Thiết kế mô hình điều khiển giám sát cho hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc

LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan luận văn “Thiết kế mô hình điều khiển giám sát cho hệ
thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc” là do em làm. Các số liệu tính toán
là hoàn toàn thực tế.
Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình, em chỉ sử dụng những tài liệu
tham khảo đã đƣợc liệt kê trong phần tài liệu tham khảo của luận văn.

Hải Phòng, ngày 12 tháng 9 năm 2015
Học viên

Đoàn Đức Trọng

i


LỜI CÁM ƠN
Em xin cám ơn thầy giáo TS. Đinh Anh Tuấn, ngƣời đã hƣớng dẫn, chỉ bảo
em để em hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Điện – Điện tử và các thầy cô
trong Viện Đào tạo sau Đại học Trƣờng Đại học Hàng hải Việt Nam đã hƣớng dẫn,
giúp đỡ em để em hoàn thành đƣợc luận văn tốt nghiệp của mình.
Em xin chân thành cảm ơn !
Hải Phòng, ngày 12 tháng 9 năm 2015
Học viên

Đoàn Đức Trọng

ii


MỤC LỤC

Trang
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………

i

LỜI CÁM ƠN……………………………………………………………..

ii

MỤC LỤC……………………………………………………….............

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU……….…………..

v

DANH MỤC CÁC HÌNH…………………………………………………

vi

MỞ ĐẦU………………………………………………………………….

1

CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TÁCH SẢN
PHẨM KHỎI KHUÔN ĐÚC……………………………………………..

3

1.1. Đặt vấn đề…………………………………………………………….

3

1.2. Giới thiệu về hệ thống tự đống tách sản phẩm khỏi khuôn đúc………

4

1.3. Các yêu cầu của dây chuyền tách sản phầm………………………….

4

1.4. Đặc điểm của hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc……...

5

1.4.1. Bài toán tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo……………………….

5

1.4.2. Một số hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn tiêu biểu…….

6

1.5. Khả năng ứng dụng của hệ thống trong sản xuất công nghiệp.............

9

1.6. Đề xuất mô hình thiết kế……………………………………………...

10

1.6.1. Cấu trúc hệ thống…………………………………………………...

10

1.6.2. Nguyên lý hoạt động chung………………………………………

12

CHƢƠNG 2. LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ
THỐNG…………………………………………………………………...

14

2.1. Lựa chọn thiết bị cho mô hình……………………………………….

14

2.1.1. Cơ cấu thủy lực……………………………………………………..

14

2.1.2. Tính toán trang bị điện - điện tử……………………………………

17

2.2. Xây dựng mô hình vật lý……………………………………………..

27

2.3. Nguyên lý hoạt động của mô hình……………………………………

31

iii


CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT…...

36

3.1. Đặt vấn đề……………………………………………………............

36

3.2. Phần mềm điều khiển logic khả trình………………………………..

36

3.2.1. Khái quát chung…………………………………………………….

36

3.2.2. Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC S7-300 của siemen……….

38

3.3. Thuật giải điều khiển và chƣơng trình PLC…………………………..

41

3.3.1. Thuật giải điều khiển……………………………………………….

41

3.3.2. Xây dựng chƣơng trình PLC………………………………………..

44

3.4. Phần mềm giám sát Wincc…………………………………………..

53

3.4.1. Giới thiệu chung…………………………………………………...

53

3.4.2. Chức năng cơ bản của wincc……………………………….............

54

3.4.3. Tạo dự án trong Wincc…………………………………………….

54

3.5. Thiết kế giao diện cho hệ thống……………………………………..

55

3.6. Nhận xét chung về mô hình vật lý……………………………………

66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ…………………………………………….

67

TÀI LIỆU THAM KHẢO………………………………………………...

68

PHỤ LỤC………………………………………………………………...

1/PL

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
Chữ viết tắt

Giải thích

DC1

Động cơ 1

DC2

Động cơ 2

DC2T

Động cơ 2 quay thuận

DC2N

Động cơ 2 quay ngƣợc

DC3

Động cơ số 3

DC4

Động cơ số 4

HT1

Công tắc hành trình 1

HT2

Công tắc hành trình 2

HT3

Công tắc hành trình 3

MV1

Mạch van 1

MV2

Mạch van 2

MV3

Mạch van 3

v


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hình

Tên hình

Trang

1.1

Sơ đồ khối hệ thống gắp tôn

6

1.2

Đề xuất cấu trúc hệ thống tác sản phẩm khỏi khuôn đúc

11

2.1

Máy nén khí sử dụng trong mô hình

17

2.2

Hệ thống băng tải trên mô hình

19

2.3

Bố trí thiết bị bên ngoài cánh tủ điều khiển

24

2.4

Bố trí thiết bị trong cánh tủ điều khiển

25

2.5

2.6

Đèn, nút nhấn, aptomat bên ngoài tủ điều khiển của mô
hình
Bo nguồn Rơ le, cầu chì và đi dây bên trong tủ
điều khiển của mô hình

26

26

2.7

Thiết kế cấu trúc mô hình vật lý

28

2.8

Hệ thống bàn gắp sản phẩm đúc và khuôn đúc trên mô hình

29

2.9

Bố trí thiết bị bên trong cánh tủ điều khiển

29

2.10

Bố trí thiết bị bên ngoài cánh tủ điều khiển

30

2.11

Mô hình hệ thống thực khi chọn chế độ Byhand

30

2.12

Trình tự hoạt động ở chế độ bằng tay của mô hình

34

3.1

Cấu trúc vòng quét chƣơng trình PLC

41

3.2

Lƣu đồ thuật giải điều khiển hệ thống

42

3.3

CPU và các địa chỉ đầu vào ra của PLC sử dụng

44

3.4

Khai báo tên và kiểu dữ liệu cho các biến

45

3.5

Network 1 của chƣơng trình PLC điều khiển

46

3.6

Network 2 và network 3 của chƣơng trình PLC điều khiển

47

3.7

Network 4 của chƣơng trình PLC điều khiển

47

3.8

Network 5 của chƣơng trình PLC điều khiển

48

3.9

Network 6 của chƣơng trình PLC điều khiển

48

3.10

Network 7 của chƣơng trình PLC điều khiển hệ thống

49

vi


3.11

Đấu nối tín hiệu PLC trong mô hình thực

49

3.12

Mạch cấp nguồn cho PLC trong thiết kế

50

3.13

Mạch đấu dây đầu vào PLC

51

3.14

Mạch đấu dây đầu ra PLC

52

3.15

Mô hình hệ thống hoàn chỉnh khi chọn chế độ auto

53

3.16

Khởi động WinCC

55

3.17

Tạo Project

56

3.18.

Đặt tên cho Project vừa tạo

56

3.19

Sau khi tạo Project và đặt tên Project

57

3.20

Cài đặt Driver kết nối PLC

57

3.21

Lựa chọn kết nối với phần mềm PLC S7 - 300

58

3.22

Tạo giao diện WinCC

59

3.23

Các công cụ trên Graphics Designer

60

3.24

Xây dựng giao diện WinCC hệ thống

62

3.25

Khai báo các Tag ghép nối với PLC

63

3.26

Chạy Runtime trên WinCC

65

vii

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Đất nƣớc ta đang trong công cuộc đổi mới, ƣu tiên hàng đầu là việc đẩy
mạnh phát triển các ngành khoa học kỹ thuật. Với mục đích làm tăng năng suất lao
động, tăng hiệu quả kinh tế và giảm sức ngƣời bằng việc nghiên cứu thiết kế ra
những dây chuyền hệ thống từ đơn giản đến phức tạp, từ tự động hoá các công
đoạn đến toàn bộ dây chuyền sản xuất. Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
đã cho ra đời các linh kiện điện tử gọn nhẹ, làm việc ổn định với độ tin cậy cao đã
giúp tạo ra những sản phẩm với chất lƣợng cao, giá thành rẻ. Cùng với đó là sự hỗ
trợ của công nghệ thông tin, các phần mềm điều khiển khả trình, phần mềm giám
sát, các bộ vi xử lý thông minh đƣợc tạo ra và trở thành một công cụ hữu ích để
phục vụ cho các hệ thống tự động hoá. Bên cạnh đó, máy tính cũng đƣợc dùng nhƣ
một thiết bị vạn năng, nó đƣợc lắp đặt trực tiếp trong các phòng điều khiển, trên
các dây chuyền…với nhiều mục đích khác nhau từ đó giúp con ngƣời có thể vận
hành tối ƣu các dây chuyền sản xuất và thu đƣợc hiệu quả cao.
Trong công cuộc toàn cầu hóa sản phẩm, các mặt hàng từ nhỏ đến lớn đƣợc
sản xuất ra không những cần phải đạt tiêu chuẩn về chất lƣợng, độ chính xác cao
mà còn phải đa dạng về chủng loại…Để đáp ứng những yêu cầu trên, rất nhiều các
khu công nghiệp đƣợc hình thành với các trang thiết bị hiện đại. Việc ứng dụng các
hệ thống tự động hóa trong hoạt động sản xuất làm nâng cao chất lƣợng sản phẩm,
hạ giá thành, sử dụng tiết kiệm nguồn nguyên liệu…
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn em đã lựa chọn đề tài “Thiết kế mô hình điều
khiển giám sát cho hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc” để nghiên
cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu, phân tích các yêu cầu công nghệ của hệ thống tự động tách sản
phẩm khỏi khuôn đúc.
- Tính toán, lựa chọn trang bị điện - điện tử cho mô hình hệ thống.

1

- Thiết kế mô hình hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu về các hệ thống tự động, các
dây chuyển sản xuất trong các xí nghiệp công nghiệp từ đó tìm hiểu và áp dụng để
xây dựng một hệ thống điều khiển giám sát cho dây chuyền tự động tách sản phẩm
khỏi khuôn đúc.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tính toán, thiết kế và xây dựng đƣợc mô
hình mô phỏng trên phần mềm chuyên ngành và từ mô hình có thể phát triển để
xây dựng mô hình hệ thống lớn ứng dụng trong công nghiệp, phục vụ cho hoạt
động sản xuất cho các xí nghiệp đúc.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu, phân tích tài liệu, kế thừa các công trình và bài viết liên quan.
- Ứng dụng lý thuyết vào thực tế.
- Phƣơng pháp tính toán và xử lý kết quả nghiên cứu.
- Phƣơng pháp thực nghiệm.
- Phƣơng pháp xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiến
- Đề tài có ý nghĩa khoa và khả năng ứng dụng thực tiễn cao. Khi xây dựng
đƣợc hệ thống giúp con ngƣời giải phóng khỏi các lao động ở môi trƣờng độc hại,
tăng năng suất lao động của các xí nghiệp công nghiệp.
- Để xây dựng đƣợc thành công mô hình cần phải nắm đƣợc những kiến
thức chuyện ngành, sử dụng tốt các phần mềm chuyên ngành để qua đó áp dụng và
đƣa ra đƣợc một hệ thống tối ứu nhất mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sản xuất
phục vụ cho nền sản xuất công nghiệp hóa, hiện đại hóa của đất nƣớc ta.

2

CHƢƠNG 1
KHÁI QUÁT VỀ HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG
TÁCH SẢN PHẨM KHỎI KHUÔN ĐÚC
1.1. Đặt vấn đề
Công nghiệp hóa - hiện đại hóa đang diễn ra trên toàn cầu, vì thế nền kính tế
của các nƣớc trên thế giới phải đồng bộ về tất cả các lĩnh vực: công nghiệp, nông
nghiệp, dịch vụ... Điểm nổi bật của nền kinh tế hiện nay đó là sự phát triển không
ngừng và ngày càng hiện đại của các ngành công nghiệp và đặc biệt là ngành công
nghiệp điện - điện tử. Nó khẳng định vị thế, sức mạnh và khả năng ứng dụng các
thành tự khoa học kĩ thuật vào việc sản xuất các sản phẩm của một quốc gia.
Sản xuất vật chất là ngành công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong nền
kinh tế quốc dân, tạo ra các sản phẩm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con
ngƣời. Nó đòi hỏi các ngành cần phải đổi mới không chỉ về phƣơng thức sản xuất
mà còn phải đổi mới cách thức sản xuất. Với tƣ duy đó, ngƣời ta bắt đầu tính đến
việc giảm bớt số lƣợng công nhân lao động bằng tay trong việc tạo ra sản phẩm,
thay vào đó là các dây chuyền sản xuất và các khâu sản xuất đảm bảo một chức
năng cụ thể. Giống nhƣ các ngành khác, công nghiệp điện - điện tử là một ngành
công nghiệp trẻ, nhạy bén với những tiến bộ của khoa học kỹ thuật và là một trong
những ngành kỹ thuật tiên tiến đƣợc ƣu tiên hàng đầu trên thế giới. Nó không chỉ
cần sử dụng thiết bị hiện đại mà còn cần phải đƣa ra những phƣơng pháp tổ chức,
quản lý sản xuất tiên tiến nhằm tạo ra sản phẩm có chất lƣợng cao, giá thành hạ
thông qua việc sản xuất theo dây chuyền và hàng loạt.
Việc kết hợp linh hoạt giữa ngành điện - điện tử và ngành cơ khí tạo ra bƣớc
tiến mang tính đột phá trong sự phát triển của tự động hóa. Nhờ sự kết hợp mang
tính đột phá đó, số lƣợng các khu công nghiệp lớn, vừa và nhỏ đƣợc xây dựng với
các trang bị các thiết bị, máy móc hiện đại phục vụ sản xuất, kính doanh nhằm tạo
ra sản phẩm chất lƣợng cao đáp ứng nhu cầu của con ngƣời.

3

1.2. Giới thiệu về hệ thống tự đống tách sản phẩm khỏi khuôn đúc
Tổ chức sản xuất theo dây chuyền mang lại hiệu quả nhất đối với những loại
hình sản xuất lặp lại. Mỗi đơn vị đầu ra cần phải có một trình tự các thao tác từ đầu
đến cuối một cách logic, chính xác. Tổ chức sản xuất phải đƣợc bố trí phân theo
cấp nhằm thực nhiện đúng trình tự các bƣớc của công việc đã đƣợc chuyên môn
hóa và tiêu chuẩn và có khả năng sắp xếp quá trình tƣơng ứng với những đòi hỏi về
công nghệ chế biến sản phẩm.
Trong công nghiệp, một số lĩnh vực sản xuất nhƣ đúc, ép, luyện kim, sản xuất
kính …các sản phẩm sau khi gia công phải đƣợc tách khỏi khuôn để chuyển tới các
công đoạn tiếp theo nhƣ kiểm tra, đóng gói hoàn thiệ sản phẩm...Đây là các công
việc độc hại, nguy hiểm cho con ngƣời do phải chịu các tác động có hại nhƣ tiếng
ồn, nhiệt độ, hóa chất cũng nhƣ tiềm ẩn nguy hiểm về tai nạn lao động. Vì vậy nhu
cầu phải có một hệ thống tự động thay thế cho con ngƣời trong công đoạn tách sản
phẩm khỏi khuôn chế tạo là rất cần thiết. Trên hệ thống này, sản phẩm và khuôn
đƣợc băng tải vận chuyển đƣa vào hệ thống, hệ thống sẽ tự động tách sản phẩm và
khuôn sau đó đƣa tới hai băng tải vận chuyển riêng biệt. Sản phẩm sẽ đƣợc đƣa tới
các công đoạn tiếp theo, khuôn sẽ đƣợc đƣa trở lại để tiếp tục chế tạo các loạt sản
phẩm tiếp theo.
Đề tài của luận văn này sẽ giúp độc giả hiểu rõ hơn về cách thức vận hành,
hoạt động của mô hình tách sản phẩm khỏi khuôn đúc, tìm hiểu rõ hơn về các hệ
thống điều khiển tự động, các hệ thống băng chuyền, khả năng ứng dụng các phần
mềm điều khiển giám sát…trong các xí nghiệp công nghiệp hiện nay .
1.3. Các yêu cầu của dây chuyền tách sản phầm
- Bảo đảm an toàn cho con ngƣời.
- Việc vận hành dây chuyền thuận tiện, đơn giản.
- Đảm bảo yêu cầu chung nhất về tự động hóa.
- Đảm bảo yêu cầu về công tác quản lý giám sát và điều khiển các hệ thống
tự động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất, tránh rủi ro, tiết kiệm chi phí, hạn chế
nhân công.

4


- Làm việc tin cậy, ổn định, xác suất hỏng hóc, chi phí sản xuất ở mức tối
thiểu.
- Có khả năng thích ứng cao với những sự thay đổi mang tính quá trình,
nhằm đáp ứng nhu cầu đa dạng hóa sản xuất.
- Đảm bảo các yêu cầu chung về vấn đề môi trƣờng.
1.4. Đặc điểm của hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc
1.4.1. Bài toán tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo
Trong công nghiệp đúc, ép, dập…một trong những nguyên công cơ bản của
qui trình sản xuất là tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo sau khi sản phẩm đã đƣợc
gia công. Thông thƣờng, sản phẩm sẽ đƣợc gia công trong khuôn có hai nửa, sau
khi tách khuôn làm hai phần thì sản phẩm và phần khuôn còn lại sẽ đƣợc tách
riêng. Phần còn lại của khuôn sẽ đƣợc trả về để thực hiện sản xuất loạt sản phẩm
mới còn sản phẩm sẽ đƣợc đƣa tới công đoạn tiếp theo nhƣ gia công, kiểm tra,
đóng gói...
Với sản xuất thủ công, qui mô nhỏ lẻ thì bài toán này thƣờng đƣợc giải
quyết thủ công tức là ngƣời lao động trực tiếp thực hiện việc tách sản phẩm khỏi
khuôn. Việc thực hiện thủ công có năng suất thấp, con ngƣời bị ảnh hƣởng đến sự
an toàn, sức khỏe do các tác động của tiếng ồn, nhiệt độ cao, hóa chất. Mặt khác
việc thực hiện những việc đơn điệu và nhàm chán sẽ gây ra cảm giác ức chế, mệt
mỏi cho những ngƣời làm việc tại vị trí này. Khâu tách sản phẩm ra khỏi khuôn là
khâu trung gian nhƣng có vai trò rất quan trọng trong qui trình sản xuất, giải quyết
tốt đƣợc khâu này sẽ làm tăng năng suất, giải phóng ngƣời lao động khỏi những
phần việc nặng nhọc, độc hại, tiềm ẩn nhiều nguy cơ xảy ra tai nạn lao động.
Do đó, ta đƣa phƣơng án giải bài toán tách sản phẩm khỏi khuôn đúc bằng
một hệ thống tự động có thể giải quyết triệt để đƣợc các vấn đề đã đặt ra ở trên.
Trong sản xuất ngày nay, rất nhiều các lĩnh vực sản xuất đã đƣa hệ thống tự động

này vào sản xuất nhƣ dây chuyền sản xuất tôn, dây chuyền sản xuất kính tấm, sản
xuất chất dẻo...Hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn chế tạo trong công
nghiệp hiện nay đƣợc kết hợp với hệ thống phân loại, kiểm tra góp phần đáng kể

5


vào đảm bảo chất lƣợng sản phẩm, giảm giá thành, nâng cao năng suất và hiệu quả
kinh tế.
1.4.2. Một số hệ thống tự động tách sản phẩm khỏi khuôn tiêu biểu
a. Máy gắp tôn tự động
Hệ thống gắp tôn tự động đƣợc mô tả nhƣ hình 1.1.

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống gắp tôn
Mô tả hệ thống:
- Hệ thống đƣợc xây dựng bởi kết cấu thép dầm cứng vững chịu đƣợc rung
lắc tốt khi hệ thống hoạt động.
- Hệ thống có một xe con di chuyển trái, phải đƣợc tác động bởi động cơ kéo
xích, trong đó tốc độ thay đổi nhờ biến tần.
- Hệ thống có thêm hai cơ cấu nâng, hạ gắp tôn và khuôn đƣợc tác động bởi
hai động cơ nâng, hạ.
- Ngoài ra còn có rất nhiều sensor hành trình, van khí nén, ống dẫn khí…
phục vụ cho hoạt động của hệ thống
Nguyên tắc hoạt động chung của hệ thống:

6


* Chế độ bằng tay:
Trình tự thực hiện:

- Hệ thống đang ở vị trí OFF.
- Chuyển công tắc sang vị trí Manual.
- Bấm nút ON trên tủ điều khiển cho phép hệ thống hoạt động ở chế độ bằng
tay.
- Bấm các nút hành trình.
+ Hành trình chạy trái: Động cơ tác động làm cho xe chạy sang trái, khi xe
đến giới hạn tự động dừng kết thúc hành trình.
+ Hành trình chạy phải: Động cơ tác động làm cho xe chạy sang phải, khi xe
đến giới hạn tự động dừng kết thúc hành trình.
+ Hạ các bàn hút: cho phép bàn hút khuôn và tấm hạ xuống bàn hút khuôn
và tấm chỉ dùng lại khi có nút bấm hoặc dùng lại bởi các cảm biến.
+ Nâng các bàn hút: cho phép bàn hút khuôn và tấm nâng xuống bàn hút
khuôn và tấm chỉ dừng lại khi có nút bấm hoặc dừng lại bởi các cảm biến.
+ Hút khuôn, nhả tấm: tác động để chuyển vị trí van khí sang vị trí hút
khuôn nhả tấm.
+ Hút tấm, nhả khuôn: tá động để chuyển vị trí van khí sang vị trí hút tấm
nhả khuôn.
- Bấm nút OFF hệ thống dùng hoạt động.
* Chế độ bán tự động:
Trình tự thực hiện:
+ Hệ thống đang ở trạng thái OFF.
+ Chuyển công tắc sang chế độ Auto.
+ Bấm nút ON trên tủ điều khiển, xe chạy hành trình khởi động lấy khuôn và
chờ ở hạn vị trái, bàn hút tấm và khuôn ở hạn vị trên. Bàn hút khuôn lúc này có
khuôn bàn hút tấm chƣa hút tấm.
+ Khi có tấm, bấm nút hành trình chạy phải. Khi đó xe sẽ chạy hoàn thành 1
chu kì rồi dừng lại ở vị trí hạn vị phải. Lúc này bàn hút khuôn nhả khuôn, bàn hút

7

tấm hút tấm.
b. Máy gắp kính tấm
Ngày nay, kính đã dần trở thành vật liệu không thể thiếu và chiếm vị trí quan
trọng trong ngành xây dựng bởi những ƣu điểm của nó. Kính đƣợc dùng làm rất
nhiều các vận dụng nhƣ bàn, tủ, cửa, mái che lấy ánh sáng, vật trang trí… Để sử
dụng kính vào đúng mục đích cần phải qua các khâu chế biên, gia công kính nhƣ:
cắt, mài, vát mép,… Bằng việc nghiên cứu và tìm hiểu quy trình sản xuất kính ta
thấy trƣớc khi đƣa kính vào gia công thì khâu đầu tiên là cắt kính đúng kích thƣớc,
sau đó kính tấm đƣợc chuyển tới máy cắt gọt CNC, tiếp tục đƣợc gia công tới khi
thành sản phẩm, cuối cùng kính tấm đƣợc gắp ra khỏi khuôn gá để lên giá theo các
yêu cầu. Tùy theo các mục đích sử dụng, kích thƣớc và chất lƣợng của các tấm
kính là khác nhau.
Qua tìm hiều thực tế ta thấy cấu trúc chung của hệ thống tự động gắp kính
thƣờng có các bộ phận chính:
- Động cơ truyền chuyển động: có thể là động cơ không đồng bộ ba pha
rotor lồng sóc hoặc động cơ bƣớc.
- Hệ thống tay gắp: thƣờng là các tay gắp hút chân không hoặc các tấm dính
với độ dính cao. Tùy theo kích thƣớc và trọng lƣợng của tấm kính mà các tay gắp
là khác nhau.
- Hệ thống vận chuyển kính: sau khi tay gắp gắp sản phẩm kính thì các động
cơ truyền chuyển động di chuyển tay gắp đến những để kính quy định rồi thực hiện
các thao tắc nhả kính hoặc cũng có thể đƣa kính tới các băng tải vận chuyển để đƣa
các tấm kính đến các giá kính.
- Hệ thống các cảm biến phục vụ cho việc ngắt hoặc đóng cho các chu trình
làm việc.
- Hệ thống piston khí nén.
- Hệ thống nút nhấn, đèn báo khi hoạt động bằng tay hoặc tự động.
- Hệ thống các thiết bị bảo vệ…

8


1.5. Khả năng ứng dụng của hệ thống trong sản xuất công nghiệp
Cùng với sự tiến bộ của khoa học, danh mục các sản phẩm do công nghiệp
tạo ra ngày càng nhiều, đòi hỏi chất lƣợng ngày càng cao. Thực hiện đƣợc điều đó,
sản xuất công nghiệp đòi hỏi phải phân ra nhiều ngành, nhiều công đoạn. Sự phân
công này phải có sự phối hợp chặt chẽ với nhau để tạo ra sản phẩm cuối cùng đạt
tiêu chuẩn chất lƣợng. Điều đó phụ thuộc vào việc các nhà sản xuất có biết ứng
dụng tối đa khả năng hoạt động của các dây chuyền trong sản xuất hay không.
Nói đến ngành công nghiệp lớn là nói đến vấn đề ứng dụng hệ thống tự động
hóa băng chuyền. Với việc sử dụng các thiết bị khoa học kỹ thuật hiện đại, các dây
chuyền sản xuất có nhiệm vụ thay thế lao động công nhân trực tiếp sản xuất ra sản
phẩm với mức độ nhanh hơn, chính xác hơn, năng suất cao.
Điều đó càng có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các ngành sản xuất có các
hoạt động trong môi trƣờng độc hại, không an toàn nhƣ công nghiệp đúc. Con ngƣời
từ việc trực tiếp sản xuất tạo ra sản phẩm trong môi trƣờng lao động độc hại chuyển
sang việc điều khiển, giám sát các hoạt động sản xuất trong một môi trƣờng an toàn
nhờ lợi ích của việc tập trung hóa, tự động hóa.
Cùng với việc đổi mới công nghệ sản xuất, các dây chuyền sản xuất đƣợc
xây dựng theo chiến lƣợc phát triển phù hợp với khả năng ứng dụng của nó với
trình độ phát triển của khoa học - kỹ thuật trong tƣơng lai ngày càng nhiều. Một
chứng minh cụ thể nhƣ các dây chuyền tách sản phẩm khỏi khuôn nhƣ trong các
dây chuyển sản xuất công nghiệp đúc, ép, dập khuôn... Ban đầu là nền sản xuất quy
mô nhỏ lẻ với số lƣợng sản phẩm ít, ngƣời lao động phải tách sản phẩm bằng tay,
quan sát và nhận dạng bằng mắt ở ngay tại nơi sản xuất vì thế mà năng suất, chất
lƣợng phụ thuộc nhiều vào tay nghề, kinh nghiệm của ngƣời công nhân. Khi xã hội
phát triển, nhu cầu về số lƣợng, chất lƣợng sản phẩm ngày càng đƣợc chú trọng
buộc các nhà sản xuất phải ứng dụng khoa học kỹ thuật và hệ thống của mình để
nâng cao năng suất, cho ra nhiều dòng sản phẩm với nhiều kích thƣớc, kiểu dáng,

chủng loại đáp ứng nhu cầu của thực tế. Vì thế khả năng ứng dụng khoa học kỹ
thuật trong sản xuất hàng loạt và đặc biệt là trong công nghiệp đúc là rất cần thiết.

9


1.6. Đề xuất mô hình thiết kế
1.6.1. Cấu trúc hệ thống
Cấu trúc chung hệ thống đƣợc mô tả nhƣ hình 1.2.
Trong mô hình tác giả sử dụng các thiết bị chính:
- 04 động cơ điện một chiều; trong đó:
+ Động cơ một chiều DC2 có chức năng truyền chuyển động cho băng tải
chính (băng tải gồm sản phẩm đúc và khuôn đúc).
+ Động cơ một chiều DC1 là động cơ di chuyển bàn máy gắp sản phẩm đúc
và gắp khuôn đúc trên thanh ray cơ khí theo chiều thuận và chiều ngƣợc.
+ Động cơ một chiều DC3 là động cơ quay băng tải vận chuyển sản phẩm
đúc vào kho chứa.
+ Động cơ một chiều DC4 là động cơ quay băng tải vận chuyển khuôn đúc
về kho chứa khuôn đúc.
- Modul điều khiển PLCS7-300 hãng Simen.
- 03 băng tải; các băng tải đƣợc chế tạo từ gỗ, tiện và xẻ rãnh để tra dây rulo
kết nối với các động cơ để truyền chuyển động.
+ 01 băng tải chính - băng tải vận chuyển cả khuôn đúc và sản phẩm đúc.
+ 01 băng tải khuôn đúc - băng tải để vận chuyển khuôn đúc sản phẩm.
+ 01 băng tải sản phẩm - băng tải để vận chuyển sản phẩm đúc.
- 03 van điện từ.
- 01 máy nén khí để đóng mở các các piston.
- 03 công tắc hành trình.
- 12 Relay trung gian 8 chân một chiều.
- 01 Áp tô mát, 01 Cầu chì.

- Nút nhấn và đèn báo.
- Thanh ray và các cấu trúc khung đỡ bằng gang, kẽm.
- Ngoài ra còn một số các thiết bị phụ trợ đi kèm khác.

10


Hình 1.2. Đề xuất cấu trúc hệ thống tác sản phẩm khỏi khuôn đúc
11


1.6.2. Nguyên lý hoạt động chung
- Hệ thống băng tải gồm ba băng tải riêng biệt, một băng tải đƣa khuôn và
sản phẩm đã gia công tới vị trí thao tác, một băng tải đƣa khuôn trở lại khu vực sản
xuất, băng tải còn lại đƣa sản phẩm tới công đoạn tiếp theo. Trong đó băng tải thứ
nhất đƣợc điều khiển sao cho khi có đối tƣợng đến đúng vị trí thì dừng, sau khi
khuôn và sản phẩm đƣợc tách ra và giải phòng khỏi vị trí đã đặt thì băng tiếp tục
hoạt động. Băng tải vận chuyển sản phẩm đúc và băng tải vận chuyển khuôn đúc
hoạt động liên tục.
- Cơ cấu xe con có thể di chuyển đƣợc hai phía sang trái và sang phải, có
nhiệm vụ di chuyển tay gắp tới đúng vị trí cần thiết. Cơ cấu xe con đƣợc dẫn động
bởi cơ cấu trục vít - bánh vít, động cơ kéo trục vít đƣợc điều khiển bằng tay qua
các nút nhấn và bằng chƣơng trình điều khiển PLC tùy theo lựa chọn chế độ của
ngƣời vận hành.
- Hệ thống khung dầm thép đỡ toàn bộ cơ cấu xe con. Hệ thống này bao gồm
một bộ khung hàn bằng thép hộp 60x30 có kích thƣớc 500x400x700 (dài x rộng x
cao), phía trên đƣợc bố trí thành hai khu vực, một khu vực là khoang chứa các van
khí nén, khu vực còn lại đƣợc đặt ray để di chuyển xe con. Toàn bộ khung và hệ
thống đƣợc bố trí trên mặt bàn gỗ có khích thƣớc 1200x500x600.
- Hệ thống tay máy đƣợc lắp đặt trên cơ cấu xe con, bao gồm ba xylanh khí

nén, một xilanh có nhiệm vụ nâng hạ, hai xi lanh còn lại có nhiệm vụ gắp nhả
khuôn và sản phẩm. Ngoài ra trong mô hình hệ thống còn sử dụng các cảm biến và
công tắc hành trình tại các vị trí dừng trái, phải của xe con, các vị trí nâng hạ, gắp
nhả sản phẩm và khuôn, vị trí dừng của băng tải.
- Sản phẩm đúc và khuôn sau khi đƣợc chế tạo xong đƣợc đƣa đến băng tải
chính, băng tải chính đƣợc quay bởi động cơ 2 (DC2). Sau khi sản phẩm và khuôn
đúc trên băng tải chính chuyển động đến cuối thì tác động vào cảm biến hành trình
HT3, khi sản phẩm trong khuôn chạm vào hành trình 3 (HT3) thì băng tải chính
dừng đồng thời lúc đó động cơ 1 (DC1) tác động đẩy thanh ray cơ khí đến trạm
vào cảm biến hành trình 1 (HT1) lúc này thì tay gắp mạch van 2 (MV2) trùng đúng

12


tâm của sản phẩm đúc và khuôn đúc trên băng tải chính. Lúc này mạch van điện từ
MV2 mở khí nen từ máy nén đẩy piston làm cho tay gắp MV2 kẹp vào sản phẩm
đúc. Sau khi đã kẹp vào sản phẩm đúc thì mạch van đóng và đi nên đúng vị trí ban
đầu. Khi đi nên thì cũng là thời điểm động cơ 1 (DC1) hoạt động đầy thanh ray cơ
khí trƣợt trên thanh ray nằm ngang cho tới khi tác động vào tiếp điểm của hành
trình 2 (HT2) thì ngắt điện. Khi trạm vào công tắc hành trình 2 (HT2) thì tay gắp
sản phẩm do mạch van 2 tác động sẽ đi xuống và nhả sản phẩm đúc xuống băng tải
sản phẩm do động cơ 3 (DC3) tác động, cùng lúc này thì tay gắp khuôn đúc trùng
đúng với tâm khuôn đúc trên băng tải chính. Sau khi tay gắp sản phẩm đúc nên thì
cũng là lúc tay gắp khuôn đúc do mạch van 3 (MV3) tác động đi xuống và gắp
khuôn đúc. Sau khi gắp đƣợc khuôn đúc thì mạch van 3 (MV3) tác động kéo piston
đi nên và cũng lúc này động cơ DC1 hoạt động kéo khớp nối cơ khi từ công tắc
hành trình 2 (HT2) về phía công tắc hành trình 1 (HT1); sau khi trạm HT1 thì lúc
này mạch van 3 (MV3) tác động và tay gắp xuống sau đó nhả khuôn nên trên băng
tải khuôn đúc, băng tải vận chuyển khuôn đúc đến vị trí theo quy định. Chu trình
hoạt động lặp đi lặp lại đế khi ngƣời vận hành phát lệnh dừng theo quy định.

- Các bản vẽ bố trí thiết bị, sơ đồ đấu nối mạch động lực, mạch điều khiển
…phục vụ cho tiết kế chế tạo mô hình đƣợc trình bày trong phần phụ lục của luận
văn.

13


CHƢƠNG 2
LỰA CHỌN THIẾT BỊ VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Lựa chọn thiết bị cho mô hình
2.1.1. Cơ cấu thủy lực
a. Piston khí nén
Hệ thống khí nén muốn hoạt động đƣợc cần có nguồn cung cấp khí nén,
nguồn khí nén đƣợc tạo ra bởi các máy nén khí có công suất tùy thuộc vào yêu cầu
thiết kế. Nguồn khí nén đƣợc gọi là đáp ứng đúng yêu cầu là khi nguồn khí nén
đƣợc sản xuất và cung cấp đầy đủ về với một áp suất nhất định thích hợp hệ thống
hoạt động đƣợc. Khí nén từ máy nén khí thông qua các van có thể là van điện từ,
van tiết lƣu… đƣợc đƣa đến các piston để điều khiển đóng, mở một hoặc nhiều cơ
cấu tùy thuộc theo ý tƣởng thiết kế.
Trong mô hình hệ thống, tác giả sử dụng ba piston khí nén, trong đó một
piston có nhiệm vụ nâng và hạ bàn máy, hai piston còn lại có nhiệm vụ gắp và nhả
khuôn và sản phẩm.
Cơ sở để tính chọn piston dựa trên tải trọng đáp ứng và áp suất máy nén
cung cấp. Do chỉ dừng lại ở mức độ mô hình nên trong chế tạo mô hình tác giả lựa
chọn loại piston khí nén có dạng hình tròn; piston nâng hạ bàn có đƣờng kính
20mm; piston gắp nhả sản phẩm và gắp nhả khuôn có đƣờng kính 10mm.
b. Máy nén khí
Các trạm máy nén khí đƣợc sử dụng rộng rãi trong các hoạt động sản xuất
kinh doanh, các dây chuyền tự động hóa, các xí nghiệp công nghiệp lắp ráp, chế
biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở

môi trƣờng độc hại.
Ƣu điểm của máy nén khí:
- Có khả năng truyền đi xa bằng hệ thống đƣờng ống với tổn thất rất nhỏ.
- Tốc độ truyền động cao, linh hoạt.
- Dễ dàng trong việc điều khiển với độ tin cậy và chính xác.

14


- Có nhiều giải pháp và thiết bị để bảo vệ trong trƣờng hợp hệ thống bị quá
tải, quá áp suất thấp.
- Tuổi thọ sử dụng lớn.
- Không yêu cầu cao các đặc tính kỹ thuật của nguồn năng lƣợng cung cấp.
Nhƣợc điểm:
- Công suất truyền động không lớn.
- Dòng khí nén thoát ra môi trƣờng có thể gây tiếng ồn lớn.
- Thời gian tác động chậm so với điện tử.
- Khả năng lập trình không tối ƣu, ta chỉ có thể điều khiển đƣợc các chƣơng
trình đã có sẵn.
Lựa chọn máy nén khí cho mô hình chế tạo:
- Trong mô hình sử dụng hệ thống khí nén để điều khiển các tay gắp thống
qua van điện từ để gắp sản phẩm đúc và gắp khuôn đúc.
- Do đề tài chỉ dừng lại ở việc thiết kế mô hình vì vậy để tính lực cần thiết để
gắp đƣợc sản phẩm đúc và khuôn đúc tác giải đã lựa chọn khối lƣợng cho sản
phẩm đúc và khuôn đúc nhƣ sau:
+ Trọng lƣợng của sản phẩm đúc bằng 0,06kg.
+ Trọng lƣợng của khuôn đúc bằng 0,08kg.
=> Lực tác dụng nên sản phẩm và khuôn đúc đƣợc tính:
F  m.g

(2.1)

Trong đó:
m là trọng lƣợng của vật (kg).
g = 9,8m/s2 là gia tốc trọng trƣờng.
Lúc đó:
+ Lực tác dụng lên sản phẩm đúc là:
Fsp  msp .9,8  0,06.9,8  0,588  N 

+ Lực tác dụng lên khuôn đúc là:
Fkhuon  mkhuon .9,8  0,08.9,8  0,784  N 

15


- Áp suất cần thiết mà máy nén cần thiết để hệ thống nâng đƣợc sản phẩm
đúc và khuôn đúc đƣợc tính theo công thức:
p

N / m 

F
s

2

(2.2)

Trong đó:
F: là lực tác dụng nên vật (N).

s là tiết diện của pisttong (m2).
- Trong mô hình tác giả lựa chọn loại pisttong dạng hình tròn có đƣờng kính
là 50mm; do đó công thức 2.2 đƣợc viết nhƣ sau:
p

F
F

N / m2 
2 
d
s

4

(2.3)

- Thay số vào ta tính đƣợc:
+ Áp suất máy nén cần thiết để cung cấp cho hệ thống thủy lực nâng đƣợc
sản phẩm đúc là:
psp 

Fsp
s



Fsp
2

d

4



0,588
.103  7,5
2
0, 01
3,14.
4

N / m 
2

(2.4)

+ Áp suất máy nén cần thiết để cung cấp cho hệ thống thủy lực nâng đƣợc
sản phẩm đúc là:
pkhuon 

Fkhuon Fkhuon
0, 784


.103  9,98
2
2
d

0, 01
s

3,14.
4
4

N / m 
2

(2.5)

- Để phục vụ chế tạo mô hình tự động tách sản phẩm khỏi khuôn đúc, tác giả
lựa chọn máy nén khí ký hiệu Parmer - Vernon Hills - Illinois 60061 ( máy nén khí
trong phòng thì nghiệm Điện trƣờng Đại học Hải Phòng ). Là loại máy nén kiểu
pisttong và có áp suất nén 11kg/ms2 (= 11N/m2). Khí từ máy nén thông qua các
van điện từ tới piston để điều khiển các bàn máy để gắp, nhả sản phẩm đúc và gắp
khuôn đúc theo yêu cầu của thiết kế.

16


Hình 2.1. Máy nén khí sử dụng trong mô hình
c. Van điện từ điều khiển khí piston khí nén
Trên thị trƣờng có nhiều loại van để điều khiển khí nén hoặc chất lỏng nhƣ:
- Van điều khiển khí nén loại bi (Ball valve).
- Van điều khiển khí nén loại cầu (Globe valve).
- Van điều khiển khí nén an toàn (Safety valve).
- Van điều khiển khí nén loại giảm áp (Pressure valve).
- Van điều khiển khí nén loại điện từ (Solenoid valve).

Do trong mô hình chỉ sử dụng van với yêu cầu điều khiển đƣợc để điều
khiển đóng mở các piston và yêu cầu điều khiển đƣợc nên ta chọn sử dụng van
điện từ.
- Lựa chọn van sử dụng trong mô hình là loại van 2 trạng thái, điện áp hoạt
động là 24VDC, mỗi van điều khiển 1 piston.
2.1.2. Tính toán trang bị điện – điện tử
a. Động cơ truyền động cho băng tải
Trong hoạt động sản xuất kinh doanh hiện nay để truyền truyển động ngƣời
ta thƣờng sử dụng rất nhiều loại động cơ, hai loại thƣờng sử dụng để truyền động
là động cơ một chiều và động cơ xoay chiều.
- Ngày nay nguồn điện xoay chiều một pha, ba pha đƣợc dùng phổ biến
trong các khu công nghiệp, các hộ tiêu thụ điện năng do vậy mà các động cơ xoay
chiều chiếm số lƣợng lớn với nhiều ƣu điểm nổi bật.
17


- Trong sản xuất công nghiệp, động cơ một chiều vẫn đƣợc xem nhƣ là một
loại máy điện đặc biệt quan trọng đƣợc sử dụng nhiều trong các máy móc, thiết bị,
các dây chuyền sản xuất bởi loại máy điện này có rất nhiều ƣu điểm nhƣ: có khả
năng điều chỉnh tốc độ tốt, khả năng mở máy nhanh và đặc biệt là khả năng quá
tải…Chính vì vậy mà động cơ một chiều đƣợc dùng nhiều trong các ngành công
nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ nhƣ cán thép, giao thông vận tải…mà
điều quan trọng là các ngành công nghiệp này đòi hỏi dùng nguồn điện một chiều.
Ngoài những ƣu điểm nổi bật thì động cơ điện một chiều cũng có những
nhƣợc điểm nhất định nhƣ so với máy điện xoay chiều nhƣ: giá thành đắt hơn, cần
có bộ chuyển đổi nguồn điện từ xoay chiều sang một chiều,…những ƣu điểm đó
mang lại ý nghĩa to lớn vì thế mà động cơ điện một chiều vẫn còn có một tầm quan
trọng nhất định trong sản xuất.
Trong mô hình, tác giả đã lựa chọn động cơ một chiều để truyền chuyển
động cho các cơ cấu.

Thông số của 04 động cơ điện một chiều sử dụng trong mô hình:
- Điện áp 24VDC.
- Tốc độ đầu hộp số là 75v/p để truyền động cho hệ thống Rulo băng tải
thông qua hệ thống dây Curoa. Các Rulo đƣợc tiện bằng gỗ đƣờng kính 50mm.
- Công suất động cơ băng tải chính (băng tải vận chuyển cả khuôn và sản
phẩm đúc) là: 20W.
- Công suất của 03 động cơ còn lại là 15W.
=> Tổng công suất trong mạch là:
20 + 15.3 = 65 (W)
b. Băng tải vận chuyển
Ngày nay, băng tải vận chuyển đƣợc dùng rất nhiều trong các dây chuyền tự
động hóa với mục đích chính là vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu. Nó là bộ
phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất. Việc ứng dụng băng tải vào sản xuất
góp phần giải phóng sức lao động, mang lại hiệu quả kinh tế cao. Sản phẩm băng
tải vận chuyển đƣợc sản xuất cần phải đáp ứng đƣợc các yêu cầu cơ bản nhƣ: độ

18