Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 723 Mã bài: 155 Hệ thống tự động ứng dụng trong máy lắp ráp sản phẩm cuộn cảm An automatic system in the inductor product assembling machine Nguyễn Ngọc Phương, Phạm Văn Toản, Lê Phương Long Trường Đại học Lạc Hồng e- Mail: toanlhu@gmail.com Tóm tắt Bài báo này giới thiệu hệ thống tự động ứng dụng trong máy lắp ráp sản phẩm cuộn cảm tại công ty Nectokin (100% vốn Nhật Bản). Sản phẩm máy lắp ráp tự động đã được đưa vào hoạt động tại doanh nghiệp với năng xuất 2,3s/1 sản phẩm, gấp 3 lần so với sản xuất thủ công. Giảm 3 nhân công lắp ráp bằng tay/1 ca xuống còn 1 máy và 0,25 công nhân coi máy. Tỷ lệ sản phẩm lỗi 0,01%. Abstract In this paper Introduce an automatic system in the inductor product assembling machine at the Nectokin Company. The study concludes that the assembly machine is applied for this company, the operation of machine carried out 2,3 seconds/models increasing 3 times with manual methods and decreasing error of machine is 0,01%. Keyword: Assembly system, Automatic assembly 1. Giới thiệu Hiện nay, vấn đề sử dụng các thiết bị máy tự động thay thế sức lao động của con người là rất phổ biến, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp. Sự thay thế này đã giảm được phần nào những công việc nhàm chán, thường xuyên phải tiếp xúc trực tiếp với những hóa chất độc hại của người công nhân, tăng chỉ số chất lượng sản phẩm và năng suất đầu ra. Trong khi đó việc trang bị các hệ thống tự động được ngoại nhập có giá thành khá cao, việc không làm chủ được hoàn toàn về công nghệ sẽ gây ra những khó khăn trong việc sửa chữa và bảo trì. Chính vì vậy việc tự động hóa trong sản xuất ngày càng được các doanh nghiệp quan tâm hơn. Thực tế, hiện nay tại các doanh nghiệp chúng ta đang sử dụng hàng trăm lao động cho một khâu sản xuất, việc quản lý lao động trở nên phức tạp và sản phẩm làm ra còn tùy thuộc vào lao động như tình trạng sức khỏe, kinh nghiệm, tay nghề. Trong khi đó, những nước phát triển đã sản xuất ra số lượng sản phẩm đúng với số lượng ta đã làm được chỉ với những thiết bị máy và chỉ sử dụng một nhân công duy nhất để trông coi trong trường hợp máy bị sự cố kỹ thuật. Việc tự động hóa trong sản xuất sẽ đưa ra những sản phẩm với chất lượng đúng như mong muốn và tiết kiệm chi phí sản xuất. Một số công ty trong nước bước đầu đã nghiên cứu tự động hóa trong công nghiệp, công ty Vietcontrol [1] đã chế tạo “Hệ thống đếm sản phẩm trong nhà máy xi măng bằng cảm biến siêu âm”. Hệ thống được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất xi măng với việc tự động hóa các công ty xi măng sẽ tiết kiệm nhiều nhân lực cũng như hệ thống hoạt động chính xác hơn. Việc lắp ráp sản phẩm cuộn cảm (core SSR) cũng đang là vấn đề đặt ra cho nhiều doanh nghiệp trong nước. Đặc biệt là việc thiết kế một hệ thống tự động ứng dụng trong việc lắp ráp cuộn cảm. Những vấn đề sau đây được đặt ra trong bài báo: - Giải pháp xây dựng hệ thống được trình bày trong phần hai. - Phần ba trình bày cách thức thiết kế hệ thống. - Phần thứ tư là mô hình hệ thống điều khiển - Phần cuối cùng nêu lên một số kết luận khi triển khai tại Công ty Nectokin. 2. Giải pháp Trong quy trình sản xuất sản phẩm cuộn cảm tại công ty Nectokin Việt Nam, cụ thể là công đoạn lắp ráp chi tiết 1 (core) và chi tiết 2 (bobbin) đang được thực hiện thủ công. Công đoạn này đòi hỏi công nhân phải dùng tay giữ 3 chi tiết, phân biệt chiều trước – sau – úp – ngửa của hai chi tiết bobbin, đưa hai Bobbin đối xứng qua chi tiết core, dùng lực trên đầu ngón tay để ép hai mảnh bobbin vào khớp với nhau tạo thành hình khuyên ôm lấy core. Với cách làm thủ công này tồn tại một số nhược điểm cần phải giải quyết: thứ nhất, việc lắp ráp bằng tay có thể xảy ra nhiều sai sót làm giảm chất lượng sản phẩm do trong quá trình lắp ráp 724 Nguyễn Ngọc Phương, Phạm Văn Toản, Lê Phương Long VCM2012 người công nhân không hoàn toàn tập trung, vấn đề sức khỏe không tốt; thứ hai, với số lượng đơn đặt hàng ngày càng tăng cao của sản phẩm core SSR thì việc sản xuất thủ công không thể đáp ứng được yêu cầu về thời gian; thứ ba, như nhóm tác giả đã trình bày ở trên, với số lượng đơn đặt hàng đang tăng cao đồng nghĩa với việc phải cần đến một lượng lớn nhân công làm tăng chi phí sản xuất; Thứ tư, do lực bóp trên đầu ngón tay phải đủ lớn hai bobbin mới ăn khớp với nhau, bên cạnh đó năng xuất của một công nhân cần phải đạt khỏang 6000 sản phẩm/1 ca. Chính vì vậy nhiều công nhân sau một thời gian làm việc đầu ngón tay bưng mủ và rất ngại làm việc tại công đoạn này. H. 1 Sản phẩm cuộn cảm trước và sau khi lắp ráp Chính những khuyết điểm được phân tích trên đã khiến việc tự động hoá các qui trình đang là vấn đề mà công ty quan tâm hàng đầu nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Qua quá trình nghiên cứu thực tế tại công ty, phương án thiết kế máy lắp ráp được đưa ra như hình 2. H. 2 Sơ đồ khối của máy 3. Thiết kế hệ thống  Yêu cầu kĩ thuật sau khi cải tiến: + Tỉ lệ thành phẩm làm ra bị lỗi cho phép là: 1/1000 + Thời gian lắp ráp là 3 giây/1 sản phẩm + Một lần cấp 1000 bobbin (cho mỗi loại) và 980 core (tương ứng 5 vỉ core) + Hệ thống hoạt động được trên hai loại bobbin  Nguyên lý cấu tạo Từ sơ đồ khối hình 2. máy lắp ráp sản phẩm được biểu diễn như hình 3. Máy bao gồm: cụm cấp bobbin (4), cụm tách vỉ core (1), cụm cấp core (2), cụm lắp ráp (3). H. 3 Hệ thống máy phác thảo  Nguyên lý hoạt động của hệ thống. Chi tiết bobbin úp và ngửa được cấp hỗn độn, core được cấp theo chồng 5 vỉ. Khi có tín hiệu vận hành chi tiết bobbin sẽ được phân loại ra đúng chiều úp – ngửa – trước – sau thông qua cụm cơ cấu cấp bobbin (4), song song đó cụm cơ cấu tách vỉ core (1) làm nhiệm vụ tách từng vỉ core sau đó tiếp tục thông qua cụm cơ cấu cấp core (2) tách thành từng hàng core đặt lên băng tải. Băng tải vận chuyển core đến cụm lắp ráp (3), tại đây công việc lắp ráp được thực hiện khi bobbin úp – ngửa và core cùng có. 3. 1 Cụm cơ cấu cấp bobbin Trên thực tế có rất nhiều kiểu phễu cấp phôi tự động như cấp kiểu cánh gạt, giá nâng, đĩa quay, kiểu móc quay, ống hai nửa, định hướng bằng rãnh, rung động. Tuy nhiên chi tiết bobbin có hình dạng khá phức tạp, đồng thời khi lựa cần lựa ra đúng chiều úp - ngửa - trước - sau để định vị được do đó nhóm tác giả chọn phễu kiểu rung động. Trong phễu cấp phôi kiểu rung động. Dẫn động của các cơ cấu này có thể là các đầu rung điện từ, cơ khí, khí nén hoặc thủy lực. Tuy nhiên để dễ dàng điều chỉnh năng suất phôi ra vô cấp chọn đầu rung điện từ. Khi phễu rung chuyển động chi tiết sẽ tản ra xung quanh thành phễu và bắt đầu đi tới đầu mối cánh xoắn, phôi tiếp tục chuyển động theo cánh xoắn, chi tiết sẽ chuyển đồng theo cánh xoắn từ dưới phễu lên trên theo mặt phẳng nghiêng cho tới phần dẫn hướng úp. Sau đó chi tiết tiếp tục lựa chiều trước – sau bằng phương pháp loại bỏ dựa vào khe hở giữa các chốt định vị trên bobbin. H. 4 Phễu rung cấp Bobbin Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 725 Mã bài: 155 3.2 Cụm tách vỉ core Do core được cấp theo chồng 5 vỉ nên phải có cơ cấu tách từng vỉ core. Việc truyền động tách vỉ core từ chồng ra có các phương án. Sử dụng cơ cấu truyền động xích tải để tách từng vỉ core, từ đó vỉ core được băng tải vận chuyển tới cụm cơ cấu tách core với phương pháp này có ưu điểm chế tạo dễ dàng, rẻ tiền nhưng việc cấp sẽ rất mất thời gian. Sự dụng truyền vít me kết hợp khí nén có ưu điểm định vị lấy từng hàng core chính xác nhưng điều khiển phức tạp, khó thiết kế. Sử dụng phương án truyền động khí nén tách vỉ core kết hợp với băng tải vận chuyển có ưu điểm chế tạo đơn giản, giá thành thấp, điều khiển đơn giản. Do đó chọn làm truyền động cho cụm cơ cấu tách vỉ core. H. 5 Cụm cơ cấu tách vỉ core Cụm cơ cấu tách vỉ core được biểu diễn trên hình 5, gồm có hai bộ phận chính.  Bộ phận vận chuyển: động cơ (5) truyền chuyển động quay thông qua xích lên băng tải (1).  Bộ phận tách vỉ core: xi lanh (4) hạ từng vỉ core xuống băng tải, chồng vỉ core được đặt vào lồng chứa (3), xi lanh (6) đỡ các vỉ core còn lại trên thùng chứa, do băng tải được thiết kế tách làm hai nên cơ cấu tăng đơ (2) dùng chỉnh băng tải. Hình 6 trình bày sơ đồ giải thuật điều khiển cụm tách vỉ core. H. 6 Giải thuật điều khiển cụm tách vỉ core 3.3 Cụm cơ cấu cấp core Do đặc điểm cấu tạo của core là sắt non giòn, dễ vỡ và nằm trong bìa carton chống “shock”. Chính vì vậy phương án cấp core gặp nhiều khó khăn.  Dùng các thanh dẫn song song lấy 196 core (một vỉ core), sau đó chuyển trạng thái core từ đứng qua nằm, từ đó tách từng core ra để làm nhiệm vụ tiếp theo. Phương pháp này bên cạnh việc gây ra chấn động mạch làm rạn nứt core còn xẩy ra hiện tượng dính giấy ở giữa các lớp core đi theo.  Dùng nam châm điện kết hợp khí nén để cấp core cho máy, việc sử dụng nam châm điện sẽ có ưu điểm xác định vị trí dễ dàng, thiết kế đơn giản, giá thành thấp. Bài báo chọn phương án này để thực hiện. H. 7 Cụm cơ cấu tách core Xi lanh (3) định vị trí lấy core và nhả core, nam châm điện (2) có nhiệm vụ hút core, xi lanh (1) định vị chiều cao lấy core, băng tải (4) vận chuyển core. Để thuận tiện cho quá trình lắp ráp chi tiết core phải ở trạng thái nằm. Trong khi đó core được vận chuyển từ vỉ core lên băng tải ở trạng thái đứng, do đó hệ thống được thiết kế hai băng tải có tốc độ quay khác nhau để đáp ứng yêu cầu xử lý trạng thái core úp. H. 8 Hai băng tải trong thiết kế Hình 9 trình bày giải thuật điều khiển của cụm cơ cấu cấp core. 726 Nguyễn Ngọc Phương, Phạm Văn Toản, Lê Phương Long VCM2012 H. 9 Giải thuật điều khiển cụm cấp core 3.4 Thiết kế cụm cơ cấu lắp ráp Đặc điểm chi tiết bobbin có các chốt định vị nhỏ được thiết kế so le nhau. Do đó phải phân biệt đúng chiều để lắp ráp ăn khớp với nhau. Chi tiết Bobbin nhỏ và có các rãnh định vị hẹp gần 0,3mm nên khó định tâm được vào chi tiết bobbin phía đối xứng qua core. Từ đó phương án dùng xi lanh để tác dụng lực ép cho việc lắp kết hợp với lòng khuôn định vị cho hai chi tiết bobbin trên và dưới đúng vị trí để quá trình lắp diễn ra một cách chính xác và nhanh nhất. H. 10 Cơ cấu định vị bobbin  Bobbin trên được định vị chính xác nhờ lòng khuôn định vị trên và được giữ đúng vị trí nhờ xi lanh kẹp (hành trình tay kẹp là 2mm) đến khi quá trình lắp ráp kết thúc.  Bobbin dưới được định vị chính xác nhờ lòng khuôn định vị dưới và được giữ chính xác đúng vị trí nhờ lực hút (giác hút chân không) đến khi quá trình lắp ráp kết thúc.  Core được định vị chính xác nhờ rãnh dẫn core (được làm bằng vật liệu inox nhằm đảm bảo core trượt trong rãnh dễ dàng, đồng thời không bị ảnh hưởng bởi từ trường) và lực hút của nam châm điện được gắn trên xi lanh hành trình 25mm. H. 11 Core được định vị và lấy core ra Cụm cơ cấu lắp ráp được trình bày trên hình 12. Cơ cấu dập dẫn hướng cho Bobbin gồm hai xi lanh (1)(6) có hành trình dài 25mm và 30mm loại 2 ty đảm bảo các khuôn định vị không bị xoay vô hướng. Trên phần đầu của xi lanh được gắn với khuôn định vị, mục đích chính nhằm dẫn hướng có tính cưỡng bức chi tiết Bobbin trên đồng tâm với chi tiết Bobbin dưới nằm trong khuôn, hai mảnh bobbin được lắp chặt với nhau nhờ lực ép của hai xi lanh trên và dưới. H. 12 Cụm cơ cấu lắp ráp Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ điện tử toàn quốc lần thứ 6 727 Mã bài: 155 H. 13 Giải thuật điều khiển cụm lắp ráp Qua 4 cụm cơ cấu chính của máy, nhóm tác giả đã trình bày một cách khái quát về từng cụm cơ cấu của hệ thống. Bản thiết kế hoàn chỉnh của máy được trình bày trên hình 14. H. 14 Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh  Các thông số kỹ thuật của máy  Kích thước (1200 *1000 *1200)  Khối lượng 70kg 4. Hê thống điều khiển Phân tích nguyên lý hoạt động của hệ thống, ta thấy trên thực tế có các phương án điều khiển: vi xử lý, PLC. Điều khiển bằng vi xử lý có ưu điểm giá thành thấp nhưng không ổn định, khó thay thế và bảo trì. Điều khiển bằng PLC có ưu điểm ổn định, cài đặt các thông số đầu vào dễ nhưng giá thành cao. Đứng trước một dự án hay một kế hoạch, đầu tiên các doanh nghiệp quan tâm tới vấn đề giá thành, lợi nhuận cũng như chất lượng sản phẩm. Điều đó đặt ra cho tác giả phải lựa chọn phương án nào có tính khả thi nhất, mang lại hiệu quả cao nhất cho công ty. Từ những ưu, nhược điểm đã phân tích ở trên, đồng thời để đáp ứng được yêu cầu của hệ thống nên phương án điều khiển bằng PLC được lựa chọn để thực hiện ([2][3][4]). Các thiết bị điều khiển hệ thống gồm có. + Bộ điều khiển PLC Mitsubishi: PLC FX1N-60MR-001 + Cảm biến sợi quang với bộ khuếch đại: E3X-NA11 (Omron) + Cảm biến quang: E3Z-D81 (Omron) + Bộ đếm H7EC-NV (Omron) + Bộ nguồn 24VDC-4.5A (Omron) + Biến tần 0.4kW-IE5 (LS) + Van Solenoid 24VDC 4V110-06 (SMC) H. 15 Giải thuật điều khiển tổng thể H. 16 Sơ đồ kết nối mạch khí nén 728 Nguyễn Ngọc Phương, Phạm Văn Toản, Lê Phương Long VCM2012 5. Kết luận Bài báo đưa ra thiết kế, từ đó chế tạo thành công máy lắp ráp tự động sản phẩm cuộn cảm core SSR. Qua quá trình vận hành chạy thử nghiệm sản phẩm đã đạt được các thông số yêu cầu của công ty đề ra. Sản phẩm đã được chuyển giao cho công ty Nectokin (100% vốn Nhật Bản). Hình 17 mô tả máy lắp ráp đã được đưa vào dây chuyền sản xuất. Nếu so với lắp ráp thủ công thời gian lắp ráp từ 7s xuống 2,3s/ sản phẩm, gấp 3 lần so với sản xuất thủ công. Giảm 3 nhân công lắp ráp bằng tay/1 ca xuống còn 1 máy và 0,25 công nhân coi máy. Tỷ lệ sản phẩm lỗi 0,01%.  Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng tự động hóa vào dây chuyền sản xuất của nhà máy Nhật Bản.  Ý nghĩa thực tế: Đây là thiết bị được chế tạo, thực nghiệm và được doanh nghiệp nước ngoài ứng dụng vào sản xuất. H. 17 Máy lắp ráp được đưa vào dây chuyền sản xuất Bảng 1.Kết quả kiểm tra chất lượng của công ty Tài liệu tham khảo [1] Công ty cổ phần Vinacontrol, (2012) http://www.vinacontrol.com.vn [2] Autonics, sensors & controllers – selection guide (2011), http://www.linearmotiontips.com/, 27 Sep 2011 [3] Misumi (2008), Standard components for press dies, http://cad.misumi.jp/en/press.html [4] Omron (2009), Programmable relay zen v2 units., http://www.davis.com/Category/Omron_ZEN_V2 _Programmable_Relays/58686 Phạm Văn Toản sinh năm 1979. Anh nhận bằng Đại học về Cơ điện tử của trường Đại học Lạc Hồng năm 2004. Từ năm 2004 đến 2009 anh là giảng viên của Bộ môn Cơ điện tử. Anh nhận bằng Thạc sỹ về Kỹ thuật cơ khí của trường Đại học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh năm 2009. Hiện anh là Phó trưởng khoa khoa Cơ Điện trường Đại học Lạc Hồng. Hướng nghiên cứu chính là thiết kế và thực hiện các hệ thống tự động, điều khiển, các hệ thống trong công nghiệp. Lê Phương Long sinh năm 1984. Anh nhận bằng Đại học về Cơ điện tử của trường Đại học Lạc Hồng năm 2007. Anh nhận bằng Thạc sỹ về Kỹ thuật cơ khí khuôn mẫu của trường Đại học Khoa Học Kỹ Thuật và Ứng Dụng Cao Hùng (Đài Loan) năm 2009. Hiện anh đang công tác tại khoa khoa Cơ Điện trường Đại học Lạc Hồng. Hướng nghiên cứu chính là thiết kế khuôn mẫu và thực hiện các hệ thống tự động, điều khiển, các hệ thống trong công nghiệp. . báo này giới thiệu hệ thống tự động ứng dụng trong máy lắp ráp sản phẩm cuộn cảm tại công ty Nectokin (100% vốn Nhật Bản). Sản phẩm máy lắp ráp tự động đã được đưa vào hoạt động tại doanh nghiệp. Vietcontrol [1] đã chế tạo Hệ thống đếm sản phẩm trong nhà máy xi măng bằng cảm biến siêu âm”. Hệ thống được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất xi măng với việc tự động hóa các công ty xi măng. hệ thống hoạt động chính xác hơn. Việc lắp ráp sản phẩm cuộn cảm (core SSR) cũng đang là vấn đề đặt ra cho nhiều doanh nghiệp trong nước. Đặc biệt là việc thiết kế một hệ thống tự động ứng