Tính toán thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống cấp phôi bằng rung động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA H NI
---------------------------------------

PHM TH THIU THOA

ti:
Tính toán, thiết kế và chế tạo MÔ HìNH
hệ thống cấp phôi bằng rung động

Chuyờn ngành: CƠ ĐIỆN TỬ
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. GS. TS. TRẦN VĂN ĐỊCH

HÀ NỘI 04/2013

1


LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin chân thành cảm ơn GS.TS Trần Văn Địch đã hướng dẫn và giúp đỡ
tận tình từ định hướng đề tài, đến quá trình làm, chế tạo mơ hình và hồn chỉnh luận
văn.
Tác giả bày tỏ lịng biết ơn các thầy cơ trong bộ mơn Cơng nghệ chế tạo máy,
viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Xin cám ơn Ban lãnh đạo Viện đào
tạo Sau đại học và Viện Cơ khí trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện
thuận lợi để tác giả hoàn thành bản luận văn này. Tác giả cũng xin cảm ơn Ban
Giám đốc và toàn thể các anh chị Công Ty TNHH COSMOS đã giúp đỡ tìm hiểu và
phân tích sản phẩm cấp phơi tự động đang ứng dụng trực tiếp sản xuất của công ty.
Tác giả cũng chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo trường ĐHCN Hà Nội, Ban chủ
nhiệm khoa Cơ khí, các thầy cô trong khoa và các nhà khoa học đã tạo điều kiện

giúp đỡ tác giả thực hiện đề tài.
Do năng lực bản thân cịn hạn chế nên luận văn khơng tránh khỏi thiếu sót, tác
giả rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy, Cơ giáo, các nhà khoa
học và các bạn đồng nghiệp.

Tác giả

Phạm Thị Thiều Thoa

6


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan các tính tốn kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và
chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác. Q trình tính
tốn thiết kế hệ thống có sử dụng một số tài liệu tham khảo của một số tác giả và
các tài liệu nghiên cứu khoa học liên quan.

Tác giả

PHẠM THỊ THIỀU THOA

5


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. 5
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... 6
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ........................................................................ 7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU,CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................... 7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ .............................................................. 8
MỞ ĐẦU ............................................................................................................. 11
1.Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 11
2. Lịch sử nghiên cứu ..................................................................................... 11
3. Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu ........................... 12
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn ............................ 12
5. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 12
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HỐ Q TRÌNH SẢN XUẤT14
1.1 Tình hình ngành cơ khí Việt Nam và triển vọng trong tương lai. ....... 14
1.2. Tự động hoá trong quá trình sản xuất .................................................. 16
1.2.1. Định nghĩa tự động hố .................................................................... 16
1.2.2. Các hình thức tự động hố................................................................. 17
1.2.3. Sự phát triển của tự động hoá ........................................................... 18
1.2.4. Sự cần thiết phải có tự động hố ....................................................... 19
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG ................................... 21
2.1.Khái niệm về các hệ thống điều khiển tự động. .................................... 21
2.2. Phân loại các hệ thống điều khiển tự động. .......................................... 22
2.2. 1. Hệ thống điều khiển chương trình khơng theo số. ........................... 22
2.2.2 Hệ thống điều khiển số ....................................................................... 24
2.2.3 Hệ điều khiển DNC (Direct numerical control). ............................... 26
2.2.4 Điều khiển thích nghi (Adaptive control) .......................................... 26
2.3 Thiết bị điều khiển tự động ..................................................................... 28
CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG ....................................... 32
3.1 Các thành phần chủ yếu của hệ thống cấp phôi tự động ..................... 32

2


3.2 Phân loại hệ thống cấp phôi tự động ...................................................... 33
3.3. Ý nghĩa của cấp phôi tự động ................................................................ 36

3.4. Hệ thống cấp phôi tự động ..................................................................... 36
3.5 Phễu chứa phôi ......................................................................................... 38
3.6 Máng chuyển phôi.................................................................................... 44
3.7 Cơ cấu định hướng phôi .......................................................................... 45
3.8 Cơ cấu dẫn phôi ....................................................................................... 49
3.9 Cơ cấu giảm chấn..................................................................................... 50
3.10. Nam châm điện ..................................................................................... 51
CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CƠ CẤU CẤP PHƠI RUNG ĐỘNG 56
4.1.Cân bằng năng suất của cơ cấu cấp phôi rung động và của máy ....... 56
4.2 Xác định thông số hình học phễu ........................................................... 56
4.3. Xác định cánh xoắn ................................................................................ 57
4.4.Tính nam châm điện ................................................................................ 59
4.5. Cơ cấu rung điện từ và các sơ đồ cấp điện ........................................... 61
4.5.1 Cơ cấu rung điện từ ............................................................................ 61
4.5.2 Cơ cấu mạch điện từ ........................................................................... 63
4.6 Thiết kế mạch đếm sản phẩm ................................................................. 64
4.6.1 Mục đích yêu cầu ............................................................................... 64
4.6.2 Giới thiệu linh kiện ............................................................................. 65
4.6.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động ................................................................. 72
CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG CÁP PHÔI RUNG ĐỘNG77
5.1 Ứng dụng phần mềm CAD thiết kế. .......................................................... 77
5.2 Một số chi tiết chính trong hệ thống cấp phơi .......................................... 78
5.2. Quy trình cơng nghệ chế tạo chi tiết đế lị xo ........................................... 81
5.2.1 Phân tích tính công nghệ trong kết cấu chi tiết ................................. 81
5.2.2 Xác định phương pháp chế tạo phôi và bản vẽ lồng phôi .................. 82

3


5.2.3 Thiết kế quy trình cơng nghệ gia cơng chi tiết ................................... 83

5.3 Quy trình lắp ráp hệ thống cấp phôi rung động .................................. 91
KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ............. 95
1 Kết luận chung ............................................................................................ 95
2. Hướng phát triển của đề tài ...................................................................... 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 96

4


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT

Bảng

Nội dung

Trang

1

Các loại nam châm điện và các đặc tính của chúng

54

2

Bảng trạng thái hoạt động

67

3

Bảng hoạt động của các chân reset

69

4

Bảng sự thật

71

5

Bảng liệt kê chi tiết

79

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU,CÁC CHỮ VIẾT TẮT
STT Ký hiệu

Ý nghĩa

1

PLC

Programmable logic control

2

CIM

Computer integrated manufacturing

3

FMS

Flexible manufacturing systems

4

NC

Number control

5

CNC

Computer number control

7


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ
STT

Hình

Nội dung

Trang

1

2.1

Cấu trúc điều khiển hành trình

22

2

2.2

Hệ thống điều khiển bằng cam

23

6

2.3

Cấu trúc hệ điều điều khiển CNC

25

7

2.4

Hệ thống DNC

26

8

2.5

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển thích nghi

27

9

2.6

Cấu trúc chung của hệ thống điều khiển tự động

28

10

3.1

Sơ đồ tổng quát của hệ thống cấp phôi

32

11

3.2

Cấu tạo hệ thống cấp phôi cuộn

33

12

3.3

Hệ thống cấp phôi dùng chấu kẹp đàn hồi

34

13

3.4

Hệ thống cấp phôi cho máy tiện định hình

35

14

3.5

Hệ thống cấp phơi cho máy tiện dọc

35

15

3.6

Hệ thống cấp phôi rời cho máy khoan

37

16

3.7

Hệ thống cấp phôi rời cho máy khoan

38

17

3.8

Phân tích động học của phơi

39

18

3.9

Sơ đồ chuyển dời trên mặt phăng nằm ngang

41

19

3.10

Phễu cấp phôi tự động

43

20

3.11

Sơ đồ kết cấu phễu cấp phôi rung động

43

21

3.12

Các máy đuợc sử dụng để vận chuyển phôi

44

22

3.13

Sơ đồ nguyên lý định huớng phơi

46

23

3.14

Định huớng phơi băng bằng vấu móc

46

24

3.15

Định huớng phơi bằng rãnh

47

25

3.16

Định huớng phơi bằng lỗ định hình hoặc túi

47

26

3.17

Định huớng phôi băng ống

47

27

3.18

Phuơng pháp loại bỏ phôi sai huớng

48

28

3.19

Phuơng pháp sửa phôi sai huớng

48

29

3.20

Một số cơ cấu dẫn phôi

49

30

3.21

Một số cơ cấu chuyển huớng phôi

50

31

3.22

Sơ đồ động lực học để tính cơ cấu giảm chấn

51

8


32

3.23

Sơ đồ nguyên lý của nam châm đầu tiên

52

33

3.24

Phân bố đuờng sức từ trong cuộn dây solenoid

52

34

4.1

Một số kết cấu định huớng phôi trên cánh xoắn

58

35

4.2

Cơ cấu rung điện từ một nhịp

62

36

4.3

Đồ thị lực kéo của nam châm điện khi cấp dịng điện 62

hính sin cho cuộn dây

37

4.4

Cơ cấu rung điện từ hai nhịp

63

38

4.5

Kết cấu mạch từ

64

39

4.6

Led 7 đoạn

65

40

4.7

Sơ đồ chân và cấu trúc LM555

66

41

4.8

Cấu trúc ICLM555

68

42

4.9

Sơ đồ chân cấu trúc IC7490

68

43

4.10

IC giải mã 7447

70

44

4.11

Sơ đồ khối led 7 đoạn

71

45

4.12

Sơ đồ khối mạch đếm

72

46

4.13

Sơ đồ cấu trúc mạch

73

47

4.14

Sơ đồ cấu trúc mạch phát

73

48

4.15

Sơ đồ cấu trúc mạch phát

74

49

4.16

Sơ đồ cấu trúc khơi đếm,hiển thị

75

50

5.1

Mơ hình hệ thống cấp phơi rung động

77

51

5.2

Chi tiết đế lò xo

78

52

5.3

Đế chống rung

79

53

5.4

Lá thép lò xo

79

54

5.5

Đế nắp nam châm

80

55

5.6

Tấm gắn phễu

80

56

5.7

Bản vẽ lồng phôi

82

57

5.8

Nguyên công1

83

58

5.9

Nguyên công 2

84

59

5.10

Nguyên công 3

85

60

5.11

Nguyên công 4

86

9


61

5.12

Nguyên công 5

87

62

5.13

Kiểm tra độ song song

88

63

5.14

Kiểm tra độ vuông góc

89

64

5.15

Cấu trúc hệ thống cấp phơi

91

65

5.16

Sơ đồ lắp đặt

91

66

5.17

Bản vẽ lắp 2D

92

67

5.18

Bản vẽ phân rã

93

10


MỞ ĐẦU
1.Lý do chọn đề tài
Ngành công nghiệp thế giới đã trải qua nhiều cuộc cách mạng trong quá khứ,
những cuộc cách mạng về cơng nghệ làm thay đổi tồn diện về kỹ thuật và cơng
nghệ. Tự động hóa là một cuộc cách mạng vĩ đại, vì mục đích của nó là giải phóng
con người ra khỏi những lao động bằng cơ bắp. Do đó, có thể thấy con người mong
đợi sự xuất hiện của hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh.Vấn đề đặt ra đối với các hệ
thống máy móc thiết bị bán tự động trở thành tự động hóa hồn tồn, đặc biệt trong
gia cơng, vấn đề nghiên cứu và chế tạo các hệ thống cấp phôi tự động rất được quan
tâm, đầu tư để các dây chuyền sản xuất tự động công nghệ cao, các dây chuyền gia
cơng tích hợp CIM được áp dụng rộng rãi.
Hiện nay, ở Việt Nam và ở các nước trên thế giới tự động hóa q trình sản
xuất đang được quan tâm đúng mực nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản
phẩm. Một trong những khâu của quá trình tự động hóa là cấp phơi cho các hệ

thống máy gia cơng. Việc cấp phơi cho các máy thống gia cơng có nhiều phương
pháp, mỗi phương pháp có ưu, nhược điểm khác nhau. Cấp phôi rung động là một
trong những phương pháp cấp phôi tiên tiến. Tuy nhiên, hiện nay phương pháp cấp
phơi này vẫn chưa được hồn thiện triệt để. Để góp phần phát triển hệ thống cấp
phơi rung động tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu:
“Tính tốn, thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống cấp phơi bằng rung động”
2. Lịch sử nghiên cứu
Đã từ xa xưa, con người ln mơ ước về các loại máy có khả năng thay thế
cho mình trong các quá trình sản xuất và các cơng việc thường nhật khác. Vì thế,
mặc dù tự động hóa các q trình sản xuất là một lĩnh vực đặc trưng của khoa học
kỹ thuật hiện đại của thế kỷ 20, nhưng những thông tin về các cơ cấu tự động, làm
việc khơng cần có sự trợ giúp của con người đã tồn tại từ trước công ngun. Và rất
nhiều sản phẩm và cơng trình nghiên cứu về tự động hóa trong sản xuất.
Năm 1873 Spender đã chế tạo được máy tiện tự động có ổ cấp phôi và trục phân
phối mang các cam đĩa và cam thùng.
Năm 1880 nhiều hãng trên thế giới như Pittler Ludnig Lowe( Đức), RSK(Anh) đã
chế tạo được máy tiện rơvônve dùng phôi thép thanh.
11


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 hố
hồn tồn mới như các loại máy điều khiển số, các trung tâm gia công, các hệ thống
điều khiển theo chương trình logic PLC (Programmable logic control), các hệ thống
sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing systems), các hệ thống sản xuất
tích hợp CIM (Computer Integrated Manufacturing) 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. Hệ thống cấp phôi tự
động là một trong hệ thống không thể thiếu được trong hệ thống gia cơng tự động
hóa hồn tồn.

3. Mục đích nghiên cứu, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu tính tốn, thiết kế và chế tạo mơ hình cấp phơi tự
động bằng rung động. Trọng tâm của đề tài khảo sát, nghiên cứu lý thuyết và tính
tốn hệ thơng cấp phơi tự động bằng rung động. Sau đó áp dụng tính tốn, thiết kế
chế tạo mơ hình cụ thể để áp dụng cấp phôi cho máy khoan tự động.
Đưa ra một phương pháp phân tích, tính tốn, thiết kế hệ thống cấp phơi
bằng rung động cho chi tiết hình dạng đơn giản. Trên cơ sở đó, đưa ra giải pháp và
tư vấn cho các máy móc thiết bị cần tự động hóa hồn tồn trong gia cơng.
4. Các luận điểm cơ bản và đóng góp mới của luận văn
- Đánh giá được tính hiệu quả về thời gian, năng suất, tính ổn định và tính chính
xác trong gia cơng.
- Kết quả nghiên cứu của đề tài là cơ sở cho các hướng nghiên cứu mở rộng, nâng
cao trong các mơ hình sản xuất cụ thể muốn tự động hóa hồn tồn. Từ bài tốn này
có thể nghiên cứu với nhiều các hình dạng phơi, chi tiết có hình dạng khác nhau cần
áp dụng tự động hóa hồn tồn.
- Các kết quả nghiên cứu của đề tài có thể sử dụng trong giảng dạy, thực hành và
nghiên cứu của sinh viên trong các môn học tự động hóa q trình sản xuất, hệ
thống sản xuất linh hoạt FMS&CIM.
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu tài liệu, các thiết bị và sản phẩm ứng dụng liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ thống cấp phôi tự động bằng rung động.

12


- Trên cơ sở lý thuyết và các sản phẩm ứng dụng tính tốn, thiết kế và chế tạo mơ
hình cấp phôi tự động bằng rung động điện từ.
- Tiến hành lập quy trình cơng nghệ và chế tạo hệ thống cấp phôi tự động bằng rung
động điện từ ứng dụng trong hệ thống cấp phôi cho máy gia công khoan tự động
với hình dạng phơi trụ đơn giản. Qua đó, thiết kế và chế tạo hệ thống quản lý số

lượng sản phẩm trên hệ thống cấp phôi.

13


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HỐ Q TRÌNH SẢN
XUẤT
Trước khi đi tìm hiểu về vấn đề chính trong chương này là khái niệm về tự
động hóa và sự phát triển của nó trong giai đoạn mới, ta xem sơ lược về tình hình
ngành cơ khí của nước nhà và sự phát triển của nó trong tương lai để thấy rõ sự
cần thiết phải có tự động hố như thế nào? Việc áp dụng tự động hoá cho các nhà
máy, xí nghiệp trong việc lắp ráp các chi tiết với nhau là cần thiết hay khơng ? Có
được cái nhìn chung như thế, ta mới nắm vững, hiểu rõ và phát huy hết tác dụng
của nó và áp dụng một cách linh hoạt và phù hợp với nền sản xuất nước nhà, từng
bước cải tiến kỹ thuật, nâng cao chất lượng sản phẩm.
1.1 Tình hình ngành cơ khí Việt Nam và triển vọng trong tương lai.
Những nét cơ bản về sự hình thành:
Bắt đầu từ năm 1956 có định hướng ở miền Bắc:
Nhà máy cơ khí trung, qui mơ Hà Nội: Chế tạo máy cơng cụ.
Nhà máy cơ khí Cẩm Phả: Phục vụ khu mỏ Hòn Gai.
Nhà máy cơ khí xe lửa Gia Lâm.
Nhà máy ơ tơ Trần Hưng Đạo, Hồ Bình, Diesel Sơng Cơng: Phục vụ giao
thơng vận tải và sức kéo cho nông lâm nghiệp.
Các nhà máy đóng tàu Bạch Đằng, Phà Rừng.
Các nhà máy cơ khí quốc phịng và ngành.
Một loạt các nhà máy qui mơ 500 triệu/năm sản phẩm cơ khí phục vụ cơng
nghiệp địa phương và chiến đấu tại chỗ.
• Nhân lực:
Thợ bậc cao, từ bậc 6 trở lên: khoảng 7 ngàn nhưng tuổi bình qn trên 40
có hạn chế.

Đáng kể có 10 ngàn từ kỹ sư trở lên: Nhưng chưa phát huy tốt tiềm năng.
Tổng tài sản cố định toàn ngành khoảng 300 triệu USD là hết sức nhỏ bé.
• Đặc điểm chung:
- Tiếp nhận từ một ngành cơ khí non yếu chỉ làm dịch vụ sửa chữa và sản xuất
một số phụ tùng đơn giản.

14


- Từ sau năm 1975 chưa có một nhà máy cơ khí nào được đầu tư thiết bị – cơng
nghệ đồng bộ với một hướng sản xuất rõ rệt ban đầu.
- Vốn đầu tư thấp, thiết bị đầu tư lẻ tẻ nhưng lại cố tạo ra một khả năng khép kín
cơng nghệ nên lại càng non yếu về năng lực sản xuất về trình độ cơng nghệ.
Một vài năm gần đây một số xí nghiệp đã cố đổi mới cơng nghệ - thiết bị nhưng
rất chật vật trên nền cũ của mình
• Năng lực sản xuất
- Máy động lực và phụ tùng nông ngư nghiệp
- Phụ tùng đơn giản cho làm đất
- Thiết bị chế biến nông lâm sản, thực vật
- Lắp ráp ơ tơ xe máy
- Đóng xà lang và tàu nhỏ ven biển
- Thiết bị điện: động cơ, máy biến thế
- Cơ khí tiêu dùng: xe đạp, quạt điện, phụ tùng xe gắn máy …
- Giá trị tổng sản lượng 1996, là 200 tỷ đồng
- Năng suất lao động trung bình 40triệu /người /năm
• Qui mơ và nhân lực:
- Nhỏ, chủ yếu là sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ
- Tổng tài sản cố định: trên 70 tỷ rất bé.
- Tổng số công nhân sản xuất trên 3000. Trong đó có hơn 13000 cơng nhân bậc
4 trở lên.

- Trên 400 cán bộ kỹ thuật có trình độ kỹ sư trở lên, nhưng ít có cơ hội được
đào tạo lại thường xuyên theo sự phát triển của khoa học – cơng nghệ.
• Về khoa học và cơng nghệ :
Trong bối cảnh chung của cả nước: lạc hậu khoảng 50 năm
- Đặc biệt yếu về các công nghệ vật liệu và tạo phơi.
- Đáng chú ý là một số xí nghiệp quốc doanh và tư doanh đầu tư nhập công
nghệ thiết bị hiện đại trong khuôn mẫu. Tỷ trọng thiết bị tiên tiến chỉ khoảng
15%.
- Vẫn cịn thời kỳ cơ khí hố.
• Tổng qt:

15


- Mặc dù hết sức năng động, tự vươn lên nhưng vẫn yếu kém về năng lực sản
xuất cả về qui mơ và chất lượng sản phẩm.
- Cịn khá xa trước nhiệm vụ trang thiết bị lại một phần cơ bản cho các ngành
kinh tế.
- Còn phân tán, tự phát thiếu đồng bộ và cần có qui hoạch chiến lược tập trung
đầu tư đi vào những trọng điểm. Có cơ cấu sản phẩm định hướng hợp lý cho
một trung tâm cơng nghiệp phía nam.
- Tuy đội ngũ nhân lực khá và năng động nhưng còn thiếu khả năng đào tạo
tiếp cận một cách khoa học cơng nghệ tiên tiến.
• Thành tựu khoa học – công nghệ tiên tiến của thế giới trong lĩnh vực cơ khí:
Nhu cầu về một hình thái sản xuất linh hoạt: Đặc điểm nhu cầu thời đại:
- Đa dạng về mẫu mã, chủng loại. Luôn thay đổi thị hiếu.
- “ Tuổi thọ “ của sản phẩm ngắn, có loại chỉ xuất hiện vài tháng là mất hết
thị trường. Nhà sản xuất đứng trước những biến động khó lường.
• Định hướng về khoa học – cơng nghệ:
Trên cơ sở công nghệ tin học tạo ra một nền “ sản xuất linh hoạt” đáp ứng

sự biến động khôn lường của nhu cầu và khả năng cạnh tranh nhờ đổi mới sản
phẩm.
Hiệu quả đặc trưng quan trọng nhất của công nghệ tin học là năng lực giúp
cho những ý tưởng của con người – dù có đa dạng và biến động cách mấy – trở
thành hiện thật một cách nhanh chóng nhất, ít tốn cơng sức nhất.
1.2. Tự động hố trong q trình sản xuất
1.2.1. Định nghĩa tự động hố
Tự động hóa là dùng năng lượng phi sinh vật (cơ, điện, điện tử …) để thực hiện
một phần hay tồn bộ q trình cơng nghệ mà ít nhiều khơng cần sự can thiệp của
con người.
Tự động hoá là một quá trình liên quan tới việc áp dụng các hệ thống cơ khí, điện
tử, máy tính để hoạt động, điều khiển sản xuất. Cơng nghệ này bao gồm:
• Những cơng cụ máy móc tự động.
• Máy móc lắp ráp tự động.
• Người Máy cơng nghiệp.
16


• Hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động.
• Điều khiển có hồi tiếp và điều khiển q trình bằng máy tính.
• Hệ thống máy tính cho việc thảo kế hoạch, thu nhập dữ liệu và ra quyết định để
hỗ trợ các hoạt động sản xuất.
1.2.2. Các hình thức tự động hố
- Tự động hố cứng: Là một hệ thống trong đó một chuỗi các hoạt động (xử lý
hay lắp ráp) cố định trên một cấu hình thiết bị. Các nguyên công trong dây chuyền
này thường đơn giản. Chính sự hợp nhất và phối hợp các nguyên công như vậy
vào một thiết bị làm cho hệ thống trở nên phức tạp. Những đặc trưng chính của tự
động hố cứng là:
• Đầu tư ban đầu cao cho những thiết bị thiết kế theo đơn đặt hàng.
• Năng suất máy cao.

• Tương đối khơng linh hoạt trong việc thích nghi với các thay đổi sản phẩm.
- Tự động hoá lập trình:
Thiết bị sản xuất được thiết kế với khả năng có thể thay đổi trình tự các ngun
cơng để thích ứng với những cấu hình sản phẩm khác nhau. Chuỗi các hoạt động
có thể điều khiển bởi một chương trình, tức là một tập lệnh được mã hố để hệ
thống có thể đọc và diễn dịch chúng. Những chương trình mới có thể được chuẩn
bị và nhập vào thiết bị để tạo ra sản phẩm mới. Một vài đặc trưng của tự động hố
lập trình là:
+ Đầu tư cao cho những thiết bị có mục đích tổng qt.
+ Năng suất tương đối thấp so với tự động hoá cứng.
+ Sự linh hoạt khi có sự thay đổi trong cấu hình sản phẩm.
+ Thích hợp nhất là cho sản xuất hàng loạt.
Tự động hoá linh hoạt là sự mở rộng của tự động hố lập trình được. Khái niệm
của tự động hoá linh hoạt đã được phát triển trong khoảng 25 đến 30 năm vừa
qua. Và những nguyên lý vẫn cịn đang phát triển.
- Tự động hố linh hoạt:
Là hệ thống tự động hố có khả năng sản xuất rất nhiều sản phẩm (hay bộ phận)
khác nhau mà hầu như không mất thời gian cho việc chuyển đổi từ sản phẩm này
sang sản phẩm khác. Không mất thời gian cho sản xuất cho việc lập trình lại và

17


thay thế các cài đặt vật lý (công cụ đồ gá, máy móc). Hậu quả là hệ thống có thể
lên kế hoạch kết hợp sản xuất nhiều loại sản xuất khác nhau thay vì theo từng loại
riêng biệt. Đặc trưng của tự động hố linh hoạt có thể tóm tắt như sau:
+ Đầu tư cao cho thiết bị.
+ Sản xuất liên tục những sản phẩm hỗn hợp khác nhau.
+ Tốc độ sản xuất trung bình.
+ Tính linh hoạt khi sản phẩm thay đổi thiết kế.

1.2.3. Sự phát triển của tự động hố
Tự động hố theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là: “ Tự chuyển động “. Ở đây
chúng ta hiểu thuật ngữ tự động hố là thực hiện q trình sản xuất mà trong đó
tất cả các tác động cần thiết để thực hiện nó, kể cả việc điều khiển q trình được
tiến hành khơng có sự tham gia của con người.
Hiện nay tự động hoá được áp dụng rộng rãi trong nhiều ngành kinh tế quốc
dân, vì thế mà người ta gọi thế kỷ 20 này là thế kỹ của tự hoá và điều khiển tự
động. Nhưng nếu rà theo lịch sử phát triển thì chúng ta thấy nó có nguồn góc từ
thời cổ xưa.
• Vào thế kỹ thứ nhất sau công nguyên. Heron ở Ai Cập đã làm những màn múa
rối với nhiều loại con rối tự động.
• Đến thế kỹ 17-18 nhiều loại đồ chơi tự động và đồng hồ tự động đã xuất hiện.
• Sau đó đến thế kỷ 18 đầu thế kỷ 19 trong giai đoạn cách mạng cơng nghiệp ở
châu âu tự động hố mới xâm nhập vào thực tế sản xuất.
• Năm 1765 xuất hiện bộ điều chỉnh tự động mức nước trong nồi hơi của
Pondunóp
• Năm 784 bộ điều chỉnh tốc độ trong nồi hơi của Johnốt đã xuất hiện.
• Giai đoạn phát triển này của tự động hố đã đóng vai trò quan trọng trong khoa
học kỹ thuật, thúc đẩy việc tự động hố q trình sản xuất trong chế tạo máy.
Trong quá trình lao động con người đã bắt đầu cải tiến công cụ thô sơ thành
những máy đơn giản chẳng hạn máy tiện gỗ đặc trưng. Dần dần người ta tiến hành
cơ khí hố, thay lực đặc trưng bằng động cơ, thay tay người cầm dao tiện bằng
bàn dao chạy theo sống trượt của máy. Tiếp tục bổ sung các bộ phận cơ khí hố

18


khác, thêm và cải tiến dần các cơ cấu điều khiển, càng ngày máy càng thay đổi và
càng tiến bộ và trở thành máy bán tự động, rồi tự động.
• Năm 1712 thợ cơ khí người Nga NARTOP đã thiết kế máy tiện chép hình để

tiện các chi tiết định hình. Việc chép hình theo mẫu được tiến hành tự động,
chuyển động dọc của bàn dao là do bánh răng – thanh răng thực hiện. Và đến
năm 1798 Henry Nandsley ở nước Anh mới dùng vít – Đai óc để dịch bàn máy.
• Năm 1873 Spender đã chế tạo máy tiện tự động có ổ cấp phơi và trục phân phối
với cam đĩa và cam thùng.
• Đến năm 1880 thì nhiều hãng trên thế giới như: Pittler, ludwig, lowe(đức), RSA(
Anh ) … Đã chế tạo máy tiện tự động Rơvonve dùng phơi thép thanh. Sau đó xuất
hiện máy tiện tự động tiên dọc định hình.
• Vào đầu thế kỉ 20 bắt đầu có máy tự động nhiều trục chính, máy tự động tổ hợp
và đường dây tự động.
Ngày nay nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã có nhiều đường dây tự động
phân xưởng tự động và cả nhà máy tự động gia công các sản phẩm hàng loạt lớn,
hàng khối như vòng bi, pittong, chốt ắc …
Sau khi đã tìm hiểu nó một cách kỹ lưỡng kết hợp để thiết kế sản phẩm cho
rắp ráp đó cũng là vấn đề cũng quan trọng vì trước khi thiết kế một dây chuyền
sản xuất nào đó người thiết kế phải nắm rõ sản phẩm và các thuộc tính của nó, ưu
điểm như thế nào, kết cấu ra làm sao để việc tự động hố sản phẩm được dễ
dàng. Do đó ta đi xem xét vấn đề thiết kế sản phẩm cho rắp ráp tự động.
1.2.4. Sự cần thiết phải có tự động hoá
- Nâng cao năng suất:
Tự động hoá các quá trình hoạt động sản xuất hứa hẹn việc tăng năng suất
lao động. Điều này có nghĩa tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn ( đầu ra
trên giờ) so với hoạt động bằng tay tương ứng.
- Chi phí nhân công cao:
Xu hướng trong xã hội công nghiệp của thế giới là chi phí cho cơng nhân
khơng ngừng tăng lên. Kết quả là đầu tư cao lên trong các thiết bị tự động hoá đã
trở nên kinh tế hơn để có thể thay đổi chân tay. Chi phí cao của lao động đang ép
các nhà lãnh đạo doanh nghiệp thay thế con người bằng máy móc. Bởi vì máy

19

móc có thể sản xuất ở mức cao, việc sử dụng tự động hố đã làm cho chi phí trên
một đơn vị sản phẩm thấp hơn.
- Sự thiếu lao động:
Trong nhiều quốc gia phát triển, có sự thiếu hụt lớn lực lượng lao động. Chẳng
hạn như Tây Đức đã bị ép buộc phải nhập khẩu lao động để làm tăng nguồn cung
cấp lao động của mình.
Việc thiếu hụt lao động cũng kích thích sự phát triển của tự động hố
- Sự an tồn:
Bằng việc tự động hố các hoạt động và chuyển người vận hành máy từ vị trí
tham gia tích cực sang vai trị đốc cơng, cơng việc trở nên an toàn hơn. Sư an
toàn và thoải mái của công nhân đã trở thành mục tiêu quốc gia với sự ban hành
đạo luật sức khoẻ và an toàn nghề nghiệp( 1970). Nó cũng là sự tự động hố.
- Giá nguyên vật liệu cao:
Giá cao của nguyên vật liệu tạo ra nhu cầu sử dụng các nguyên vật một cách
hiệu quả hơn. Việc giảm phế liệu là một trong những lợi ích của tự động hố.
- Nâng cao chất lượng sản phẩm:
Các hoạt động tự động hố khơng chỉ sản xuất với tốc độ nhanh hơn so với
làm bằng tay mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đối với
các tiêu chuẩn chất lượng.
- Rút ngắn thời gian sản xuất:
Tự động hoá cho phép nhà sản xuất rút ngắn thời gian giữa việc đặt hàng của
khách hàng và thời gian giao sản phẩm. Điều này tạo cho người có ưu thế cạnh
tranh trong việc tăng cường dịch vụ khách hàng tốt hơn.
- Giảm bớt phôi liệu đang sản xuất:
Lượng hàng tồn kho khi đang sản xuất tạo ra một chi phí đáng kể cho nhà sản
xuất vì nó giữ chặt vốn lại. Hàng tồn kho khi đang sản xuất khơng có giá trị. Nó
khơng đóng vai trị như ngun vật liệu hay sản phẩm. Tương tự như nhà sản
xuất sẽ có lợi khi giảm tối thiểu lượng phôi tồn đọng trong sản xuất. Tự động

hố có xu hướng thực hiện mục đích này bởi việc rút ngắn thời gian gia cơng
tồn bộ sản phẩm phân xưởng.

20


CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG
2.1.Khái niệm về các hệ thống điều khiển tự động.
Hệ thống điều khiển là toàn bộ những thiết bị đảm bảo cho một nhóm đối
tượng thực hiện nhiệm vụ để đạt mục đích và yêu cầu kỹ thật đặt ra.
Ví dụ: Trong sản xuất thì đối tượng được điều khiển là các máy, cịn nhiệm vụ là
thực hiện qui định cơng nghệ để đạt chất lượng sản phẩm. Hệ thống điều khiển tự
động là hệ thống mà tất cả các chức năng điều khiển của nó được thực hiện khơng
có sự tham gia trực tiếp của con người.
Dựa vào dạng thông tin người ta phân biệt hệ thống điều khiển theo ba loại sau
đây:
-

Hệ thống điều khiển liên tục.

-

Hệ thống điều khiển xung.

-

Hệ thống điều khiển tổ hợp.
Trong hệ thống điều khiển liên tục, thông tin được thể hiện dưới dạng các gia

trị liên tục. Ví dụ, các giá trị liên tục như như tốc độ dịch chuyển hoặc giá trị dịch

chuyển của cơ cấu chấp hành của máy được biểu thị bằng biên độ hoặc lệch của
hiệu điện thế.
Nhìn chung các hệ thống điều khiển tự động đều có các chức năng sau đây:
1.Thực hiện các chuyển động hành trình và các chuyển động chạy không của
các cơ cấu chấp hành theo một tuần tự đã định trước với các tốc độ trong phạm vi
cho phép.
2. Đảm bảo hoạt động của các máy theo nhịp và tuần tự xác định.
3. Đảm bảo dừng máy khi có sự cố xảy ra.
4. Điều khiển q trình cơng nghệ để đảm bảo chất lượng gia cơng.
5.Kiểm tra sai số kích thước và sai số hình dáng của chi tiết.
6. Điều khiển dây truyền tự động khi cần điều chỉnh để chuyển đối tượng gia
cơng.
7. Tính số lượng sản phẩm được sản xuất ra.
8. Báo tin hiệu về qui trình cơng nghệ, tình trạng để cán bộ, cơng nhân có
biện pháp xử lý.

21


2.2. Phân loại các hệ thống điều khiển tự động.
Các hệ thống điều khiển tự động được chia ra hai nhóm sau đây:
-

Hệ thống điều khiển chương trình khơng theo số.

-

Hệ thống điều khiển chương trình theo số.

2.2. 1. Hệ thống điều khiển chương trình khơng theo số.

a. Hệ thống điều khiển hành trình
Hệ thống điều khiển hành trình được dùng để tự động hoá chuyển động
thẳng của dụng cụ cắt (hoặc của cơ cấu khác của máy) với tốc độ cố định. Chiều
dài quãng đường được xác địmh bằng bằng cách gá cữ chặn trên các tang trống,
trên các thước hoăc trực tiếp trên máy. Các cữ chặn có thể thực hiện chức năng
của cơ cấu giới hạn chuyển động (được gọi là cữ chặn cứng).
14.3 14.3
V IV
III
I II

V

IV

II

III

I

2

3

4

1

7

Hình 2.1 Cấu trúc hệ thống điều khiển hành trình
1-C¬ cÊu chấp hành ;

2- Bộ dẫn động

6- Các cữ chặn

3 và 4 - Các khối điều khiển

7-Chi tiết gia công

5- Các phần tử điều khiển

IV-Các cổ trục cần gia công

Cỏc c chặn tác động đến các bộ chuyển đổi hành trình. Các bộ chuyển hành
trình truyền các lệnh tới cơ cấu chấp hành của máy bằng các tín hiệu điện, tín hiệu
thuỷ lực hoặc tín hiệu hơi ép.
Trên các dây truyền tự động hệ thóng điều khiển hành trình (bằng cữ chặn)
được dùng để điều khiển hành trình của các máy tổ hợp đứng cạnh nhau, để
truyền lệnh từ máy náy sang máy khác, để điều khiển các chu kỳ làm viẹc của các
đầu dao, của các bàn máy. Ngoài chức năng giới hạn dịch chuyển (dùng cữ chặn

22


cứng) các cữ chặn cịn có chức năng điều khiển các dịch chuyển (dùng bộ chuyển
đổi hành trình).
Cần nhớ rằng, các cữ chặn cứng khi làm việc chịu tác dụng của lực va đập

với quán tính cơ cấu chấp hành. Do đó, các cữ chặn cứng bị mịn nhanh và bị phá
huỷ, độ chính xác điều khiẻn khơng đảm bảo. Đây cũng chính là nhược điểm
chính của hệ thống điều khiển bằng cữ chặn. Tuy nhiên hệ thống điều khiển hành
trình bằng cữ chặn có ưu điểm là kết cấu đơn giản và giá thành khơng cao.
Với đặc tính như trên hệ thống điều khiển hành trình bằng cữ chặn được sử
dụng để tự động hoá các máy tiện, máy phay, máy rovonve và các máy khác trong
sản xuất hàng loạt lớn.
b. Hệ thống điều khiển bằng cam
Hệ thống điều khiển bằng cam cung cấp thông tin trên prophin của cam. Cơ
sở của hệ thống này là các cơ cấu cam kết hợp với các cơ cấu tay đòn (hoặc khơng
có tay địn).
Hệ thống cam thực hiện hai chức năng đồng thời sau:
-

Cơ cấu sinh lực

-

Cơ cấu điều khiển.

Hình 2.2 Hệ thống điều khiển bằng cam
a) Cam hình trụ

c) Cam đĩa hở

b) Cam phẳng

e) Cam đĩa kín

23

d)Cam mặt đầu


Thiết kế cơ cấu cam được thực hiện theo trình tự sau đây:
1.Chọn loại cơ cấu.
2. Chọn qui luật chuyển động.
3. Xác định các kích thước cơ bản.
4. Vẽ profil hoặc tính tốn profin của cam.
5. Tính kích thước của cơ cấu dựa theo các điều kiện bền.
Dưới đây chúng ta chỉ nghiên cứa quá trình hình thành prophin của cam.
Prôphin của cam hở được chế tạo đơn giản hơn, nhưng để dữ thanh đẩy cần có lị
xo hoặc đối trọng. Do đó, hệ số có ích giảm và như vậy cam hở nên dùng trong
trường hợp có lực di chuyển không lớn.
Đường cong lôgarit là đường cong duy nhất có góc vng cố định . do đó nó
đảm bảo chuyển động của thanh đẩy có tốc độ cố định. Tuy nhiên, chế tạo cam
với đường cong lơgarit rất khó vì vậy người ta dùng cam với đường cong Ácimet
(Hình 2.3)
Prophin của cam với đường cong Ácimet có thể được gia công bằng phương
pháp thông thường trên các máy phay và các máy tiện hớt lưng.
c. Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình.
Hệ thống được chia làm 2 loại:
- Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình tác động trực tiếp
-Hệ thống điều khiển bằng dưỡng chép hình tác động gián tiếp.
2.2.2 Hệ thống điều khiển số
a. Hệ điều khiển NC
Hệ thống Nc đầu tiên ra đời do sự cần thiết chế tạo các chi tiết phức tạp của máy
bay với số luợng ít.Ngày nay các máy trang bị hệ điều khiển Nc vẫn cịn thơng
dụng.Đây là hệ điều khiển đơn giản với số lượng hạn chế các kênh thơng tin.Trong
hệ điều khiển NC,các thơng số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều khiển

được cho dưới dạng dãy các con số.
Nguyên tắc làm việc của hệ điều khiển NC.
Sau khi mở máy,các lệnh thứ nhất và thứ hai đuợc đọc. Chỉ sau quá trình đọc kết
thúc máy mới thực hiện lệnh thứ nhất.Trong thời gian này thông tin của lệnh thứ hai
nằm trong bộ nhớ của hệ thống điều khiển.Sau khi hoàn thành việc thực hiện lệnh
thứ nhất máy mới thực hiện lệnh thứ hai lấy từ bộ nhớ ra.Trong khi thực hiện lệnh

24


thứ hai,hệ điều khiển đọc lệnh thứ ba và đưa vào chỗ của bộ nhớ mà lệnh thứ hai
vừa được giải phóng ra.
Nhược điểm chính của hệ điều khiển NC là khi gia công chi tiết tiếp theo trong
lọat hệ điều khiển lại phải đọc tất cả các lệnh từ đầu và như vậy khơng tránh khỏi
những sai sót của bộ tính tốn trong hệ điều khiển.Do đó chi tiết gia cơng có thể bị
phế phẩm.
b. Hệ điều khiển CNC.
Bé điều khiển CNC
Xử lý công nghệ
Xử lý hình học
Điều khiển điều chỉnh
Điều khiển trục
Giá trị vị trí thực
Hỡnh 2.3 Cu trúc hệ điều khiển CNC
CÊu tróc cđa bé ®iỊu khiĨn CNC:
Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là sự tham gia của máy vi tính. Các
nhà chế tạo máy CNC cài đặt vào máy tính một chương trình điều khiển cho từng
loại máy.
Hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình gia
công chết và cả chương trình hoạt động của bản thân nó. Trong hệ điều khiển CNC

các chương trình gia công có thể được ghi nhớ lại. Trong hệ điều khiển CNC
chương trình có thể được nạp vào bộ nhớ toàn bộ một lúc hoặc từng lệnh bằng tay
từ bàn điều khiển. Các lệnh điều khiển được viết không chỉ cho từng chuyển động
riêng lẻ mà còn cho nhiều chuyển động cùng một lúc. Điều này cho phép giảm số
câu lệnh của chương trình và như vậy có thể nâng cao độ tin cậy làm việc của máy.
Hệ điều khiển CNC có kích thước nhỏ hơn và giá thành thấp hơn so với hệ điều
khiển NC nhưng lại có những đặc tính mới mà các hệ điều khiển trước đó không
có.
Ví dụ: Nhiều hệ điều khiển loại này có khả năng hiệu chỉnh những sai số
cố định của máy những nguyên nhân gây ra sai số gia công.

25