấu tiêu biểu của
một số cơ cấu cấp phôi kiểu phễu và máng tải như hình vẽ 2-1.
Phôi đã được định hướng sơ bộ trong phễu chứa và đưa phôi đến máng
tải nhờ trọng lượng bản thân. Trên máng tải có bộ phận ngăn phôi và nhả
phôi nhằm giữ phôi và nhả phôi theo đúng quá trình làm việc. Để quá trình
cấp phôi và phân loại phôi theo đúng yêu cầu, trên thiết bị có đặt các cảm
biến nhận biết và đếm sản phẩm điều khiển quá trình cấp phôi và phân loai
phôi.
- 12 -
Máng cấp phôi
Bộ phận ngăn phôi
Bộ phận nhả phôi
Cảm biến
Cảm biến
Cơ cấu phân loại phôi
Hình 2-1. Cơ cấu cấp phơi kiểu phễu và máng tải (ổ chứa)
Cơ cấu cấp phơi kiểu ổ chứa dựa trên ngun lý ứng dụng trọng lực.
Phơi phải có trọng lượng u cầu, đủ để tự dịch chuyển trong máng dẫn, các
bề mặt của máng dẫn được gia cơng cẩn thận, và một số kiểu cấp phơi kiểu
này được mơ tả như hình 2-2.
Hình 2-2. Một số cơ cấu cấp phơi kiểu máng tải
- 13 -
Ngoài ra còn có các cơ cấu cấp phôi kiểu phễu ngăn hình 2-3 cho phép
định hướng sơ bộ phôi bên ngoài phễu rồi mới đưa vào ngăn.
Hình 2-3. Cơ cấu cấp phôi kiểu phễu ngăn
Thể tích phễu được tính theo công thức sau: theo [2] ta có
(2-1)
Trong đó:
V

ct
: thể tích của một phôi;
T: thời gian làm việc liên tục của cơ cấu cấp phôi theo
phương pháp cấp một lần cho ban đầu;
v
ct
ph
Kt
TV
V
.
.
=