Tóm tắt: Hệ thống băng tải Power & Free (P&F) là thiết bị xử lý vật liệu hoàn toàn đa chức năng và linh hoạt. Nó không chỉ vận chuyển phôi mà còn có thể phân loại và lưu trữ các loại phôi khác nhau, do đó được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp. Bài viết này giới thiệu thiết kế kỹ thuật của hệ thống băng tải P&F, lấy ví dụ từ xưởng hàn của một nhà máy ô tô.

Từ khóa: Hệ thống năng lượng & miễn phí, Thiết kế kỹ thuật, Tự động hóa sản xuất

I. Tổng quan về quy trình

1. Chương trình sản xuất:
Công suất của dây chuyền A là 90.000 xe mỗi hai ca. Công suất của dây chuyền B là 50.000 xe mỗi hai ca. Tổng công suất của hệ thống P&F đáp ứng 140.000 xe mỗi hai ca. Trọng lượng tối đa của thùng xe (BIW) là 500kg.

2. Quy trình hoạt động:

• Trạm xếp dỡ: Các cụm thân xe (BIW) đạt tiêu chuẩn, sau khi hoàn thành công đoạn hàn tại xưởng hàn, được chuyển lên băng chuyền P&F.
• Khu vực lưu trữ (Khu vực tích trữ): Các loại BIW khác nhau có thể được lưu trữ trong các khu vực được phân loại.
• Dây chuyền băng tải: Vận chuyển các thân xe (BIW) được lưu trữ trên các xe vận chuyển P&F đến xưởng sơn.

• Trạm dỡ hàng: Các thùng xe BIW được chuyển từ xe vận chuyển P&F lên băng chuyền của xưởng sơn.

3. Cấu trúc thực vật:
Nhà máy là một kết cấu thép nhẹ với tải trọng vận hành phân bố đều khắp xưởng. Lưới kết cấu gồm 1 điểm mỗi 8m dọc theo chiều dài của xưởng và 1 điểm mỗi 3m dọc theo chiều rộng (vuông góc với xưởng). Điều này tạo ra một lưới phân bố 3m x 8m, với mỗi điểm nâng chịu được tải trọng thẳng đứng 4,5 tấn và tải trọng nằm ngang 0,8 tấn.

II. Xác định lộ trình hệ thống P&F và thiết bị chính

Các thành phần của hệ thống: Thang máy/thang nâng hàng, Dây chuyền băng tải, Khu vực lưu trữ, Thang máy/thang nâng hàng, Hệ thống điều khiển điện.

1. Máy nâng/Thang máy (Máy nâng):
Một thiết bị nâng được lắp đặt tại vị trí xếp dỡ của cả Dây chuyền A và Dây chuyền B. Bộ phận nâng, bao gồm băng tải con lăn nâng, được nâng lên đến độ cao cần thiết và chuyển phôi thành phẩm (BIW) vào vị trí. Chốt chặn trên dây chuyền P&F phía trước vị trí chờ mở ra, và giá đỡ rỗng được kéo bằng xích đến chốt chặn của thiết bị nâng. Sau đó, giá đỡ được định vị và xác định vị trí bằng thiết bị định vị chốt giá đỡ. Thiết bị nâng hạ xuống, tách băng tải con lăn nâng khỏi phôi, và phôi được đặt lên giá đỡ rỗng. Thiết bị nâng tiếp tục hạ xuống vị trí tiếp nhận. Chốt chặn của bộ phận nâng mở ra, và giá đỡ đã chất đầy phôi được kéo bằng xích vào dây chuyền lưu trữ.

2. Dây chuyền băng tải:
Tuyến đường được thiết kế theo cách khoa học và hợp lý nhất, đảm bảo hệ thống vận chuyển không gây cản trở cho các thiết bị khác trong xưởng. Tuyến đường đáp ứng các yêu cầu vận chuyển và lưu trữ thân xe (BIW). Tổng chiều dài tuyến đường khoảng 2000 mét, với 6 trạm điều khiển được thiết lập để điều khiển sáu chuỗi băng tải riêng biệt.

3. Khu vực lưu trữ:
Do xưởng sản xuất ba dòng sản phẩm chính và trình tự sản xuất xe tại xưởng sơn khác với trình tự sản xuất tại xưởng hàn, nên trình tự và việc lưu trữ các thân xe (BIW) cần được xem xét. Dựa trên điều kiện thực tế và không gian có sẵn trong xưởng, ba dây chuyền lưu trữ được thiết kế để chứa ba loại BIW khác nhau, mỗi dây chuyền có khả năng chứa 20 BIW. Một kênh chuyển hướng nhanh cũng được bao gồm, cho phép các BIW được đưa vào sản xuất bỏ qua khu vực lưu trữ và đi thẳng đến xưởng sơn thông qua dây chuyền băng tải.

4. Máy nâng/thang máy dỡ hàng:
Khung xe chở hàng được kéo bằng xích đến bộ phận chặn nâng, nơi thiết bị định vị chốt khung xe sẽ định vị khung xe. Bộ phận nâng sẽ nâng lên độ cao cần thiết, nâng thân xe (BIW), và BIW tách khỏi khung xe. Thiết bị định vị chốt khung xe sẽ nhả ra, bộ phận chặn khung xe mở ra, và khung xe rỗng được kéo ra khỏi trạm dỡ hàng bằng xích. Sau đó, BIW được chuyển bằng càng nâng dạng ống lồng lên giá đỡ con lăn sơn.

III. Đặc điểm cấu trúc và hiệu suất của thiết bị hệ thống P&F chính

Hệ thống vận chuyển sử dụng băng tải trên cao P&F đơn khối, rộng 4 inch, kiểu đẩy đầu, chạy trên đường ray để vận chuyển sản phẩm. Các thành phần chính bao gồm bộ truyền động, thiết bị căng xích, xích, xe đẩy/xe đẩy phụ, bộ đẩy, đường ray thẳng, đường ray cong ngang (con lăn uốn cong), đường ray cong dọc, bộ chuyển mạch, cụm giá đỡ, bộ chặn, bộ điều khiển (bộ giải mã), lưới bảo vệ an toàn và các kết cấu thép lắp đặt khác. Các dạng kết cấu như sau:

1. Bộ truyền động
Bộ truyền động sử dụng dạng truyền động tuyến tính. Trạm truyền động tuyến tính được trang bị một hệ thống truyền động xích kiểu bánh xích độc lập để dẫn động xích kéo. Tấm dẫn hướng của hệ thống truyền động xích kiểu bánh xích có hình dạng cung lớn để giảm thiểu sự dao động của xích kéo và đảm bảo chuyển động trơn tru. Trạm truyền động tuyến tính bao gồm một khung cố định và một khung nổi. Động cơ truyền động sử dụng điều khiển tốc độ biến tần và được trang bị thiết bị bảo vệ quá tải.
Bộ truyền động tuyến tính kiểu bánh xích bao gồm khung máy, khung đỡ, động cơ giảm tốc và xích truyền động. Động cơ truyền động trực tiếp đến bộ giảm tốc thông qua khớp nối và có tính năng bảo vệ quá tải cơ khí tuyến tính (quay). Khung đỡ chắc chắn đảm bảo bộ truyền động cung cấp đủ lực dẫn động. Bánh xe căng xích có thể điều chỉnh và cơ cấu đỡ xích giúp việc lắp đặt và điều chỉnh khe hở ăn khớp xích trở nên đơn giản và thuận tiện. Trong trường hợp quá tải, hệ thống bảo vệ quá tải cơ khí tuyến tính có thể phát tín hiệu và ngắt nguồn điện kịp thời. Một bệ kiểm tra được bố trí tại bộ truyền động để dễ dàng tiếp cận mọi bộ phận. Các điểm bôi trơn được đặt ở vị trí thuận tiện để bôi trơn thủ công.

2. Thiết bị căng
Băng tải P&F sử dụng cơ cấu căng xích khí nén, với các con lăn đỡ giữa khung cố định và khung nổi. Các công tắc giới hạn được lắp đặt ở cả hai đầu của thiết bị căng xích để bảo vệ chống lại tình trạng lực căng xích không đủ và vượt quá hành trình của thiết bị căng xích. Thiết bị căng xích khí nén với hành trình s=800mm được lựa chọn, đảm bảo nó có thể hấp thụ chiều dài xích bằng một bước đẩy. Sau khi điều chỉnh, hành trình không sử dụng của thiết bị căng xích không nhỏ hơn 50% tổng hành trình. Thiết bị căng xích được trang bị một bệ kiểm tra.

3. Xích, Xe đẩy (Xe đẩy phụ) và Người đẩy
Hệ thống xích truyền động sử dụng loại xích tháo rời rèn tiêu chuẩn, được làm từ thép 45Mn2. Xích X-458 có tải trọng phá vỡ và lực căng cho phép lần lượt là 216kN và 15kN, với bước xích lý thuyết là 102,4mm. Xích phải hoạt động trơn tru, không bị giật cục hay rung lắc.
Xích truyền động được đỡ bởi các xe đẩy đỡ xích. Thân xe đẩy là một bộ phận rèn liền khối có độ bền cao. Xe đẩy đỡ được lắp ráp bằng bu lông. Các con lăn là bánh xe ổ bi liền khối (đầy đủ bi mà không có vòng bi), cung cấp khe hở vừa phải, lực cản thấp, bảo vệ bằng gioăng mê cung ba lớp và núm bôi trơn kiểu áp suất bên ngoài, thích hợp sử dụng trong môi trường nhiệt độ cao và khắc nghiệt. Bố trí xe đẩy hợp lý và phối hợp với các khúc cua dọc và ngang của xích truyền động. Nên sử dụng giá đỡ nhóm kép ở cả hai phía của bộ đẩy.
Xe đẩy hàng bốn bánh được sử dụng, bao gồm một xe đẩy phía trước, một xe đẩy phía sau, hai xe đẩy ở giữa, một thanh nối giảm chấn, một thanh nối cứng và một thanh điều khiển. Xe đẩy phía trước của xe đẩy hàng là xe đẩy kéo. Xe đẩy phía trước phối hợp với bộ phận hãm và xe đẩy phía sau để thực hiện chức năng dừng và tích trữ. Các xe đẩy ở giữa được sử dụng để đỡ trọng tải. Hai bộ chốt nối có thể chịu được trọng tải của trọng tải. Một bộ thanh nối có chức năng giảm chấn đảm bảo chiều dài tích trữ và thực hiện chức năng giảm chấn cho bộ phận đỡ. Xe đẩy phía trước và phía sau được làm bằng thép đúc chính xác. Thân xe đẩy và các tấm bên được nối với nhau bằng bu lông và đai ốc khóa cường độ cao để đảm bảo an toàn và độ tin cậy của xe đẩy. Xe đẩy hàng đáp ứng các yêu cầu về lắp đặt đơn giản, vận hành linh hoạt, cấu trúc hợp lý, chắc chắn, bền bỉ và bảo trì thuận tiện. Nó có khe hở vừa phải, lực cản thấp, khả năng làm kín tốt và núm bôi trơn kiểu áp suất bên ngoài.

4. Đường ray (Đường ray thẳng)
Đường ray gồm ba đoạn thép định hình, được nối với nhau bằng phương pháp hàn, và sự kết nối giữa các đoạn đường ray được thực hiện bằng bu lông. Đường ray xích sử dụng thép I10, còn đường ray xe đẩy sử dụng thép hình chữ U đặc biệt 4".

5. Đường ray cong nằm ngang (Đường ray có con lăn uốn cong)
Đoạn uốn cong nằm ngang của đường ray xích trong đường ray cong nằm ngang được trang bị các con lăn uốn cong để đảm bảo quỹ đạo chính xác của xích kéo và mối quan hệ ăn khớp chính xác giữa bộ đẩy và xe đẩy. Trong đoạn uốn cong nằm ngang, xích kéo sẽ tiếp xúc với các con lăn của các con lăn uốn cong, có độ cứng nhất định. Các con lăn được lắp đặt trong rãnh bánh xe được chế tạo đặc biệt. Các con lăn được trang bị ổ bi kín có núm dầu bên ngoài để bôi trơn thường xuyên. Góc của đường ray cong nằm ngang được xác định bởi bố cục tổng thể của đường ray. Vật liệu được sử dụng để chế tạo đường ray cong nằm ngang giống như vật liệu làm đường ray thẳng.

6. Đường ray cong thẳng đứng
Bề mặt của đường ray cong thẳng đứng nhẵn mịn, và độ cong của nó không ảnh hưởng đến lực căng của xích. Độ cong của đường ray được xác định theo yêu cầu của quy trình.

7. Đường ray chuyển hướng (Đường ray rẽ nhánh)
Các thiết bị chuyển mạch được chia thành thiết bị chuyển mạch phân nhánh và thiết bị chuyển mạch hội tụ.

• Công tắc chuyển hướng: Được sử dụng để chia một tuyến thành hai tuyến. Việc lựa chọn hướng khi xe chở hàng đi qua công tắc chuyển hướng được điều khiển tự động bởi PLC trong phòng điều khiển điện thông qua van điện từ, xi lanh khí và cần gạt trong bộ phận khí nén của công tắc.
• Các đường dây hội tụ: Đây là các đường dây không điều khiển, được sử dụng để hợp nhất hai đường dây thành một. Xe chở hàng đi qua đường dây hội tụ bằng cách dựa vào chính xe đẩy để mở lưỡi gạt của đường dây.

8. Lắp ráp giá đỡ
Bộ phận giá đỡ bao gồm một xe đẩy phía trước, hai xe đẩy ở giữa, một xe đẩy phía sau, các thanh nối phía trước và phía sau, và giá đỡ (đồ gá).

9. Nút chặn
Cơ cấu hãm sử dụng loại tấm chặn con lăn dẫn động bằng xi lanh khí nén. Khi cơ cấu hãm được kích hoạt, nó sẽ dừng bộ phận đẩy xe đẩy phía trước của cụm giá đỡ sau khi nó tách khỏi cần đẩy xích kéo, do đó định vị được vị trí của nó. Hệ thống này được trang bị thiết bị phát hiện vị trí của cơ cấu hãm.

10. Lưới bảo vệ an toàn và các kết cấu thép lắp đặt khác
Là một phần không thể thiếu của hệ thống, lưới bảo vệ an toàn được lắp đặt ở những khu vực mà dây chuyền băng tải đi qua. Kết cấu thép lắp đặt sử dụng phương án treo giàn độc lập.

IV. Thiết kế hệ thống điều khiển điện chuỗi P&F

Hệ thống điều khiển điện sử dụng PLC dòng Siemens S7 làm lõi điều khiển cấp thiết bị, được cấu hình với các module truyền thông Ethernet và module truyền thông fieldbus. Âm thanh báo động sẽ vang lên trước khi dây chuyền tự động khởi động. Mạch chính của tất cả các động cơ trong hệ thống đều được trang bị cầu dao điện áp thấp. Mạch điều khiển được hoàn thiện bởi PLC và biến tần để đạt được tốc độ cao/thấp và hoạt động tiến/lùi của động cơ. Đồng thời, mạch điều khiển biến tần cung cấp tín hiệu báo lỗi cho các chức năng bảo vệ quá tải, ngắn mạch, mất pha và các chức năng bảo vệ khác cho động cơ.

Việc thu nhận tín hiệu đầu vào từ hiện trường và trao đổi thông tin với dây chuyền điều chỉnh và xưởng sơn sử dụng công nghệ bus trường. Công nghệ này có tính mở tuyệt vời và giao thức mạng hoàn chỉnh, chặt chẽ. Trạm điều khiển PLC chủ và các trạm vận hành bên dưới tạo thành mạng Profibus-DP thông qua bus, đảm bảo việc đọc và ghi dữ liệu đáng tin cậy giữa PLC và các trạm con, và cuối cùng đảm bảo sản xuất tự động và điều khiển tự động các thông số quy trình cho toàn bộ dây chuyền thông qua lập trình. Trạng thái của tất cả các thiết bị hiện trường cũng có thể được gửi đến PLC trước, sau đó đến máy tính chủ để giám sát tập trung thông qua mạng bus trường. Sơ đồ điều khiển đơn giản, cấu trúc gọn nhẹ và bảo trì thuận tiện. Ngoài ra, tủ điều khiển được trang bị màn hình cảm ứng để hiển thị trạng thái hoạt động của thiết bị và để tra cứu lỗi nhanh chóng.

Hệ thống điều khiển điện của dây chuyền hàn P&F bao gồm một Bảng điều khiển chính (MCP), ba Bảng điều khiển từ xa (RCP) và chín Trạm vận hành (OS). MCP là Bảng điều khiển chính của dây chuyền hàn P&F; các RCP là các Tủ điều khiển điện dây chuyền P&F RCP01, RCP02 và RCP03; các OS là các Trạm vận hành BS01, BS02, BS03, BS04, BS05, BS06, BS07, BS08 và BS09. Trong số này, các Trạm vận hành BS01, BS03 và BS09 được trang bị màn hình cảm ứng.

Hệ thống truyền động xích P&F bao gồm 6 động cơ truyền động: M1, M2, M3, M4, M5 và M6.

Quy trình khởi động dây chuyền P&F Chain:

Đóng cầu dao chính bên trong máy hàn chuỗi P&F MCP để cấp điện cho RCP01, RCP02 và RCP03 → Đóng các cầu dao bên trong RCP01, RCP02 và RCP03 để cấp điện cho PLC, các thiết bị điện bên trong RCP01, RCP02 và RCP03, và cho các trạm vận hành BS01 đến BS09 → Đóng các cầu dao bên trong các trạm vận hành để cấp điện cho PLC và các thiết bị điện bên trong các trạm vận hành → Nếu ​​mọi thứ hoạt động bình thường, có thể tắt nguồn điều khiển bằng một phím và đèn báo nguồn điều khiển sẽ sáng → Đến trạm điều khiển từ xa RCP01, chọn chế độ vận hành dây chuyền: "Bán tự động", "Bảo trì" hoặc "Tự động". → Đóng các cầu dao mạch động cơ bên trong Trạm Điều khiển Từ xa để cho phép khởi động các động cơ truyền động M1, M2, M3, M6, M4 và M5, dẫn động dây xích → Đến Trạm Điều khiển Từ xa RCP01, nhấn "Khởi động Hệ thống".

Nếu chọn chế độ "Bảo trì", đèn báo Khởi động Hệ thống sẽ bật sáng. Nếu chọn chế độ "Bán tự động" hoặc "Tự động", dây xích sẽ tự động khởi động và đèn báo Khởi động Hệ thống sẽ bật sáng.

Quy trình dừng dây chuyền P&F:

Vào Bảng điều khiển từ xa RCP01 và nhấn "Dừng hệ thống". Dây xích sẽ dừng lại và đèn báo "Dừng hệ thống" sẽ bật sáng.

Các chế độ vận hành của dây chuyền xích là "Bán tự động", "Bảo trì" và "Tự động". Nếu chế độ vận hành là "Bảo trì", các bộ nâng LF1, LF2 và các bộ dừng có thể được vận hành thủ công để nhân viên bảo trì gỡ lỗi. Nếu chế độ vận hành là "Bán tự động" hoặc "Tự động", tất cả các bộ điều khiển và bộ dừng chỉ có thể hoạt động khi dây chuyền xích đang chạy. Nếu dây chuyền xích dừng khẩn cấp, tất cả các bộ điều khiển và bộ dừng sẽ duy trì trạng thái hiện tại cho đến khi dây chuyền xích được khởi động lại.
Nếu thiết bị gặp sự cố, hãy nhấn ngay nút dừng khẩn cấp trên Bảng điều khiển từ xa, Trạm vận hành hoặc hộp nút. Sau khi sửa chữa xong, dây chuyền chỉ có thể khởi động lại sau khi nhấn nút "Khôi phục lỗi".

Kiểm tra chỉ số sản xuất:

Nhấn nút "Chỉ báo kiểm tra"; tất cả các đèn sẽ sáng lên kèm theo tiếng còi báo. Thả nút ra sẽ dừng quá trình kiểm tra.

Hiện nay, các băng tải trên cao được các nhà sản xuất ô tô sử dụng không chỉ dùng để vận chuyển phôi và thân xe; chúng là một hệ thống điều khiển cơ khí và điện hoàn chỉnh với mức độ tự động hóa rất cao. Chúng có thể hỗ trợ sản xuất đồng dây chuyền nhiều loại thân xe và có thể thực hiện việc vận chuyển và lưu trữ thân xe theo yêu cầu sản xuất. Trạm chuyển tải yêu cầu định vị chính xác và chuyển tải tự động. Toàn bộ hệ thống băng tải P&F có thể vận chuyển chính xác các thân xe hoàn chỉnh từ xưởng hàn đến xưởng sơn mà không cần thao tác thủ công của công nhân.