Đồ án Mô phỏng quá trình tự động hóa hệ thống sản xuất bình chứa khí hóa lỏng LPG

chuyển phôi tự động giữa các nguyên công. • Thêm cơ cấu tháo lắp phôi tự động. • Sử dụng hệ thống điều khiển PLC cho toàn bộ dây chuyền sản xuất. • Tổ chức tốt công tác bảo dưỡng sửa chữa máy móc thiết bị. • Nâng cao trình độ tay nghề cho công nhân, giảm thiểu các sai số do con người trong quá trình sản xuất. 1.4 CƠ SỞ VÀ MỤC TIÊU TỰ ĐỘNG HÓA 1.4.1 Cơ sở tự động hóa Trong thời đại ngày nay, tự động hóa là cách thức sản xuất ưu việt để đạt năng suất lao động cao mà các nhà máy hay xí nghiệp sản xuất đều luôn hướng tới. Tuy vậy, cần khẳng định rằng, không phải bất cứ công đoạn sản xuất nào, nguyên công nào trong hệ thống sản xuất cũng có thể tự động hóa và không phải hệ thống sản xuất nào cũng có khả năng trở thành dây chuyền tự động. Để có thể ứng dụng tự động hóa vào một quá trình sản xuất nào đó thì hệ thống sản xuất đó cần phải thỏa mãn một số điều kiện cơ bản như sau [3]: Dạng sản xuất phải là hàng loạt, hàng khối. Dây chuyền tự động phức tạp, đắt tiền do đó nó có hiệu quả kinh tế và hoàn vốn đầu tư ban đầu nhanh chỉ khi nào sản xuất sản lượng sản phẩm lớn, hàng loạt, hàng khối. Sản phẩm phải ổn định. Để chế tạo dây chuyền tự động, ngoài sản lượng hàng năm, cần biết sản phẩm có ổn định hay không, thời gian bao lâu. Vì khi sản phẩm thay đổi, thì việc điều chỉnh dây chuyền tự động không phải lúc nào cũng đạt yêu cầu. Sản phẩm phải có hình dáng, kích thước và nguyên liệu hợp lý. Đặc điểm lớn của dây chuyền tự động là trong quá trình gia công sản phẩm đổi từ vị trí này đến vị trí khác. Nếu hình dạng và kích thước sản phẩm không hợp lý thì các cơ cấu vận chuyển sẽ phải rất phức tạp không cần thiết, và nhiều khi không thể gia công được trên dây chuyền tự động. Quy trình công nghệ phải tiên tiến. Quy trình công nghệ có tiên tiến thì năng suất mới cao. Ở đây vấn đề tiên tiến còn có ý nghĩa là có khả năng chia các nguyên công thành những bước rất đơn giản và ở mỗi vị trí có thể thực hiện nguyên tắc tập trung nguyên công sao cho năng suất của dây chuyền tự động là cao nhất. Các công đoạn sản xuất được cơ khí hóa. Cơ khí hóa là giai đoạn đầu của tự động hóa. Cơ khí hóa là thay thế sức người bằng máy móc để thực hiện nhanh chóng những công việc nặng nhọc. Sử dụng cơ khí hóa cho phép nâng cao năng suất lao động, nhưng không thể thay thế được con người trong các chức năng điều khiển, theo dõi diễn tiến của quá trình cũng như thực hiện một loạt các chuyển động phụ trợ khác. Tự động hóa quá trình sản xuất là giai đoạn phát triển tiếp theo của nền sản xuất cơ khí hóa. Nó sẽ thực hiện phần công việc mà cơ khí hóa không thể đảm đương được. Yêu cầu đối với máy công cụ: + Năng suất cao. + Độ chính xác gia công cao. + Hệ thống điều khiển từng máy có thể ghép thuận tiện với hệ thống điều khiển chung toàn dây chuyền sản xuất. Với hệ thống sản xuất bình gas của Công ty Cổ phần Thiết bị Thực phẩm hiện tại, nhìn chung đã đáp ứng những điều kiện cơ bản đã nêu trên để có thể tiến hành tự động hóa. Sản phẩm chủ yếu của công ty là vỏ bình gas với sản lượng hàng năm khá lớn, trung bình khoảng 350.000 bình/ năm. Dạng sản xuất này thuộc dạng sản xuất loạt lớn, hàng khối, có sản phẩm liên tục và ổn định. Quy trình công nghệ sản xuất vỏ bình gas dựa trên phương án phân tán nguyên công với số lượng nguyên công trong quy trình là nhiều (36 nguyên công), mức độ chuyên môn hóa cao phù hợp với dạng sản xuất loạt lớn. Trang thiết bị máy móc phục vụ sản xuất của công ty chủ yếu là các loại máy dập thủy lực công suất lớn, các máy hàn tự động được sử dụng hầu hết trong các công đoạn gia công chế tạo vỏ bình gas. Vì thế các công đoạn này có khả năng ứng dụng tự động hóa cao. Tuy nhiên, một số công đoạn do chưa được cơ khí hóa hoặc đã được cơ khí hóa nhưng phôi có sai số về hình dạng kích thước nên không thể tiến hành tự động hóa. 1.4.2 Mục tiêu tự động hóa Trong giai đoạn đầu tiên của nền sản xuất tự động hóa, do điều kiện sản xuất, khả năng của thiết bị, quá trình sản xuất được tự động hóa theo từng phần. Các công đoạn được tự động hóa: Dập chữ nổi nửa trên, dập vuốt nửa trên, dập vuốt nửa dưới, xén bavia nửa trên, xén bavia và vê mép nửa dưới, dập hình tay xách, dập chữ chìm tay xách, lốc tròn tay xách, dập hoàn thiện móc tay cầm, lốc tròn chân đế, dập hoàn thiện chân đế, hàn nút vào nửa trên, hàn chân đế vào nửa dưới, hàn chu vi. Các công đoạn không tiến hành tự động hóa: Dập cửa tay xách, dập uốn R tay xách, dập sơ bộ móc tay cầm, dập sơ bộ R chân đế, hàn tay xách vào nửa trên, đóng số, ủ khử ứng suất, thử thủy lực, phun bi, phun kẽm, phun sấy sơn, cân đóng trọng lượng, in sấy logo, ta rô lại ren, lắp van, thử kín, xả khí hút chân không. Hệ thống cung cấp vận chuyển phôi liệu: các thiết bị tích trữ phôi liệu được đặt tại mỗi công đoạn, hệ thống băng tải vận chuyển phôi tự động từ công đoạn đầu tới công đoạn hoàn thiện sản phẩm thay thế cho sức lao động của công nhân. Hệ thống điều khiển quá trình sản xuất: phối hợp hoạt động của các máy gia công, rô bốt tháo lắp phôi, băng tải nhờ bộ điều khiển PLC. CHƯƠNG 2 CHƯƠNG 2 TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT ˜————––––––••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 2.1 TỰ ĐỘNG HÓA CÁC CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT 2.2 HỆ THỐNG CUNG CẤP PHÔI LIỆU 2.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.1 TỰ ĐỘNG HÓA CÁC CÔNG ĐOẠN SẢN XUẤT 2.1.1 Dập phôi tròn Hình 2.1.1 Dập phôi tròn [9] Công đoạn này đã được tự động hóa hoàn toàn tại công ty Cổ phần Thiết bị Thực phẩm. Khâu cấp phôi với hệ thống các con lăn, tang quay dùng để duỗi và cán phẳng thép tấm cuộn (Hình 2.1.1). Thép được đưa vào vị trí cắt một cách liên tục nhờ hệ thống kẹp phôi sử dụng khí nén. Quá trình cấp thép vào máy dập được điều khiển bằng PLC. Sau khi dập, phôi được đưa ra khỏi máy nhờ máng trượt đặt nghiêng. Để phục vụ cho các công đoạn tiếp theo, công đoạn dập phôi tròn sẽ được giữ nguyên. 2.1.2 Dập chữ nổi nửa trên Định vị và kẹp chặt khi gia công Khuôn dập định vị 5 bậc tự do. Trong đó mặt phẳng khuôn định vị 3 bậc tự do (tịnh tiến theo phương Oz, quay theo phương Ox và Oy); 3 chốt trụ định vị 2 bậc tự do (tịnh tiến theo Ox và Oy), đồng thời có vát mép để phôi có thể tự định tâm (Hình 2.1.2). Vì phương của lực tác dụng trùng với phương kẹp chặt do đó không cần thiết phải có cơ cấu kẹp chặt. Hình 2.1.2 Gá phôi tròn trên máy dập chữ Cơ cấu tháo lắp phôi Sử dụng rô bốt IRB2400L để tháo lắp phôi cho máy dập (Hình 2.1.3). Phiên bản IRB 2400L là rô bốt có 6 bậc tự do, có tầm với 1.8 m, khả năng tải 7 kg, phạm vi làm việc rộng, cổ tay và cánh tay mảnh, thích hợp cho việc vận chuyển phôi (Hình 2.1.5). Hình 2.1.3 Rô bốt IRB2400L [19] Hình 2.1.4 Các trục quay của rô bốt [22] Hình 2.1.5 Miền làm việc của rô bốt [11] Bảng 2 Thông số kỹ thuật của robot IRB2400L THÔNG SỐ KỸ THUẬT Khả năng tải 7 kg Tầm với 1.8 m Số trục 6 Khả năng lặp lại vị trí 0.06 mm Tổng chiều cao 1731 mm Đế rô bốt 723x600 mm Khối lượng 380 kg Lắp đặt Tại nền và trần. CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC TRỤC PHẠM VI HOẠT ĐỘNG Trục 1, xoay tròn 360o Trục 2, cánh tay 200o Trục 3, cánh tay 125o Trục 4, cổ tay 370o Trục 5, quay 240o Trục 6, xoay tròn 800o TỐC ĐỘ TỐI ĐA Trục 1, xoay tròn 150o/s Trục 2, cánh tay 150o/s Trục 3, cánh tay 150o/s Trục 4, cổ tay 360o/s Trục 5, quay 360o/s Trục 6, xoay tròn 450o/s Phôi thép đưa vào có dạng tấm mỏng, tròn, đường kính 565 mm, khối lượng 4,4 kg do đó có thể sử dụng phương pháp kẹp chân không hoặc kẹp điện từ để kẹp chi tiết. Sau khi gia công, phôi vẫn giữ hình dạng như trước khi gia công (chỉ thêm phần chữ nổi ở giữa phôi) nên không cần thay đổi cơ cấu kẹp phôi. Lựa chọn sử dụng phương án kẹp chân không (Hình 2.1.6) để kẹp phôi do có những ưu điểm sau: giá thành thấp hơn, ít nhạy với bụi bẩn nên không cần bảo dưỡng liên tục, lực kẹp vừa phải, thích hợp kẹp các tấm mỏng, phẳng. Hình 2.1.6 Đầu kẹp chân không [20] Phôi được vận chuyển trên băng tải, tới vị trí xác định sẽ được dừng lại. Rô bốt sẽ xoay cánh tay tới vị trí lấy phôi, hạ cánh tay xuống đến khi đầu kẹp chân không chạm bề mặt phôi. Khi đó hệ thống kẹp phôi hoạt động, phôi sẽ gắn liền với đầu kẹp. Rô bốt xoay tới bàn máy, hạ cánh tay xuống độ cao phù hợp, khi đó đầu kẹp phôi ngừng hoạt động, phôi được thả xuống bàn máy. Nhờ các chốt định vị mà phôi tự định tâm trên bàn máy. Rô bốt chờ đến khi máy gia công xong sẽ gắp phôi xoay tiếp và thả phôi tại vị trí băng tải chuyển đi (Hình 2.1.7). Hình 2.1.7 Dập chữ trên phôi tròn Điều khiển Yêu cầu điều khiển rô bốt tháo lắp phôi, hệ thống tạo chân không cho đầu kẹp phôi, động cơ điện của máy dập. Cảm biến vị trí phôi trên băng tải tới để báo rô bốt tháo lắp phôi thực hiện nhiệm vụ. 2.1.3 Dập vuốt nửa trên và nửa dưới Định vị và kẹp chặt khi gia công Khuôn dập định vị 5 bậc tự do (Hình 2.1.8). Trong đó mặt phẳng bàn gá phôi định vị 3 bậc tự do (tịnh tiến theo phương Oz, quay theo phương Ox và Oy), mặt trụ bàn gá phôi định vị 2 bậc tự do (tịnh tiến theo Ox và Oy). Vì phương của lực tác dụng trùng với phương kẹp chặt do đó không cần thiết phải có cơ cấu kẹp chặt. Hình 2.1.8 Định vị phôi tròn Cơ cấu tháo lắp phôi Phôi thép đưa vào có dạng tấm mỏng, tròn, đường kính 565 mm, khối lượng 4,4 kg. Trước khi đưa vào máy dập vuốt, phôi được quét 1 lớp dầu, một mặt phủ nilon chống trầy xước trong quá trình dập, do đó không thể sử dụng phương pháp kẹp chân không để kẹp chi tiết, mà cần dùng kẹp điện từ (Hình 2.1.9). Sau khi gia công, phôi có dạng trụ tròn xoay, trên đỉnh có lỗ tròn, khối lượng 4,1 kg, đường kính thân 300 mm, cao 227 mm. Chi tiết này sẽ được cần đẩy lắp trên cánh tay rô bốt đẩy trượt theo máng xuống băng tải vận chuyển tới công đoạn tiếp theo. Hình 2.1.9 Đầu kẹp điện từ [20] Sử dụng rô bốt IRB2400L để tháo lắp phôi (Hình 2.1.10). Điều khiển Yêu cầu điều khiển rô bốt lắp phôi, máy dập. Cảm biến xác định vị trí phôi trên băng tải tới để báo rô bốt lắp phôi thực hiện nhiệm vụ. Công đoạn dập vuốt nửa dưới được tự động hóa tương tự như công đoạn dập vuốt nửa trên. Hình 2.1.10 Dập sâu 2.1.4 Xén bavia nửa trên và nửa dưới Định vị và kẹp chặt khi gia công Sử dụng đồ gá có hình dạng giống như nửa thân bình để định vị 5 bậc tự do (trừ bậc tự do quay quanh phương thẳng đứng). Đồ gá này có khả năng quay quanh trục thẳng đứng do nó được lắp phía trên một động cơ của máy xén bavia. Lực kẹp tác dụng theo phương thẳng đứng lên phần đỉnh của nửa thân bình. Lực này do một xi-lanh thủy lực lắp trên giá đỡ sinh ra. Phần đầu của pít-tông thủy lực được lắp đĩa kẹp có thể quay tự do quanh trục pít-tông vừa có tác dụng truyền lực kẹp lên phôi vừa để đảm bảo phôi có thể quay trong quá trình gia công (Hình 2.1.11). Hình 2.1.11 Định vị và kẹp chặt phôi Cơ cấu tháo lắp phôi Trước và sau khi gia công, phôi có dạng trụ tròn xoay, trên đỉnh có lỗ tròn, khối lượng 4,1 kg, đường kính thân 300 mm, cao 227 mm, có thể sử dụng kẹp màng cao su để kẹp quanh thân hình trụ (kẹp bề mặt ngoài). Lực kẹp tạo bởi động cơ điện hoặc khí nén. Lựa chọn phương án kẹp với bàn kẹp cơ khí sử dụng động cơ điện do có ưu điểm gọn nhẹ, lực kẹp điều chỉnh được. Sử dụng rô bốt IRB2400L để tháo lắp phôi (Hình 2.1.12). Hình 2.1.12 Gắp phôi lên máy gia công Điều khiển Yêu cầu điều khiển rô bốt tháo lắp phôi, máy xén bavia. Cảm biến xác định vị trí phôi trên băng tải tới để báo rô bốt tháo lắp phôi thực hiện nhiệm vụ. Công đoạn xén bavia và vê mép nửa dưới được tự động hóa tương tự như công đoạn xén bavia nửa trên. 2.1.5 Dập hình tay xách và chân đế Định vị và kẹp chặt khi gia công Định vị 6 bậc tự do trên khuôn dập. Vì phương của lực tác dụng trùng với phương kẹp chặt do đó không cần lực kẹp chặt (Hình 2.1.14). Hình 2.1.13 Khuôn dập Hình 2.1.14 Định vị chi tiết trên khuôn Cơ cấu tháo lắp phôi Phôi thép đưa vào có dạng tấm mỏng, hình chữ nhật kích thước 700 mm x 180 mm, khối lượng 1,88 kg. Do đó có thể sử dụng phương pháp kẹp chân không (hoặc kẹp điện từ) để kẹp chi tiết. Sau khi gia công, phôi vẫn có dạng tấm mỏng như trước khi gia công nên vẫn sử dụng phương pháp kẹp chân không (hoặc kẹp điện từ) và không cần thay đổi cơ cấu kẹp phôi. Tuy nhiên cần lưu ý vị trí kẹp phôi sao cho phù hợp với hình dạng sau khi dập của phôi. Lựa chọn phương án kẹp chân không (do kẹp điện từ không thích hợp với môi trường nhiều bụi bặm). Sử dụng rô bốt IRB2400L để tháo lắp phôi (Hình 2.1.15). Hình 2.1.15 Dập hình tay xách/ chân đế Thao tác của rô bốt Do công đoạn này dập hình xen kẽ 2 loại chi tiết tay xách và chân đế trên cùng một máy dập nên rô bốt tại công đoạn này có sử dụng 2 chương trình điều khiển khác nhau tùy theo loại phôi được cấp vào (2 chương trình này được lựa chọn bằng tay trên bộ điều khiển của rô bốt). Theo đó, rô bốt sẽ gắp phôi từ băng tải tới, đặt vào khuôn máy dập (khuôn này được thay đổi tùy vào chi tiết cần dập). Sau khi gia công xong, rô bốt sẽ tháo phôi và đưa tới vị trí băng tải thích hợp (một băng tải vận chuyển phôi tới các máy gia công tay xách, băng tải còn lại vận chuyển phôi tới các máy gia công chân đế). Điều khiển Yêu cầu điều khiển rô bốt tháo lắp phôi, máy dập. Cảm biến xác định vị trí phôi trên băng tải tới để báo rô bốt tháo lắp phôi thực hiện nhiệm vụ. 2.1.6 Dập chữ chìm tay xách Hình 2.1.16 Dập chữ tay xách Định vị và kẹp chặt khi gia công Định vị 6 bậc tự do. Vì phương của lực tác dụng trùng với phương kẹp chặt do đó không cần cơ cấu kẹp chặt. Cơ cấu tháo lắp phôi Phôi thép đưa vào có dạng tấm mỏng, hình chữ nhật kích thước 700 mm x 175 mm, khối lượng 1,86 kg. Do đó có thể sử dụng phương pháp kẹp chân không (hoặc kẹp điện từ) để kẹp chi tiết. Sau khi gia công, phôi vẫn có dạng tấm mỏng như trước khi gia công nên vẫn sử dụng phương pháp kẹp chân không (hoặc kẹp điện từ) và không cần thay đổi cơ cấu kẹp phôi. Tuy nhiên cần lưu ý vị trí kẹp phôi sao cho phù hợp với hình dạng của phôi. Sử dụng rô bốt IRB1600 để tháo lắp phôi (Hình 2.1.16). Điều khiển Yêu cầu điều khiển rô bốt tháo lắp phôi, máy dập chữ. Cảm biến xác định vị trí phôi trên băng tải tới để báo rô bốt tháo lắp phôi thực hiện nhiệm vụ. Hình 2.1.17 IRB 1600-6/ 1.2m [11] Bảng 3 Thông số kỹ thuật IRB1600 THÔNG SỐ KỸ THUẬT Khả năng tải 6 kg Tầm với 1.2 m Số trục 6 Khả năng lặp lại vị trí 0.05 mm Tổng chiều cao 1069.5 mm Đế rô bốt 484x648 mm Khối lượng 250 kg Lắp đặt Sàn, tường, trần, nền nghiêng. CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC TRỤC PHẠM VI HOẠT ĐỘNG Trục 1 +180o tới -180o Trục 2 +136o tới -63o Trục 3 +55o tới -235o Trục 4 +200o tới -200o Trục 5 +115o tới -115o Trục 6 +400o tới -400o TỐC ĐỘ TỐI ĐA Trục 1 150o/s Trục 2 160o/s Trục 3 170o/s Trục 4 320o/s Trục 5 400o/s Trục 6 460o/s 2.1.7 Lốc tròn tay xách và chân đế Hình 2.1.18 Máy lốc tròn tay xách Định vị và kẹp chặt khi gia công Định vị 5 bậc tự do. Phôi tay xách sẽ được kẹp chặt nhờ lực ép giữa các tang quay. Cơ cấu tháo lắp phôi Yêu cầu phôi trước khi đi qua khe hở giữa các tang quay phải ở tư thế thẳng đứng, bề mặt phôi tiếp xúc với bề mặt chi tiết định vị. Mặt khác, phôi được vận chuyển trên băng tải tới ở tư thế nằm ngang do vậy cần lắp thêm cơ cấu xoay phôi một góc 90o trước khi phôi đi vào máy lốc. Tay xách sau khi lốc tròn sẽ rơi tự do xuống băng tải và được băng tải vận chuyển tới vị trí nguyên công tiếp theo, do đó không cần cơ cấu lấy phôi (Hình 2.1.19). Điều khiển Yêu cầu điều khiển cơ cấu cấp phôi, máy lốc tròn. Cảm biến xác định vị trí phôi đưa vào để báo máy lốc thực hiện nhiệm vụ. Công đoạn lốc tròn chân đế được tiến hành tự động hóa tương tự công đoạn lốc tròn tay xách. Hình 2.1.19 Lốc tròn tay xách 2.1.8 Dập cửa tay xách Hình 2.1.20 Dập cửa tay xách Nguyên công này đã cơ khí hóa phần gia công, có cơ sở để thực hiện tự động hóa hoàn toàn. Tuy nhiên do điều kiện gá phôi khó khăn và khoảng không gian thao tác nhỏ hẹp nên việc thiết kế cơ cấu gá lắp tự động là rất phức tạp (Hình 2.1.20). Định vị 5 bậc tự do (Hình 2.1.21), kẹp chặt bằng tay. Hình 2.1.21 Định vị tay xách trên máy dập 2.1.9 Dập uốn R tay xách Hình 2.1.22 Dập uốn R tay xách Khó tìm được phương án đảm bảo bàn tay nắm bắt của rô bốt vừa kẹp phôi vừa tác dụng lực lên phôi để gá phôi lên đồ gá trong điều kiện không gian chật hẹp (Hình 2.1.22). Định vị 6 bậc tự do, kẹp chặt bằng cơ cấu bu lông đai ốc (Hình 2.1.23, 2.1.25). Vì sai số trong nguyên công lốc tròn là khá lớn, hình dạng tay xách không đúng yêu cầu nên việc gá phôi lên đồ gá tại nguyên công này là khó khăn. Hình 2.1.23 Đồ gá dập uốn R tay xách Hình 2.1.24 Lắp phôi lên đồ gá Hình 2.1.25 Kẹp chặt phôi trên đồ gá 2.1.10 Dập sơ bộ móc tay cầm Hình 2.1.26 Dập sơ bộ móc tay cầm Hình 2.1.27 Đồ gá dập sơ bộ móc tay cầm Nguyên công này cũng giống như nguyên công dập cửa tay xách, khó tự động hóa hoàn toàn do không gian thao tác chật hẹp và phải gia công tại nhiều bề mặt khác nhau trên một chi tiết (Hình 2.1.26). Định vị 5 bậc tự do, kẹp chặt bằng bu lông đai ốc (Hình 2.1.27). 2.1.11 Dập hoàn thiện móc tay cầm Hình 2.1.28 Dập hoàn thiện móc tay cầm Định vị và kẹp chặt khi gia công Định vị 5 bậc tự do. Vì phương của lực tác dụng trùng với phương kẹp chặt do đó không cần cơ cấu kẹp chặt (Hình 2.1.29). Hình 2.1.29 Đồ gá dập hoàn thiện móc tay cầm Cơ cấu tháo lắp phôi Chi tiết này có dạng hình trụ, thành mỏng, khối lượng 1,86 kg. Có 3 phương án kẹp phôi (Hình 2.1.30) là kẹp bên trong, kẹp bên ngoài, kẹp kết hợp bên trong và bên ngoài (kẹp thành mỏng của chi tiết). Hình 2.1.30 Các phương án kẹp phôi a) Kẹp bề mặt ngoài; b) Kẹp bề mặt trong; c) Kẹp kết hợp 1 – Bàn kẹp; 2 – Đồ gá; 3 – Phôi · Trường hợp kẹp bề mặt ngoài chi tiết (hình a), khi lắp phôi lên đồ gá, do thân đồ gá che bề mặt ngoài của phôi, diện tích bề mặt còn lại dùng để kẹp là nhỏ nên phương án này không có tính ổn định trong khi di chuyển phôi nhất là với tốc độ cao. Hình 2.1.31 Bàn kẹp · Trường hợp kẹp bề mặt trong chi tiết (hình b), diện tích bề mặt tiếp xúc giữa chi tiết và bàn kẹp lớn hơn trường hợp kẹp bề mặt ngoài. Tuy nhiên, do phương của lực kẹp hướng ra hai bên thành tay xách nên chi tiết sẽ có xu hướng biến dạng mở rộng hai bên thành tay xách làm cho kích thước và hình dạng chi tiết thay đổi. Vì thế nếu lực kẹp yêu cầu càng lớn thì độ biến dạng càng cao và khả năng lắp được phôi lên đồ gá sẽ giảm đi. Ngoài ra, do bề mặt kẹp trùng vị trí móc tay cầm nên việc thiết kế bàn kẹp gặp khó khăn hơn. · Trường hợp kẹp kết hợp bên trong và bên ngoài chi tiết (hình c), do lực kẹp tác dụng lên hai phía của thành mỏng của chi tiết nên chi tiết khó bị biến dạng, đồng thời bề mặt kẹp lớn, không bị hạn chế bởi đồ gá sẽ giúp nâng cao tính ổn định khi kẹp. Đây là phương án kẹp được lựa chọn. Sử dụng rô bốt IRB2400L để tháo lắp phôi có lắp thêm bàn kẹp cơ khí (Hình 2.1.31). Điều khiển Yêu cầu điều khiển rô bốt tháo lắp phôi, máy dập. Cảm biến xác định vị trí phôi đưa vào để báo rô bốt và máy dập thực hiện nhiệm vụ. 2.1.12 Dập sơ bộ R chân đế Định vị 5 bậc tự do và không cần cơ cấu kẹp (Hình 2.1.32). Không tự động hóa công đoạn này vì sau công đoạn lốc tròn và hàn nối chân đế, chi tiết có sai số về hình dạng nên khó lắp chi tiết lên đồ gá. Hình 2.1.32 Đồ gá dập sơ bộ chân đế Hình 2.1.33 Dập sơ bộ chân đế 2.1.13 Dập hoàn thiện chân đế Hình 2.1.34 Dập hoàn thiện chân đế Hình 2.1.35 Đồ gá Định vị và kẹp chặt Định vị 5 bậc tự do và không cần kẹp chặt (Hình 2.1.35). Cơ cấu tháo lắp phôi Sử dụng bàn kẹp cơ khí để gắp phôi. Có 3 phương pháp kẹp phôi bao gồm: kẹp bề mặt ngoài, kẹp bề mặt trong và kẹp kết hợp bề mặt trong và bề mặt ngoài của phôi (Hình 2.1.36). Hình 2.1.36 Các phương pháp kẹp phôi a) Kẹp ngoài; b) Kẹp trong; c) Kẹp kết hợp; 1-Bàn kẹp; 2-Phôi; 3-Đồ gá · Kẹp bề mặt ngoài tính ổn định trong khi di chuyển thấp do chiều cao của chi tiết nhỏ và bề mặt kẹp bị giới hạn bởi thân đồ gá. · Kẹp bề mặt trong có ưu điểm là đơn giản, kẹp chắc chắn. · Kẹp kết hợp giữa bề mặt trong và ngoài có nhược điểm là phức tạp trong thiết kế cơ cấu kẹp, thời gian kẹp lâu hơn. Sử dụng rô bốt IRB2400L để tháo lắp phôi (Hình 2.1.37). Hình 2.1.37 Dập hoàn thiện chân đế (mặt bên) 2.1.14 Tiện nút ren Định vị và kẹp chặt khi gia công Phôi được định vị 5 bậc tự do và kẹp chặt trên mâm cặp 3 chấu (Hình 2.1.38). Hình 2.1.38 Mâm cặp 3 chấu [18] Cơ cấu tháo lắp phôi Đây là nguyên công được thực hiện trên máy gia công số CNC (Hình 2.1.39). Loại máy tiện CNC được sử dụng là máy Tornado 110 do có bộ phận tích trữ phôi (barfeed) và cơ cấu lấy phôi nên có khả năng chứa phôi và cấp phôi tự động. Hình 2.1.39 Máy tiện CNC [21] Do cần nhiều thời gian gia công cho 1 chi tiết nút ren nên cần có thiết bị lưu chứa sản phẩm sau khi gia công trên máy tiện CNC. Nút ren sau khi gia công có dạng trụ tròn, đường kính 45 mm, khối lượng 0,108 kg. Chi tiết sau khi gia công có kích thước tương đối nhỏ nên sử dụng khay chứa. 2.1.15 Hàn nút vào nửa trên Hình 2.1.40 Hàn nút ren vào nửa trên Định vị và kẹp chặt khi gia công Sử dụng đồ gá có dạng một hình trụ một đầu bo tròn theo biên dạng của lòng trong của nửa đỉnh bình gas. Như vậy đồ gá này đã định vị được 5 bậc tự do, còn một bậc tự do là xoay quanh trục tâm của nửa đỉnh bình là chưa định vị. Đồ gá này có thể xoay quanh trục thẳng đứng vì nó được lắp trên trục của một động cơ của máy hàn (Hình 2.1.41). Hình 2.1.41 Định vị và kẹp chặt Trước khi hàn, toàn bộ phần đồ gá và nửa đỉnh bình sẽ được một trục động cơ đẩy đi lên, đến khi nút ren tì vào trục chống tâm ở bên trên của máy hàn thì lúc này nửa đỉnh bình đã được kẹp chặt. Như vậy lực kẹp chặt tác dụng theo phương thẳng đứng. Trong quá trình gia công, để tránh gây ra mài mòn thì trục chống tâm được cho quay quanh trục trung tâm của nó. Cơ cấu tháo lắp phôi Sử dụng cơ cấu tháo lắp phôi tương tự như cơ cấu tháo lắp phôi của công đoạn xén bavia nửa trên. Sử dụng Robot IRB2400 của hãng ABB, IRB2400 có 3 lựa chọn với những đặc tính như sau: Bảng 4 Các phiên bản IRB2400 Ở công đoạn này, phôi cần tháo lắp là nửa đỉnh bình có khối lượng là 4,1kg, như vậy ta để đạt được hiệu quả kinh tế hơn, thì ta sẽ sử dụng loại robot IRB2400L có tải trọng tối đa là 7kg và tầm với xa nhất tương ứng với tải trọng max là 1,8m. 2.1.16 Hàn chân đế vào nửa dưới Hình 2.1.42 Hàn chân đế vào nửa dưới 1 2 Hình 2.1.43 Định vị chân đế trên đồ gá Định vị và kẹp chặt khi gia công Đồ gá định vị có dạng đĩa, được gắn lên trên trục động cơ của máy hàn chân đế (Hình 2.1.43). Mặt phẳng định vị 1 sẽ định vị 3 bậc tự do, mặt trụ ngắn 2 định vị 2 bậc tự do. Còn một bậc tự do là xoay quoanh trục tâm của đĩa không định vị, nhưng nó sẽ không ảnh hưởng đến quá trình gia công hàn. Hình 2.1.44 Kẹp chặt chân đế và nửa dưới Cơ cấu kẹp chặt được điều khiển bằng thủy lực, phần đầu của cơ cấu kẹp chặt có gắn đĩa có dạng tương tự như đĩa của cơ cấu định vị. Sơ đồ gá đặt và kẹp chặt được thể hiện như trên hình 2.1.44. Sử dụng cơ cấu tháo lắp phôi tương tự với cơ cấu tháo lắp phôi của công đoạn xén bavia nửa trên. Chọn robot IRB2400L của hãng ABB để thực hiện việc tháo lắp phôi. 2.1.17 Hàn chu vi Hình 2.1.45 Hàn chu vi Định vị và kẹp chặt Cơ cấu định vị giống với cơ cấu định vị của công đoạn hàn chân đế vào nửa dưới. Cơ cấu kẹp chặt cũng tương tự với cơ cấu kẹp chặt của công đoạn hàn chân đế vào nửa dưới, chỉ khác phần đầu kẹp chặt, đầu kẹp chặt có dạng như mũi chống tâm, mũi này sẽ chống tì lên nút ren của vỏ bình gas. Lực kẹp chặt tác dụng theo phương nằm ngang (Hình 2.1.46). Hình 2.1.46 Kẹp chặt bình gas trên máy hàn chu vi Tháo lắp phôi Sử dụng cơ cấu tháo lắp phôi tương tự như cơ cấu tháo lắp phôi của công đoạn xén bavia nửa trên. Ở công đoạn này, phôi là toàn bộ vỏ bình gas có trọng lượng 12kg, vì vậy không thể sử dụng robot IRB2400L (tải trọng nâng lớn nhất là 7kg) để tháo lắp phôi được. Ở đây ta sẽ sử dụng robot IRB2400/16 có tải trọng nâng lớn nhất là 20kg. 2.2 HỆ THỐNG CUNG CẤP PHÔI LIỆU 2.2.1 Thiết bị hỗ trợ và cung cấp phôi liệu Với các chi tiết có dạng tấm phẳng như phôi tròn dập thân bình ga, phôi dập chân đế, phôi dập tay xách thì có thể sử dụng ổ tích đơn để lưu chứa (Hình 2.2.1, hình 2.2.2). Hình 2.2.1 Lưu phôi tròn (Khả năng chứa: 160 chi tiết) Hình 2.2.2 Lưu phôi tay xách (phôi chân đế) (Khả năng chứa: 70 chi tiết) Với chi tiết nửa đỉnh bình, nửa đáy bình, chân đế, tay xách sau khi gia công xong có dạng trụ tròn, kích thước hình học xác định có thể sử dụng thùng chứa hoặc giá chứa. Do kích thước nửa đỉnh bình (nửa đáy bình) khá lớn chiếm nhiều không gian chứa nên không sử dụng giá chứa mà sử dụng thùng chứa (Hình 2.2.3). Hình 2.2.3 Thùng chứa nửa đỉnh bình (nửa đáy bình) [12] Thông số kỹ thuật thùng chứa: + Kích thước thùng chứa: 40 x 48 x 36 (inch). + Có thể xếp lại hoặc tạo nhiều ngăn. + Vận chuyển dễ dàng với xe nâng hạ. + Khả năng chứa: 4000 Lbs. Trong đó: • Nửa đỉnh bình (hoặc nửa đáy bình): 48 chi tiết (~200kg) • Tay xách: 192 chi tiết (~360 kg) • Chân đế: 126 chi tiết (~170kg) Đối với chi tiết nút ren sau khi gia công sẽ được để trong khay chứa ở dạng tự do (Hình 2.2.4). Hình 2.2.4 Khay chứa [12] 18”L x 11”W x 6”H (0,5 cubic feet) 2.2.2 Hệ thống dòng vật liệu Băng tải Băng tải có thể sử dụng trong dây chuyền sản xuất là loại băng tải ống con lăn (Hình 2.2.5, hình 2.2.7). Ưu điểm của loại băng tải này là có độ bền cao do cấu tạo băng tải dựa trên hệ thống các con lăn bằng thép được lắp trên hai giá song song. Ngoài ra chúng còn có khả năng chịu va đập tốt khi vận chuyển các phôi liệu bằng kim loại với khối lượng lớn. Hình 2.2.5 Băng tải ống con lăn dạng thẳng [12] Hình 2.2.6 Kích thước băng tải ống con lăn dạng thẳng [12] Hình 2.2.7 Băng tải ống con lăn dạng cong [12] Hình 2.2.8 Kích thước băng tải ống con lăn dạng cong (góc 90o) [12] Phôi tròn Đường kính phôi tròn là 565 mm nên độ rộng băng tải có thể chọn là 22” (» 560 mm), tải tối đa 10 lbs/ 1 con lăn (» 4.5 kg/1 con lăn). Phôi tay xách và phôi chân đế Chiều rộng của phôi tay xách là 175 mm và của phôi chân đế là 161 mm (chưa dập hình) nên độ rộng băng tải có thể chọn là 10” (» 254 mm), tải tối đa 10 lbs/ 1 con lăn. Nửa đỉnh bình và nửa đáy bình Đường kính hai nửa thân bình là như nhau và bằng 300 mm nên độ rộng băng tải có thể chọn là 13” (» 330 mm), tải tối đa 10 lbs/ 1 con lăn. Tay xách và chân đế Đường kính tay xách là 247 mm và đường kính chân đế là 305 mm nên độ rộng băng tải có thể chọn là 13” (» 330 mm), tải tối đa 10 lbs/ 1 con lăn. Bình gas trước và sau khi hàn chu vi Trước khi vào công đoạn hàn chu vi, nửa trên (đã hàn tay xách và nút ren) được lắp với nửa dưới (đã hàn chân đế) và đặt lên pallet ở tư thế nằm ngang, giúp rô bốt có thể đưa bình gas vào máy hàn dễ dàng. Tại đây có thể sử dụng băng tải ống con lăn dạng thẳng có độ rộng 22’’ (» 560mm), tải tối đa 10 lbs/ 1 con lăn. Sau khi hàn xong, rô bốt thả bình gas lên băng tải trọng lực (Hình 2.2.9) đưa tới vị trí tiếp theo. Với băng tải loại này, bình gas có thể tự di chuyển dọc theo chiều dài băng tải nhờ trọng lượng bản thân. Có thể chọn sử dụng băng tải kích thước: rộng 24’’ (» 609.6 mm), tải tối đa 30 lbs/ 1 con lăn (» 13.6 kg/1 con lăn). Hình 2.2.9 Băng tải trọng lực [12] Tốc độ băng tải Tốc độ của các băng tải được điều chỉnh thông qua động cơ băng tải. Các băng tải tại những công đoạn khác nhau thì có tốc độ khác nhau phụ thuộc vào thời gian gia công tại mỗi công đoạn. Thiết bị định vị phôi (lắp đặt trên băng tải) Hình 2.2.10 Thiết bị hỗ trợ rô bốt gắp phôi [1] Hình 2.2.11 Thiết bị định vị nửa đỉnh bình/ nửa đáy bình Chi tiết khi di chuyển tới vị trí rô bốt gắp phôi ở cuối băng tải, nhờ sự dẫn hướng của thiết bị định vị phôi, chi tiết được giữ tại vị trí xác định trên băng tải, nhờ đó rô bốt có thể gắp chi tiết trên băng tải một cách chính xác (Hình 2.2.10). Thiết bị chuyển hướng phôi liệu Sau khi gia công xong tại máy dập phôi tròn, phôi tròn cần được vận chuyển tới vị trí máy dập chữ nửa đỉnh bình và máy dập sâu nửa đáy bình. Do đó cần phải có 2 đường cung cấp của cùng một loại phôi cho 2 máy này. Trên băng tải lắp sau công đoạn dập phôi tròn có lắp thiết bị chuyển hướng vuông góc (Hình 2.2.12). Nhờ tín hiệu cảm biến, thiết bị sẽ phân phối phôi tròn theo 2 hướng băng tải khác nhau. Hình 2.2.12 Thiết bị chuyển hướng vuông góc [12] Sau khi qua công đoạn xén bavia và vê mép, nửa đỉnh bình và nửa đáy bình sẽ được vận chuyển chung trên cùng băng tải để tiết kiệm chi phí vận chuyển. Trước khi tới trạm lưu tiếp theo, nửa đỉnh bình và nửa đáy bình sẽ được bộ cảm biến lắp trên thiết bị chuyển hướng phân loại và vận chuyển tới các băng tải thích hợp (Hình 2.2.13). Hình 2.2.13 Băng tải chuyển hướng 360 độ [12] Hình 2.2.14 Băng tải chuyển hướng tích hợp bộ cảm biến phân loại phôi Thiết bị vận tải Để vận chuyển thùng chứa các chi tiết sau khi gia công tại xưởng cơ khí sang xưởng hàn ta sử dụng xe nâng hạ (động cơ điện hoặc động cơ diesel). Với khả năng nâng hạ điều khiển bằng thủy lực, kích thước nhỏ gọn, xe nâng hạ có thể vận chuyển được khối lượng hàng tương đối lớn đồng thời di chuyển linh hoạt trong điều kiện nhà xưởng chật hẹp. Thông số kỹ thuật: Công suất nâng: 1000 kg Chiều cao nâng: 3000 mm Kích thước càng nâng: 35 x120 x 900 mm (s x e x l) Chiều dài xe: 2080 mm Chiều rộng xe: 1060 mm Tốc độ chạy xe: 14 km/h Tốc độ nâng có tải: 300 mm/s Hình 2.2.15 Xe nâng hàng Dòng vật liệu Căn cứ vào điều kiện nhà xưởng trên thực tế và dựa trên cơ sở quy trình sản xuất sản phẩm để sắp xếp bố trí các thiết bị máy móc, hệ thống vận chuyển phôi liệu sao cho phù hợp, tận dụng được mặt bằng xưởng hiện có, các vị trí nguyên công đảm bảo có đủ không gian thao tác và vận hành (Hình 2.2.17, hình 2.2.18). Hình 2.2.16 Dây chuyền sản xuất xưởng cơ khí Hình 2.2.17 Sơ đồ mặt bằng xưởng cơ khí (xem chú thích trang bên) Hình 2.2.18 Sơ đồ mặt bằng xưởng hàn (xem chú thích trang bên) 2.3 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 2.3.1 Thành phần hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển gồm có: 2 trạm phân phối phôi, tại đây có các tín hiệu vào từ các sensor và đối tượng cần điều khiển là các cơ cấu chấp hành, đó là cần chuyển làn phân phối phôi, là bàn xoay phân loại nửa bình trên và nửa bình dưới. 8 trạm gia công: tại mỗi trạm này đều gồm có một sensor phát hiện vật, một cơ cấp dừng phôi, một robot tháo lắp phôi, và một máy gia công cơ khí. Trong bài toán điều khiển này chúng ta sẽ sử dụng PLC S7-200 của hãng Siemens, đây là loại PLC được sử dụng rất phổ biến trong công nghiệp, phù hợp với các hệ thống nhỏ và trung bình. Sử dụng CPU 224 (Hình 2.3.1) với những đặc điểm cơ bản sau: Kích thước (mm): 120.5x80x62 Bộ nhớ chương trình: 4096words Bộ nhớ dữ liệu: 2560words Cổng logic vào: 14 Cổng logic ra: 10 Modul mở rộng: 7 Digital I/O cực đại: 128/128 Analog I/O cực đại: 32In/Out Bộ đếm (Counter): 256 Bộ định thời (Timer): 256 Tốc độ thực thi lệnh: 0.37µs Khả năng lưu trữ khi mất điện: 190 giờ Hình 2.3.1 PLC S7-200 CPU 224 [15] Sơ đồ kết nối PLC và các thiết bị cần điều khiển (Hình 2.3.2). Hình 2.3.2 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLC Bảng 5 Các tín hiệu đầu vào TT Kí hiệu Mô tả 1 I0.0 Tín hiệu vào từ sensor phát hiện phôi tròn từ máy dập phôi tròn ra. 2 I0.1 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy dập chữ nửa trên. 3 I0.2 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy dập sâu nửa trên. 4 I0.3 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy xén bavia nửa trên. 5 I0.4 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy dập sâu nửa dưới. 6 I0.5 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy xén bavia nửa dưới. 7 I0.6 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy dập hình tay xách chân đế. 8 I0.7 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy dập chữ tay xách. 9 I1.0 Tín hiệu vào từ sensor tại trạm gia công của máy dập hoàn thiện chân đế. 10 I1.1 Tín hiệu vào từ sensor nhận biết có phôi đi đến của bàn xoay. 11 I1.2 Tín hiệu vào từ sensor nhận biết nửa dưới, nửa trên của bàn xoay. Bảng 6 Các tín hiệu đầu ra TT Kí hiệu Mô tả 1 Q0.0 Tín hiệu điều khiển cần đẩy chuyển làn Dập chữ nửa trên 2 Q0.1 Điều khiển cơ cấu dừng phôi 3 Q0.2 Điều khiển robot lắp phôi 4 Q0.3 Bật máy gia công 5 Q0.4 Robot tháo phôi Dập sâu nửa trên 6 Q0.5 Bật cơ cấu dừng phôi 7 Q0.6 Robot lấy phôi và gá lắp lên máy gia công 8 Q0.7 Bật máy gia công 9 Q1.0 Robot tháo phôi Xén bavia nửa trên 10 Q1.1 Bật cơ cấu dừng phôi 11 Q1.2 Robot gá lắp phôi 12 Q1.3 Bật máy gia công 13 Q1.4 Robot tháo phôi Dập sâu nửa dưới 14 Q1.5 Bật cơ cấu dừng phôi 15 Q1.6 Robot gá lắp phôi 16 Q1.7 Bật máy gia công 17 Q2.0 Robot tháo phôi Xén bavia nửa dưới 18 Q2.1 Bật cơ cấu dừng phôi 19 Q2.2 Robot gá lắp phôi 20 Q2.3 Bật máy gia công 21 Q2.4 Robot tháo phôi Dập hình tay xách - chân đế 22 Q2.5 Bật cơ cấu dừng phôi 23 Q2.6 Robot gá lắp phôi 24 Q2.7 Bật máy gia công 25 Q3.0 Robot tháo phôi Dập chữ tay xách 26 Q3.1 Bật cơ cấu dừng phôi 27 Q3.2 Robot gá lắp phôi 28 Q3.3 Bật máy gia công 29 Q3.4 Robot tháo phôi Dập hoàn thiện chân đế 30 Q3.5 Bật cơ cấu dừng phôi 31 Q3.6 Robot gá lắp phôi 32 Q3.7 Bật máy gia công 33 Q4.0 Robot tháo phôi Bàn xoay 34 Q4.1 Bật cơ cấu dừng phôi 35 Q4.2 Phôi là nửa dưới 36 Q4.3 Phôi là nửa trên 2.3.2 Ngôn ngữ lập trình Phương pháp lập trình cho PLC: sử dụng phần mềm STEP7-Micro/Win, là phần mềm chuyên dụng để lập trình cho PLC trên máy tính, từ đây sẽ nạp chương trình điều khiển vào PLC thông qua các cổng truyền thông giao tiếp RS485 của PLC. Chương trình điều khiển PLC được viết bằng 2 ngôn ngữ là LAD (sơ đồ hình thang) và STL (dạng câu lệnh) xem tại phần phụ lục. CHƯƠNG 3 CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT ˜————––––––••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 3.1 MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 3.2 MÔ PHỎNG RÔ BỐT 3.1 MÔ PHỎNG DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT 3.1.1 Phần mềm AUTOMGEN Hình 3.1.1 Phần mềm AUTOMGEN Automgen là phần mềm của hãng IRAI (Hình 3.1.1). Đây là một phần mềm mạnh trong việc mô phỏng hệ thống tự động trong không gian 2D/ 3D. Đặc biệt với khả năng lập trình bằng nhiều loại ngôn ngữ (như Grafcet, Ladder, Function Blocks…) phần mềm Automgen đã cho thấy tính đa dạng trong lập trình mô phỏng hệ thống. Cấu hình yêu cầu: Microsoft Windows 98SE, ME, 2000, XP, 256 MB RAM, video 1024x768 16 bits. Ngôn ngữ lập trình: Ladder, Logic, Flow chart, Literal, Function blocks, Grafcet/SFC, CEI 1131-3. Các loại PLC hỗ trợ: SCHNEIDER (PB, SMC, TSX17-10, 17 - 20, 47, 07, 37, 57, ZELIO, ZELIO2, TWIDO), SIEMENS (S5, S7), ABB (CS31, AC31), KLOCKNER - MOELLER (PS3, PS4, PS414), GE - FANUC (90Micro, 9030), CEGELEC (C50, C100, 8005, 8035), OMRON (C, CV, CS), MITSUBISHI (FX, Q), FESTO, PANASONIC, LEGORCX, LANGUAGEC, PC (sử dụng PC như là một PLC), và các loại khác… Mô phỏng 3D: nhập file 3D từ SOLIDWORKS, 3DSTUDIO, VRML, ... Các ngôn ngữ lập trình thường dùng trong phần mềm này là Grafcet, Ladder và Logic (Hình 3.1.2, 3.1.3, 3.1.4). Với khả năng hỗ trợ đa dạng ngôn ngữ, phần mềm AUTOMGEN giúp người sử dụng có thêm nhiều lựa chọn. Hình 3.1.2 Ladder Hình 3.1.3 Grafcet Hình 3.1.4 Logic Với engine TOKAMAK được tích hợp vào IRIS3D cho phép phần mềm mô phỏng được tính chất vật lý thực tế: trọng lực tác dụng lên vật thể, tương tác va chạm giữa các vật thể trong không gian 3 chiều (Hình 3.1.5). Hình 3.1.5 IRIS 3D với engine vật lý Ngoài ra chế độ theo dõi diễn biến trong quá trình mô phỏng sẽ giúp người lập trình nắm bắt được hoạt động của hệ thống và dễ dàng sửa lỗi trong khi lập trình (Hình 3.1.6). Hình 3.1.6 Chế độ theo dõi diễn biến quá trình mô phỏng 3.1.2 Mô phỏng dây chuyền sản xuất Dưới đây là các bước để tiến hành mô phỏng dây chuyền sản xuất trên phần mềm Automgen. Đầu tiên cần tạo một Project mới (Hình 3.1.7). Hình 3.1.7 Tạo Project mới Để tạo bảng điều khiển cho hệ thống ta chọn Add an IRIS 2D object. Trong cửa sổ mở ra, ta có thể lựa chọn các biểu tượng, phím, nút hay đèn điều khiển (Hình 3.1.8). Hình 3.1.8 Tạo bảng điều khiển trong IRIS 2D Hình 3.1.9 Tạo cửa sổ mô phỏng IRIS3D Hình 3.1.10 Cửa sổ đồ họa 3D Với hệ thống được mô phỏng 3 chiều, cần tạo môi trường đồ họa IRIS3D (Hình 3.1.9). Mọi mô hình hay hoạt động của hệ thống đều được mô phỏng trong cửa sổ đồ họa 3D (Hình 3.1.10). Loại file đồ họa chính được IRIS3D xử lý là file có định dạng “.x” trong thư viện đồ họa DirectX của Microsoft. Ngoài loại file này ra, ta có thể sử dụng các loại file khác bằng cách thông qua các phần mềm khác để chuyển đổi định dạng file về định dạng “.x”. Để nhập dữ liệu CAD vào Project, ta chọn chuột phải vào mục Resources trong tab Browser và chọn Import one or more 3D files. Tiếp theo, trong cửa sổ Configuration ta đưa các mô hình 3D vào trong màn hình đồ họa (Hình 3.1.11). Với mỗi một chi tiết đặt vào, ta thiết lập các thông số riêng cho chúng như tọa độ, góc xoay, tỉ lệ, màu sắc, … tại các mục tương ứng. Hình 3.1.11 Đưa mô hình vào môi trường 3D Hình 3.1.12 Dây chuyền sản xuất Sau khi đưa mô hình hệ thống vào cửa sổ IRIS3D, cần sắp xếp lại vị trí mô hình sao cho phù hợp (Hình 3.1.12). Trước khi tiến hành lập trình mô phỏng hệ thống, các thành phần cần điều khiển phải được khai báo thông số điều khiển thích hợp. Các đối tượng cần điều khiển có những thông số như chuyển động tịnh tiến - Translation (Hình 3.1.14), chuyển động xoay - Rotation, thay đổi màu sắc - Color change, liên kết với các mô hình khác - Link (Hình 3.1.13) đều có thể được thiết lập hay sửa đổi trong menu mở ra khi ta chọn chuột phải lên từng đối tượng. Các đối tượng cùng với thông số điều khiển được quản lý theo cây thư mục trong cửa sổ Configuration giúp cho người lập trình dễ dàng truy cập và thay đổi khi cần thiết (Hình 3.1.15). Hình 3.1.13 Thiết lập liên kết đối tượng Hình 3.1.14 Thiết lập chuyển động tịnh tiến Hình 3.1.15 Quản lý các thuộc tính của đối tượng Phần lập trình cho dây chuyền sản xuất được viết bằng ngôn ngữ Grafcet có thể xem trên đĩa CD-ROM kèm theo đồ án. 3.2 MÔ PHỎNG RÔ BỐT Hình 3.2.1 Mô phỏng rô bốt IRB2400L 3.2.1 Phần mềm RobotStudio Hình 3.2.2 Phần mềm RobotStudio v5.12 Lập trình Offline hoàn thiện Phần mềm RobotStudio 5 là sản phẩm lập trình offline hàng đầu trên thị trường (Hình 3.2.2). Lập trình offline giúp giảm rủi ro bằng cách trực quan hóa, định hình các giải pháp và bố trí trước khi rô bốt thực tế được lắp đặt, điều này cũng giúp tạo ra chất lượng sản phẩm cao hơn thông qua việc đưa ra các đường đi chính xác hơn. MultiMove Với RobotStudio 5, ABB đã đưa công nghệ rô bốt ảo lên tầm cao mới. Có thể vận hành một lúc nhiều rô bốt ảo và sự hỗ trợ của MultiMove, công nghệ IRC5 mới giúp vận hành nhiều rô bốt chỉ bằng một bộ điều khiển. Sử dụng dữ liệu từ CAD RobotStudio có thể dễ dàng sử dụng dữ liệu từ dạng CAD bao gồm IGES, STEP, VRML, VDAFS, ACIS và CATIA. Bằng việc sử dụng các dữ liệu chính xác này, chuyên gia lập trình rô bốt có thể đưa ra chương trình rô bốt chính xác, và tạo ra sản phẩm có chất lượng cao. AutoPath Đây là một trong những đặc tính tiết kiệm thời gian của RobotStudio. Sử dụng mô hình CAD của thiết bị sẽ được gia công có thể tự động xác định các vị trí rô bốt theo một đường cong nhất định chỉ trong vài phút, nếu không việc này có thể sẽ mất nhiều giờ thậm chí nhiều ngày để hoàn tất. AutoReach AutoReach tự động phân tích khả năng với và có đặc tính hữu ích đó là giúp dễ dàng chuyển động rô bốt hoặc chi tiết xung quanh cho đến khi tất cả các vị trí có thể với tới được. Điều này giúp kiểm chứng và tối ưu việc bố trí trạm làm việc chỉ trong vài phút. Đường đi chính xác nhất RobotStudio có thể tự động phát hiện và cảnh báo các chuyển động gần tới những vị trí tới hạn. Màn hình mô phỏng là thiết bị trực quan để đạt được đường đi chính xác nhất của rô bốt. Các đường đỏ thể hiện những mục tiêu cần củng cố để khiến cho rô bốt chuyển động hiệu quả nhất. Có thể hoàn thiện tốc độ TCP, gia tốc, điểm tới hạn hoặc các trục để đạt chu kỳ hoạt động nhất định. Phát hiện các va chạm Khả năng phát hiện va chạm ngăn các thiệt hại cho thiết bị. Bằng cách chọn ra các vật thể liên quan, RobotStudio sẽ tự động điều khiển và chỉ ra liệu chúng có xung đột với nhau không khi chương trình rô bốt hoạt động. Virtual FlexPendant Đây là mô hình đồ họa của FlexPendant thực được hỗ trợ bởi VirtualRobot. Về cơ bản, tất cả những gì có thể được thực hiện bởi FlexPendant thật có thể được thực hiện bởi Virtual FlexPendant. Do vậy thiết bị này rất hữu ích khi sử dụng để hướng dẫn và đào tạo. Upload và Download Toàn bộ chương trình có thể được truyền tới hệ thống thực tế mà không cần phiên dịch. Đặc tính đặc biệt này có được là nhờ công nghệ Rô bốt ảo duy nhất của ABB. Rapid Editor Với tính năng Rapid Editor mới, RobotStudio trở thành một môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment – IDE). Bộ soạn thảo này hỗ trợ các tính năng thông thường như là cú pháp màu, tìm kiếm và thay thế, Intel-license và hơn thế nữa. Gỡ lỗi Nhờ việc RobotStudio có hỗ trợ gỡ rối RAPID mà có thể tạo ra các điểm dừng và chương trình RAPID có thể chạy liên tục trong khi đang xác định nguyên nhân lỗi. WatchWindows thể hiện các biến số được lựa chọn khi RAPID gỡ lỗi. EventManager Sử dụng EventManager có thể mô phỏng các hành động khi có một sự kiện nhất định xảy ra. VSTA VSTA (Visual Studio Tools for Applications) tạo khả năng tùy biến và mở rộng các khả năng của RobotStudio. Sử dụng chương trình bổ sung được gọi là VSTA, có thể tạo ra các lệnh lập trình trong C# hoặc Visual Basic, NET mà tạo bởi các sự kiện mô phỏng. VirtualTime Sử dụng VirtualTime để ước tính chu kỳ hoạt động thực tế của các chương trình rô bốt bao gồm các lệnh logic. 3.2.2 Mô phỏng công đoạn xén bavia chi tiết nửa trên Các hệ tọa độ được sử dụng trong phần mềm RobotStudio (Hình 3.2.3) bao gồm: + World coordinates – hệ tọa độ chung. + Base coordinates – hệ tọa độ cơ sở của rô bốt hay cơ cấu máy. + Tool Centre Point (TCP) – điểm tác động cuối. + User coordinates – hệ tọa độ do người dùng định nghĩa. + Object coordinates – hệ tọa độ nằm trên đối tượng làm việc của rô bốt. Hình 3.2.3 Hệ trục tọa độ [22] Các bước cơ bản để thiết lập mô hình: · Tạo mới một trạm gia công hoặc trạm lắp ráp có sử dụng rô bốt (Hình 3.2.4). Hình 3.2.4 New Station · Lựa chọn loại rô bốt cần dùng từ thư viện của phần mềm (Hình 3.2.5). Hình 3.2.5 Chọn rô bốt cần sử dụng · Nhập các thành phần khác của trạm như dụng cụ, băng tải, máy gia công, pallet, … từ thư viện mở của phần mềm (các chi tiết có sẵn hay do người dùng tự định nghĩa) (Hình 3.2.6). Hình 3.2.6 Nhập dữ liệu từ thư viện Sau khi nhập xong các thành phần cần thiết cần sắp xếp lại vị trí cho chúng để phù hợp với yêu cầu của trạm (Hình 3.2.7). Hình 3.2.7 Bố trí trạm gia công · Khai báo các đối tượng làm việc (Workobject) và dụng cụ (Tooldata) của rô bốt (Hình 3.2.8, 3.2.9). Hình 3.2.8 Thiết lập đối tượng làm việc Hình 3.2.9 Thiết lập dụng cụ cho rô bốt · Thiết lập các tín hiệu vào/ ra (Inputs/ Outputs) cho các sự kiện (Event) xảy ra tại trạm gia công nhờ công cụ Event Manager và I/O Simulator có trong tab Simulation (Hình 3.2.10). Hình 3.2.10 Cửa sổ quản lý sự kiện · Sử dụng công cụ Jog Joint, Jog Linear và Jog Reorient trong mục Freehand để dẫn dắt bàn tay nắm bắt tới vị thế phù hợp với yêu cầu nhiệm vụ đặt ra (Hình 3.2.11, 3.2.12). Các vị thế đó (Target) chính là cơ sở để lập các đường di chuyển cho rô bốt ở bước sau. Hình 3.2.11 Di chuyển tịnh tiến bàn tay nắm bắt Hình 3.2.12 Xoay bàn tay nắm bắt Đối với mỗi vị thế của bàn tay nắm bắt có thể lựa chọn các phương án khác nhau cho các khâu của rô bốt, giúp rô bốt có thể tiếp cận với đối tượng làm việc một cách thuận tiện, tránh các vật cản trên đường đi bằng công cụ Configurations (Hình 3.2.13). Hình 3.2.13 Cửa sổ Configurations Cfg1(0,0,0,0) Cfg7(2,0,2,0) Hình 3.2.14 Các tư thế khác nhau của rô bốt Các vị thế của rô bốt được tạo ra bởi phương pháp “dạy học” cho rô bốt. Rô bốt sẽ lưu lại các vị thế đã chọn nhờ công cụ Teach Target có trong menu Target (Hình 3.2.15). Ngoài ra, ta có thể tạo Target bằng các cách khác như tạo Target theo tọa độ chính xác (Create Target), theo vị trí các khâu rô bốt (Create Jointtarget). Hình 3.2.15 Tạo các Target Nhờ khả năng thể hiện tất cả vị thế của bàn tay nắm bắt hoặc đường di chuyển của rô bốt có thể quan sát được không gian thao tác của rô bốt để có thể chỉnh sửa nếu chưa hợp lý (Hình 3.2.16). Hình 3.2.16 Hiển thị toàn bộ vị trí của bàn kẹp · Tạo các đường di chuyển (Path) của rô bốt trong không gian dựa trên các vị thế đã chọn trước cho rô bốt ở bước trên. Chọn Empty Path để thiết lập đường di chuyển mới. · Lập trình cho rô bốt thực hiện theo các thao tác đã yêu cầu (Hình 3.2.17). Hình 3.2.17 Cửa sổ hỗ trợ lập trình Phần mềm RobotStudio có ưu điểm trong lập trình đó là khả năng tự động tạo các đoạn mã lập trình chuẩn cho các đường di chuyển đã thiết lập ở trên (Hình 3.2.18). Trong tab Offline chọn Synchronize to VC. Với cửa sổ mới hiện ra chọn các Path cần tạo mã chương trình và chọn OK. Hình 3.2.18 Tạo chương trình điều khiển rô bốt Trong cửa sổ soạn thảo chương trình rô bốt, có thể thấy các đoạn mã chương trình vừa tạo được viết theo đúng thủ tục, cấu trúc chương trình của ngôn ngữ lập trình RAPID, từ khai báo biến số, hằng số đến các chương trình con (Hình 3.2.19). Chương trình này hoàn toàn có thể thực thi ngay mà không cần phải chỉnh sửa thêm. Nhưng để có một chương trình hoàn thiện, chạy đúng theo yêu cầu thiết kế thực tế đặt ra thì cần phải viết thêm các câu lệnh hay thay đổi một vài thông số cho phù hợp theo đúng ngôn ngữ lập trình RAPID. Hình 3.2.19 Chương trình điều khiển rô bốt KẾT LUẬN •••••–––——˜——–––••••• Sau một thời gian thực tập tốt nghiệp tại Công ty Cổ phần Thiết bị Thực phẩm (thị trấn Phú Minh, huyện Phú Xuyên, Hà Nội), qua quá trình tìm hiểu và nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo Phạm Thế Minh, chúng tôi đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp “Mô phỏng quá trình tự động hóa hệ thống sản xuất bình chứa khí hóa lỏng LPG”. Đồ án trình bày về quy trình sản xuất bình chứa khí gas loại 12kg từ công đoạn chế tạo phôi gia công sản phẩm đến các công đoạn hoàn thiện sản phẩm. Trên cơ sở đó kết hợp với các điều kiện thực tế của hệ thống sản xuất, đồ án đã đưa ra một số phương án tự động hóa cho các công đoạn sản xuất, từ công đoạn dập chữ nổi nửa trên, dập vuốt nửa trên, … cho tới các công đoạn hàn chân đế vào nửa dưới, hàn chu vi. Đồng thời, đồ án còn trình bày về hệ thống cung cấp vận chuyển phôi liệu tự động, hệ thống điều khiển cho dây chuyền sản xuất với chương trình điều khiển PLC được viết trên phần mềm STEP7-Micro/Win, mô phỏng dây chuyền trên phần mềm Automgen, mô phỏng và lập trình cho rô bốt bằng phần mềm RobotStudio. Qua chương trình mô phỏng dây chuyền sản xuất có thể quan sát quá trình vận hành của dây chuyền, cách bố trí các công đoạn sản xuất để từ đó đưa ra những điều chỉnh cho phù hợp với điều kiện thực tế, tránh những sai sót không đáng có nhờ vậy có thể tiết kiệm được chi phí đầu tư lắp đặt. Một số phương hướng phát triển đề tài như sau: nghiên cứu khả năng tự động hóa cho tất cả các công đoạn, nâng cao hệ thống điều khiển PLC, thiết kế hệ thống kiểm tra tự động và hệ thống kho chứa tự động, tính toán và đánh giá các thông số kỹ thuật, chỉ tiêu kinh tế của dây chuyền, mô phỏng toàn bộ dây chuyền sản xuất, từ đó đưa ra những phương án tốt nhất để tối ưu hóa dây chuyền sản xuất giúp tăng năng suất lao động. Trong đồ án này, việc mô phỏng dây chuyền sản xuất được thực hiện chủ yếu trên phần mềm Automgen. Đây là một phần mềm hay, mô phỏng được quá trình hoạt động của các cơ cấu từ cơ cấu cơ khí đến cơ cấu thủy lực hay khí nén. Tuy vậy, với những hệ thống lớn như dây chuyền sản xuất bình gas thì việc mô phỏng trên phần mềm này là khá phức tạp và tốn nhiều thời gian. Điều này có thể được khắc phục bởi phần mềm RobotStudio của hãng ABB, một phần mềm chuyên dùng trong mô phỏng và lập trình cho rô bốt. Ngoài ra phần mềm RobotStudio cũng có thể mô phỏng tốt hệ thống sản xuất tự động với độ chính xác cao. Nhưng do không được sớm tiếp cận với phần mềm và điều kiện thời gian không cho phép, nên đồ án này chỉ mô phỏng một công đoạn sản xuất với phần mềm RobotStudio. Từ đó, một hướng phát triển khác được đặt ra là mô phỏng hệ thống sản xuất tự động, xí nghiệp ảo trên phần mềm RobotStudio. Qua đợt thực tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp này, chúng tôi đã học hỏi, tích lũy thêm được kiến thức cho bản thân, có cơ hội áp dụng các kiến thức đã được học trong các môn như Tự động hóa quá trình sản xuất FMS và CIM, Rô bốt công nghiệp, Kỹ thuật chế tạo máy, … vào quá trình nghiên cứu và thực hiện đồ án, đồng thời có cách tiếp cận tốt hơn đối với các vấn đề khoa học. Một lần nữa, chúng tôi xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, cô giáo và các bạn sinh viên đã giúp đỡ chúng tôi thực hiện đồ án tốt nghiệp này. PHỤ LỤC •••••–––——˜——–––••••• Phần phụ lục được lưu trên đĩa CD-ROM kèm theo bản thuyết minh đồ án tốt nghiệp bao gồm các phần sau: Phụ lục A – Chương trình PLC điều khiển dây chuyền sản xuất. Phụ lục B – Chương trình điều khiển rô bốt. Phụ lục C – Mô phỏng gia công nút ren trên máy tiện CNC. Phụ lục D – Chương trình gia công nút ren trên máy tiện CNC. TÀI LIỆU THAM KHẢO •••••–––——˜——–––••••• [1] ThS. Phạm Thế Minh, Bài giảng Tự động hóa quá trình sản xuất FMS & CIM. [2] PGS. TS. Lê Phước Ninh, Bài giảng Rô bốt công nghiệp, 2008. [3] PGS. TS. Nguyễn Phương, ThS. Nguyễn Thị Phương Giang, Cơ sở tự động hóa trong ngành cơ khí, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2005. [4] GS. TS. Trần Văn Địch, Tự động hóa sản xuất, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [5] James A. Rehg, Henry W. Kraebber, Computer Integrated Manufacturing, Prentice Hall, 2001. [6] Quy trình sản xuất và kiểm định chất lượng bình gas 2 mảnh, Công ty Cổ phần Thiết bị Thực phẩm, 2008. [7] Tài liệu kỹ thuật các loại máy móc thiết bị: máy dập sâu, máy xén bavia và vê mép, máy hàn tự động, lò ủ nhiệt, thiết bị thử thủy lực - Công ty Cổ phần Thiết bị Thực phẩm. [8] www.fsec.com.vn [9] www.saigongas.com [10] www.irai.com [11] www.abb.com [12] www.cisco-eagle.com [13] www.miningtechnical.co.za [14] www.caothang.edu.vn [15] www.automation.siemens.com [16] www.tatmachinery.com [17] www.omera.com [18] www.global-engineering.co.uk [19] www.robotics.ca [20] www.anver.com [21] www.colchester-harrison.com [22] www.globalrobots.com •– CƠ ĐIỆN TỬ 46 –•