Bài Giảng Về Hệ Thống Sản Xuất Linh Hoạt FMS Và Hệ Thống Sản Xuất Tích Hợp CIM

**Mô tả SEO cho bài viết** Bài giảng về hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và hệ thống sản xuất tích hợp CIM cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ sản xuất hiện đại.

• Tác giả: Lê Thị Lan
• Trường học: Đại học Hải Phòng
• Chuyên ngành: Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và tích hợp CIM
• Đề tài: Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và hệ thống sản xuất tích hợp CIM
• Loại tài liệu: bài giảng
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
• 1.1. Vị trí của FMS trong quá trình phát triển của Công nghệ Chế tạo máy
• 1.2. Lịch sử ra đời và phát triển của FMS
• 1.3. Những khái niệm cơ bản về FMS
• 1.4. Cấu trúc của FMS
• 1.5. Phân loại FMS
• 1.6. Nguyên tắc thiết lập FMS
• 1.7. Ý nghĩa FMS và CIM
• 1.8. Một số FMS trên thế giới
• 2. CHƯƠNG 2: MÁY GIA CÔNG TỰ ĐỘNG CNC LÀ TẾ BÀO GIA CÔNG CỦA FMS
• 2.1. Vai trò của các máy CNC và sự phát triển của chúng để tạo thành hệ thống FMS
• 2.2. Quá trình phát triển của máy CNC
• 2.3. Trang bị các magazin dụng cụ cho máy CNC
• 2.4. Trang bị cho máy cơ cấu vệ tinh tự động
• 2.5. Chế tạo máy nhiều trục chính
• 2.6. Hiệu quả tập hợp các máy CNC thành hệ thống FMS
• 3. CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN – TÍCH TRỮ PHÔI VÀ CHI TIẾT
• 3.1. Rô bôt công nghiệp - IR
• 3.2. Ứng dụng của IR
• 3.2.1. Rô bôt công nghiệp cấp phôi và tháo chi tiết ra khỏi máy
• 3.2.2. Rô bôt công nghiệp di chuyển chi tiết ra hoặc vào băng tải
• 3.2.3. Rô bôt công nghiệp xếp đống sản phẩm theo qui cách
• 3.3. Cấu trúc của Rô bôt công nghiệp
• 3.4. Lập trình điều khiển cho Rô bôt công nghiệp
• 3.4.1. Dãy chương trình
• 3.4.2. Kết nối với lệnh vào-ra của Rô bôt
• 3.5. Kho chứa phôi và chi tiết
• 3.5.1. Chức năng và cấu trúc của kho chứa tự động
• 3.5.1.1. Kho chứa dạng giá cần cẩu
• 3.5.1.2. Kho chứa dạng cần cẩu cầu
• 3.5.1.3. Kho chứa dạng giá trọng lực
• 3.6. Băng tải vận chuyển
• 3.7. Xác định thành phần của thiết bị vận chuyển
• 3.8. Xác định đặc tính của giá đỡ
• 3.9. Xác định vị trí cấp phôi và vị trí tháo chi tiết
• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG KIỂM TRA TỰ ĐỘNG
• 4.1. Chức năng của hệ thống kiểm tra tự động
• 4.2. Đối tượng kiểm tra
• 4.3. Cấu trúc công nghệ của hệ thống kiểm tra tự động
• 4.3.1. Cấu trúc mức cao
• 4.3.2. Cấu trúc mức trung bình
• 4.3.3. Cấu trúc mức thấp
• 4.4. Các nguyên tắc xây dựng hệ thống kiểm tra tự động
• 4.4.1. Nguyên tắc không tin cậy
• 4.4.2. Nguyên tắc tin cậy
• 4.5. Thiết bị, cơ sở vật chất kỹ thuật của hệ thống kiểm tra tự động
• 4.6. Các bước của quá trình kiểm tra
• 4.7. Chế độ hoạt động của hệ thống kiểm tra
• 4.8. Xác định số vị trí kiểm tra
• 5. CHƯƠNG 5: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 5.1. Tổ chức điều khiển FMS
• 5.2. Điều khiển các mô đun
• 5.3. Điều khiển hệ thống FMS
• 5.4. Mạng máy tính khu vực của hệ thống FMS
• 5.4.1. Khái niệm mạng LAN
• 5.4.2. Các loại mạng LAN
• 5.5. Con người trong hệ điều khiển
• 5.6. Thiết kế hệ thống điều khiển FMS
• 6. CHƯƠNG 6: HỆ THỐNG SẢN XUẤT TÍCH HỢP - CIM
• 6.1. Định nghĩa về CIM
• 6.2. Các phần tử của CIM
• 6.3. Tích hợp các hệ thống phụ trợ
• 6.4. Tự động hóa văn phòng
• 6.5. Thiết kế có trợ giúp của máy tính
• 6.6. Máy điều khiển số
• 6.7. Sản xuất có trợ giúp của máy tính CAM
• 6.8. Kiểm tra chất lượng có trợ giúp của máy tính
• 6.9. Hệ thống bảo quản và tìm kiếm tự động
• 6.10. Công nghệ nhóm
• 6.11. Lập qui trình công nghệ có trợ giúp của máy tính
• 6.12. Tế bào gia công
• 6.13. Rô bôt công nghiệp
• 6.14. Hệ thống FMS
• 6.15. Sự cần thiết của tích hợp
• 6.16. Mạng liên kết và qui ước của CIM
• 6.17. Quan hệ chức năng
• 6.18. Hợp lý hóa và tối ưu CIM
• 6.19. Hệ thống trợ giúp ra quyết định đầu tư cho CIM
• 6.20. Hướng phát triển của CIM
• 6.21. Các hướng phát triển của CIM
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS

Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) đóng vai trò quan trọng trong sản xuất hiện đại. Nó cho phép kết nối các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Sự phát triển của CIM (Sản xuất tích hợp có trợ giúp của máy tính) đã tạo ra một môi trường sản xuất thông minh, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất. Theo một nghiên cứu, việc áp dụng FMS có thể tăng năng suất lao động lên đến 200%. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc tích hợp công nghệ vào sản xuất.

1.1. Khái niệm cơ bản về FMS

FMS là hệ thống sản xuất có tính linh hoạt cao, cho phép sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau. Để đạt được tính linh hoạt, hệ thống này cần được tự động hóa. Tự động hóa sản xuất không chỉ giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người mà còn nâng cao hiệu quả sản xuất. Tính linh hoạt của hệ thống được xác định bởi khả năng thích ứng với nhiều loại sản phẩm khác nhau, từ đó giảm chi phí sản xuất và thời gian chế tạo.

1.2. Lịch sử phát triển của FMS

FMS đã được phát triển từ những năm 1970, khi mà nhu cầu sản xuất linh hoạt ngày càng tăng. Sự ra đời của các máy CNC đã tạo điều kiện cho việc hình thành các hệ thống FMS. Năm 1982, hội nghị quốc tế về FMS đã diễn ra, đánh dấu bước ngoặt quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển hệ thống sản xuất tích hợp. Sự kết hợp giữa FMS và CIM đã tạo ra một mô hình sản xuất hiện đại, giúp các doanh nghiệp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

II. Nguyên tắc thiết lập FMS

Thiết lập hệ thống FMS bắt đầu từ việc xác định các chi tiết gia công. Quá trình này bao gồm việc xác định thiết bị công nghệ, các loại kho chứa và các cơ cấu vận chuyển. Việc thiết lập cấu trúc chức năng và cấu trúc thông tin của FMS là rất quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả. Theo một nghiên cứu, việc thiết lập đúng nguyên tắc có thể giúp giảm thời gian sản xuất lên đến 60%. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc lập kế hoạch cẩn thận trong quá trình thiết lập.

2.1. Các bước thiết lập FMS

Các bước thiết lập FMS bao gồm xác định chi tiết gia công, lựa chọn thiết bị công nghệ và thiết lập mạng máy tính nội bộ. Việc xác định chi tiết gia công giúp xác định các yêu cầu kỹ thuật và công nghệ cần thiết. Lựa chọn thiết bị công nghệ phù hợp sẽ đảm bảo rằng hệ thống có thể hoạt động hiệu quả và linh hoạt. Cuối cùng, việc thiết lập mạng máy tính nội bộ giúp kết nối các thiết bị và hệ thống, tạo ra một môi trường sản xuất thông minh.

2.2. Ý nghĩa của FMS và CIM

Việc thiết lập FMS không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Sự kết hợp giữa FMS và CIM cho phép các doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ thiết kế đến chế tạo. Theo một báo cáo, việc áp dụng CIM có thể giúp giảm thời gian sản xuất lên đến 80%. Điều này cho thấy rằng việc tích hợp công nghệ vào sản xuất là cần thiết để đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao.

III. Ứng dụng của FMS trong sản xuất

Hệ thống FMS đã được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất, từ chế tạo máy đến sản xuất linh kiện điện tử. Việc sử dụng FMS giúp các doanh nghiệp tăng cường khả năng cạnh tranh và đáp ứng nhanh chóng nhu cầu của thị trường. Nghiên cứu cho thấy rằng các doanh nghiệp áp dụng FMS có thể tăng khả năng hoàn vốn lên tới 200%. Điều này chứng tỏ rằng FMS không chỉ là một công nghệ mà còn là một chiến lược kinh doanh hiệu quả.

3.1. Lợi ích của FMS trong sản xuất

Lợi ích chính của FMS bao gồm tăng năng suất, giảm thời gian sản xuất và cải thiện chất lượng sản phẩm. Hệ thống này cho phép sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau mà không cần thay đổi thiết bị. Điều này giúp giảm thiểu chi phí và thời gian chuyển đổi giữa các sản phẩm. Theo một nghiên cứu, việc áp dụng FMS có thể giảm thời gian phục vụ máy móc lên tới 70%, từ đó nâng cao hiệu quả sản xuất.

3.2. Thách thức khi áp dụng FMS

Mặc dù FMS mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc áp dụng cũng gặp phải một số thách thức. Các doanh nghiệp cần đầu tư vào công nghệ và đào tạo nhân lực để vận hành hệ thống. Ngoài ra, việc tích hợp FMS với các hệ thống hiện có cũng có thể gặp khó khăn. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, những thách thức này có thể được giải quyết, giúp các doanh nghiệp tận dụng tối đa lợi ích của FMS.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Bài giảng Hệ thống sản xuất linh hoạt - FMS và Hệ thống sản xuất tích hợp - CIM (Mã số: BG.20 13) do Th.S Lê Thị Lan chủ biên, được Khoa Điện - Cơ thuộc Trường Đại học Hải Phòng nghiệm thu và ban hành năm 2020. Tài liệu có dung lượng 100 trang, được biên soạn phục vụ giảng dạy bậc đại học cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy và Cơ điện tử. Trong chương trình đào tạo chuyên ngành, học phần này nằm ở khối kiến thức chuyên nghiệp, kết nối các môn học kỹ thuật cơ sở như Công nghệ Chế tạo máy, Máy điều khiển số CNC, Rôbốt công nghiệp và Kỹ thuật điều khiển PLC để hình thành năng lực thiết kế hệ thống sản xuất tự động hóa cấp độ phân xưởng và nhà máy.

Mục tiêu học tập (learning outcomes) của tài liệu bao gồm việc cung cấp cơ sở lý thuyết về tổ chức sản xuất hiện đại, phân tích cấu trúc chức năng và công nghệ của hệ thống FMS (Flexible Manufacturing System) và CIM (Computer Integrated Manufacturing). Sinh viên sau khi học có khả năng tính toán xác định thành phần máy công cụ, thiết bị vận chuyển - tích trữ phôi, ổ tích dụng cụ, đồng thời nắm vững nguyên lý điều khiển, kiểm tra tự động và tích hợp hệ thống thông tin sản xuất.

Giáo trình được cấu trúc thành 6 chương logic, đi từ các khái niệm tổng quan về tự động hóa sản xuất, đi sâu vào từng mô-đun thành phần (máy CNC, rôbốt, kho tự động, hệ thống đo kiểm, mạng điều khiển) và kết thúc ở cấp độ tích hợp toàn diện CIM. Điểm đặc thù của bài giảng là sự kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa lý thuyết với các công thức tính toán kỹ thuật định lượng và ví dụ thực tế từ các dây chuyền sản xuất của các hãng công nghiệp trên thế giới.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung bài giảng được phân chia thành 6 chương trọng tâm với tiến trình phát triển từ phần tử cục bộ đến hệ thống hoàn chỉnh:

• Chương 1: Những khái niệm cơ bản (Lý thuyết: 3 tiết, Thảo luận: 1 tiết)
  Trình bày vị trí của FMS trong tiến trình phát triển của Công nghệ Chế tạo máy, xu thế công nghệ 4.0 (High Tech, C-Tech), cùng các mô hình tổ chức sản xuất tiên tiến như Lean Production (Nhật Bản: mô hình xí nghiệp vừa và nhỏ quy mô 250 công nhân, vốn 2,5 triệu USD, doanh số 10–100 triệu USD) và Fractal Fabrication (Đức: mạng lưới liên hiệp xí nghiệp, làm việc nhóm Teamwork). Chương 1 định nghĩa tính linh hoạt của hệ thống thông qua hệ số $M_L = \frac{L_đ}{L_y}$ (trong đó $L_đ$ là tính linh hoạt đạt được, $L_y$ là tính linh hoạt yêu cầu) và phân loại 7 dạng linh hoạt (máy, quá trình, sản phẩm, tiến trình, khối lượng, mở rộng, chủng loại). Hệ thống FMS được phân loại thành 3 nhóm cấu trúc: tập trung nguyên công trên máy CNC vạn năng, gia công theo nhiều tiến trình có hệ thống vận chuyển linh hoạt, và dây chuyền tự động linh hoạt phân tán nguyên công.
• Chương 2: Máy gia công tự động CNC là tế bào gia công của FMS (Lý thuyết: 5 tiết, Bài tập: 2 tiết)
  Xác định máy CNC là hạt nhân (tế bào gia công) của FMS. Phân tích 4 hướng công nghệ điều chỉnh linh hoạt: trang bị ổ tích dụng cụ (magazin dạng đĩa, dạng xích chứa $>140$ dao, dạng mảnh rãnh chứa $30 \div 80$ hoặc 215 dao, thời gian thay dao $5 \div 8$ giây); trang bị cơ cấu vệ tinh (pallet) với số lượng kinh tế nhất là $2 \div 3$ vệ tinh/máy; chế tạo máy nhiều trục chính ($2 \div 4$ trục); và tập hợp các máy CNC thành hệ thống điều khiển nhóm. Chương này cung cấp phương pháp tính toán định lượng: xác định số máy sơ bộ $n_{sb} = k \cdot \frac{T_{nhóm}}{\Phi}$ (với hệ số tỉ lệ $k = 1/6$, quỹ thời gian làm việc $\Phi = 3360$ giờ/năm), xác định nhịp sản xuất $T = \frac{\Phi_0 \cdot K}{N}$ ($\Phi_0 = 4025$ giờ, $K = 0,9$, $N$ là sản lượng), tính số máy chính xác $n_{tính} = \frac{T_{tb}}{T}$, tính dung lượng magazin trung tâm $Z_d = Z_1 + Z_2$, và tính năng suất nâng của catset $G = \frac{K_d \cdot m}{\Phi_c}$ ($\Phi_c = 305$ giờ/tháng). Phân tích các mô hình FMS thực tế của các hãng Hellen Heyligénstaed (Đức), Yamazaki (Nhật Bản), và Scharmann (Đức).
• Chương 3: Hệ thống vận chuyển – tích trữ phôi và chi tiết (Lý thuyết: 5 tiết, Bài tập: 2 tiết)
  Khảo sát vai trò của Rôbốt công nghiệp (IR) trong 3 nhiệm vụ chính: cấp/tháo phôi (Machine Loading), di chuyển chi tiết vào/ra băng tải (Conveyor Transfer), và xếp đống sản phẩm (Palletizing). Trình bày cấu trúc công nghệ của IR (1 tay máy hoặc 2 tay máy; thân cố định hoặc di động trên nền xưởng/giá treo; tải trọng từ siêu nhẹ $\le 1\text{ kg}$ đến nặng $>100\text{ kg}$; hệ tọa độ Đề-các, trụ, cầu; 5–6 bậc tự do; truyền động khí nén, thủy lực, điện; độ chính xác định vị $\pm 0,1\text{ mm}$; tốc độ $\le 1\text{ m/s}$; điều khiển theo chu kỳ, vị trí, đường viền contour hoặc thích nghi). Cung cấp cấu trúc lập trình điều khiển IR bằng ngôn ngữ MCL (Manufacturing Control Language với $>950$ câu lệnh) thông qua dãy chương trình (lệnh Pmove, Grasp, Release, Speed, Label, Branch) và dãy điểm (mỗi điểm đặc trưng bởi 5 giá trị). Phân tích cấu trúc kho tự động (giá cần cẩu, cần cẩu cầu, giá trọng lực) và hệ thống băng tải.
• Chương 4: Hệ thống kiểm tra tự động
  Phân tích chức năng, đối tượng kiểm tra và 3 cấp độ cấu trúc công nghệ: mức cao, mức trung bình, mức thấp. Thiết lập các nguyên tắc xây dựng hệ thống kiểm tra (nguyên tắc không tin cậy và nguyên tắc tin cậy), xác định thiết bị kỹ thuật, chế độ hoạt động và phương pháp tính toán số vị trí kiểm tra trên dòng sản xuất.
• Chương 5: Hệ thống điều khiển
  Mô tả cấu trúc tổ chức điều khiển phân cấp trong FMS từ cấp điều khiển mô-đun thiết bị đến cấp điều khiển toàn hệ thống. Trình bày ứng dụng của mạng máy tính cục bộ (LAN), các topo mạng và giao thức truyền thông công nghiệp, vai trò giám sát của con người và các bước thiết kế hệ thống điều khiển tích hợp.
• Chương 6: Hệ thống sản xuất tích hợp - CIM
  Trình bày định nghĩa và mối quan hệ chức năng giữa các thành phần tử trong CIM: CAD (Thiết kế có trợ giúp của máy tính), CAM (Sản xuất có trợ giúp của máy tính), CAPP (Lập kế hoạch sản xuất có trợ giúp của máy tính), CAQC (Kiểm tra chất lượng có trợ giúp của máy tính), CNC, IR, AS/RS (Hệ thống bảo quản và tìm kiếm tự động), Công nghệ nhóm (Group Technology), Tế bào gia công. Phân tích mạng liên kết dữ liệu, bài toán hợp lý hóa và tối ưu hóa hệ thống CIM, phương pháp ra quyết định đầu tư và các hướng phát triển kỹ thuật tương lai.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống tri thức dựa trên các nền tảng khoa học:

• Lý thuyết công nghệ nhóm (Group Technology) và công nghệ điển hình: Cơ sở phân loại chi tiết gia công thành các họ chi tiết tương đồng về hình học và quy trình công nghệ nhằm tối ưu hóa việc bố trí máy và trang bị công nghệ.
• Nguyên lý linh hoạt hóa sản xuất: Phương pháp luận kết hợp giữa năng suất của dây chuyền tự động hóa cứng với tính linh hoạt của sản xuất đơn chiếc/loạt nhỏ (chiếm 80% sản xuất công nghiệp).
• Lý thuyết điều khiển phân cấp và dòng thông tin: Mô hình trao đổi dữ liệu hai chiều giữa các máy CNC, cảm biến, thiết bị vận chuyển với hệ thống máy tính trung tâm thông qua mạng LAN cục bộ.

Kỹ năng phát triển

Tài liệu hướng đến rèn luyện các nhóm năng lực kỹ thuật và phân tích:

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Lập trình thao tác rôbốt công nghiệp bằng tập lệnh MCL; thiết lập quy trình thay đổi dụng cụ tự động và chu trình cấp phôi bằng cơ cấu vệ tinh.
• Kỹ năng phân tích và tính toán (Analytical skills): Tính toán khối lượng gia công hàng năm ($T_{nhóm}$), nhịp sản xuất ($T$), số lượng máy công cụ CNC cần thiết ($n_{sb}, n_{tính}, n_{qui,tròn}$), tính toán dung lượng kho chứa dụng cụ ($Z_d$) và năng suất thiết bị nâng catset ($G$).
• Năng lực thực hành hệ thống (Practical competencies): Đọc hiểu, phân tích sơ đồ công nghệ FMS/CIM; lựa chọn cấu trúc kho chứa tự động và thiết bị phụ trợ phù hợp với mặt bằng xưởng chế tạo cơ khí.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach)

Bài giảng áp dụng phương pháp tiếp cận từ dưới lên (bottom-up), kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết hệ thống và kỹ thuật tính toán thiết kế. Mỗi chương học đều được quy định rõ ràng chỉ tiêu thời lượng (lý thuyết, thảo luận, bài tập) và mục tiêu đầu ra về kiến thức - kỹ năng.

Tiến trình đào tạo trong bài giảng:
[Khái niệm & Chỉ số linh hoạt] 

Bài tập và bài toán kỹ thuật mẫu

Giáo trình tích hợp hệ thống bài tập kỹ thuật có lời giải chi tiết, phục vụ trực tiếp việc rèn luyện kỹ năng tính toán:

1. Bài toán xác định số máy CNC cho 4 chi tiết điển hình: Xử lý ma trận thời gian gia công của 4 chi tiết ($A, B, C, D$) trên 3 loại máy (phay CNC 3 tọa độ, khoan CNC, trung tâm gia công 5 tọa độ) với sản lượng $N = 12.000$ chiếc/năm. Thông qua việc tính nhịp sản xuất $T = 18$ phút và thời gian trung bình $T_{tb}$, bài giảng hướng dẫn sinh viên tính toán và quy tròn số máy thực tế cần trang bị (4 máy phay, 1 máy khoan, 2 trung tâm gia công).
2. Bài toán phân nhóm chi tiết và tính số máy sơ bộ: Phân tích 4 nhóm chi tiết gồm 87 chủng loại với tổng khối lượng gia công hàng năm $159.907$ giờ, áp dụng hệ số $k = 1/6$ và quỹ thời gian $\Phi = 3360$ giờ để tính ra số máy sơ bộ $n_{sb} = 7,28$ máy.

Phương pháp đánh giá và tự học

• Đánh giá quá trình: Dựa trên kết quả giải bài tập tính toán thiết bị, tham gia thảo luận phân tích các sơ đồ bố trí mặt bằng FMS thực tế (như sơ đồ hãng Scharmann hay Jamazaki).
• Đánh giá kết thúc: Kiểm tra mức độ nắm vững lý thuyết hệ thống, khả năng thiết lập cấu trúc điều khiển và viết chương trình lệnh cho robot công nghiệp.
• Hướng dẫn tự học: Cuối mỗi chương đều có hệ thống câu hỏi ôn tập định hướng sinh viên tự hệ thống hóa kiến thức (ví dụ: so sánh dây chuyền tự động cứng với FMS, phân loại magazin và cơ cấu vệ tinh).

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Tích hợp các hình thái tổ chức sản xuất công nghiệp quốc tế: Bài giảng đưa vào giảng dạy các mô hình sản xuất hiện đại như Lean Production của Nhật Bản và mô hình Fractal Fabrication của CHLB Đức, gắn kết lý thuyết chế tạo máy với quản trị sản xuất tinh gọn và hợp tác mạng lưới liên hiệp xí nghiệp.
• Cung cấp dữ liệu thực tế từ các đề án và tập đoàn công nghiệp: Giáo trình trích dẫn dữ liệu lịch sử và kỹ thuật từ các dự án lớn như ICAM (Mỹ - tự động hóa chế tạo thân máy bay trị giá hàng trăm triệu USD kết hợp dự án tàu vũ trụ IDAD), tổ chức nghiên cứu quốc tế CAM-I (thành lập năm 1972 với hơn 100 hãng công nghiệp và trường đại học tham gia), cùng các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cụ thể (ứng dụng FMS tại Tây Âu và Nhật Bản giúp tăng hệ số sử dụng máy lên $2 \div 3$ lần, tăng khả năng hoàn vốn máy $80 \div 200%$, giảm thời gian phục vụ $60 \div 70%$, giảm giá thành lao động sống tới $80%$).
• Minh họa các mô hình đào tạo FMS/CIM trên thế giới: Tài liệu đưa vào các hình ảnh, sơ đồ hệ thống CIM đang vận hành tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật quốc tế như CIM Brazil (Senai CFP-FR-1), CIM Israel (TelAviv College), CIM Malaysia (Politeknik Johor Bahru), và tại Việt Nam (CIM Thang Long College Hanoi).

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

Nhóm đối tượng	Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites)	Mục đích sử dụng
Sinh viên đại học/cao đẳng (Năm 3, Năm 4) Ngành Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử	- Công nghệ Chế tạo máy - Máy điều khiển số CNC - Cơ sở Rôbốt công nghiệp - Kỹ thuật điều khiển PLC/Vi xử lý	Học tập học phần FMS/CIM, làm đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp thiết kế hệ thống sản xuất tự động.
Học viên cao học Chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí	- Lý thuyết điều khiển tự động nâng cao - Tối ưu hóa quá trình sản xuất	Nghiên cứu mô hình hóa dòng vật tư, tối ưu hóa năng suất trạm gia công và điều khiển phân cấp CIM.
Giảng viên chuyên ngành	- Kiến thức tổng thể về CAD/CAM/CNC/FMS	Sử dụng làm bài giảng chuẩn, xây dựng ngân hàng bài tập tính toán thiết kế và đề tài thảo luận.
Kỹ sư sản xuất / Tự động hóa	- Vận hành nhà xưởng cơ khí, máy CNC	Tài liệu tham khảo tính toán nhu cầu thiết bị, dung lượng kho dao và bố trí mặt bằng tự động hóa.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho sinh viên đại học, học viên cao học thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Công nghệ Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp; đồng thời là tài liệu tra cứu cho giảng viên và kỹ sư thiết kế xưởng cơ khí tự động.

2. Cần kiến thức nền nào để học giáo trình này?

Người học cần hoàn thành các môn học cơ sở kỹ thuật chế tạo máy, nguyên lý cắt gọt kim loại, cấu tạo và lập trình máy công cụ CNC, lý thuyết cơ cấu rôbốt công nghiệp và kiến thức cơ bản về điều khiển logic khả trình (PLC).

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu khác là gì?

Giáo trình tập trung sâu vào phương pháp luận tính toán định lượng các thành phần vật lý của FMS (tính số lượng máy CNC từ nhịp sản xuất và chi tiết điển hình, xác định dung lượng magazin trung tâm, tính số lỗ gá và năng suất catset nâng, phân cấp tải trọng robot), đi kèm cú pháp lập trình điều khiển rôbốt bằng ngôn ngữ MCL thay vì chỉ mô tả khái niệm chung.

4. Làm sao để tự học giáo trình hiệu quả?

Người học nên bám sát mục tiêu và hệ thống câu hỏi ôn tập ở từng chương, thực hiện lại toàn bộ các bước giải của bài tập mẫu tính toán thành phần thiết bị tại Chương 2, kết hợp đối chiếu các sơ đồ cấu trúc FMS của các hãng Scharmann, Jamazaki với lý thuyết tích hợp hệ thống CIM ở Chương 6.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Tài liệu cung cấp bảng danh mục thuật ngữ viết tắt chuẩn quốc tế (CAD, CAM, CAPP, CAQC, CIM, CNC, FMS, IR, NC) ở phần đầu và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành tại trang 100 để người đọc tra cứu mở rộng.

---

Kết luận

Bài giảng Hệ thống sản xuất linh hoạt - FMS và Hệ thống sản xuất tích hợp - CIM của Khoa Điện - Cơ, Trường Đại học Hải Phòng là tài liệu học thuật hoàn chỉnh, cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật tính toán thiết kế các hệ thống sản xuất tự động hóa hiện đại. Giá trị cốt lõi của tài liệu nằm ở tính hệ thống, phương pháp tính toán định lượng rõ ràng và nguồn dẫn chứng kỹ thuật xác thực từ nền công nghiệp chế tạo thế giới.

Lộ trình học tập khuyến nghị cho người học là tiếp cận tuần tự từ nguyên lý linh hoạt hóa (Chương 1) $\rightarrow$ tính toán tế bào gia công CNC (Chương 2) $\rightarrow$ thiết kế hệ thống vận chuyển, kho bãi và rôbốt (Chương 3) $\rightarrow$ tổ chức kiểm tra, mạng điều khiển (Chương 4, 5) $\rightarrow$ tích hợp toàn diện hệ thống CIM (Chương 6), kết hợp tra cứu các tài liệu tham khảo chuyên ngành được liệt kê để mở rộng chuyên môn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible manufacturing systems) - viết tắt là FMS đóng một vai trò hết sức quan trọng trong nền sản xuất hiện đại. Sự kết nối các hệ thống tự động riêng lẻ thành một hệ thống duy nhất với sự trợ giúp của mạng máy tính nội bộ cho phép tăng năng suất lao động của các nhà máy thiết kế, các nhà máy công nghệ và các nhà tổ chức sản xuất và do đó nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các hệ thống như vậy được gọi là hệ thống sản xuất tích hợp có trợ giúp của máy tính (Computer Itergrated Manufacturing) - viết tắt là CIM. Trên thế giới hiện nay nhiều nước phát triển đang ứng dụng rộng rãi hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và sản xuất tích hợp CIM và cho ra đời nhiều sản phẩm có chất lượng và năng suất rất cao.

Tuy nhiên ở Việt Nam vì điều kiện kinh tế còn nghèo nên sản xuất tự động mới ở giai đoạn đầu của sự phát triển. Tuy vậy để hoàn thành sự nghiệp công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước thì việc nghiên cứu và ứng dụng các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS đã và đang được quan tâm đặc biệt. Tập bài giảng gồm sáu chương với 100 trang đã trình bày tổng quan về hệ thống sản xuất linh hoạt, nguyên tắc thiết lập hệ thống sản xuất linh hoạt. Từ đó đi sâu vào nghiên cứu các thành phần cơ bản của FMS, xác định thành phần các thiết bị trong FMS.

Tuy nhiên vì đây là tập bài giảng được biên soạn lần đầu nên chắc hẳn không tránh khỏi có thiếu sót. Rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp để bài giảng hoàn thiện hơn. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN (Lý thuyết: 3; Thảo luận: 1; Kiểm tra:0;) A. Mục tiêu: - Kiến thức : Cung cấp cho người học các khái niệm cơ bản về hệ thống sản xuất hiện đại FMS như: cấu trúc của FMS; phân loại các FMS; nguyên tắc thiết lập hệ thống FMS và một số hệ thống FMS các nước trên thế giới.

- Kỹ năng : Sau khi học xong chương này người học có thể hiểu được cấu trúc của FMS và các thành phần cấu tạo nên hệ thống FMS, trên cơ sở kiến thức đó kết hợp với các môn học đã học như Rô bốt, Máy tự động CNC, PLC. người học có thể nghiên cứu thiết kế một số hệ thống sản xuất linh hoạt để gia công các loại chi tiết điển hình. VỊ TRÍ CỦA FMS TRONG QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY Xu thế phát triển của công nghệ cao trong ngành Chế tạo máy được biểu diễn theo sơ đồ sau: 4.0 (Trang bị công nghệ : Higt Tech, C Tech) Theo đồ thị trên trục hoành biểu diễn thời gian, có thể thấy phía trên trục hoành là sự ra đời của trang thiết bị còn phía dưới trục hoành là công cụ hỗ trợ như C-Tech, Hight-Tech tương ứng. Các hình thái tổ chức sản xuất tiên tiến ra đời thế kỷ XXI trên thế giới là Learn Production và Fractal Fabrication.

8 Learn Production (Nhật): Sản xuất ra của cải vật chất theo mô hình các xí nghiệp vừa và nhỏ. + Tổng số công nhân: 250 người. + Tổng số vốn cố định: 2,5 triệu USD. + Thiết bị công nghệ: High Tech + Doanh số hàng năm: 10 ÷ 100 triệu USD.

Fractal Fabrication (Đức): + Đầu ra của nhà máy này là đầu vào của nhà máy kia và phải đảm bảo chất lượng sản phẩm, thuận tiện cho việc đầu tư – tự động hóa, nâng cao chất lượng % năng suất.  Từ đó tạo thành liên hiệp xí nghiệp trong hệ thống pháp lý khoa học. + Hình thức sử dụng lao động “Team work” là một tập hợp các đội chuyên môn nhuần nhuyễn, có tinh thần hợp tác xã hội cao. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA FMS Một trong những hướng phát triển của nền công nghiệp là thiết lập các hệ thống sản xuất, nối kết năng suất của dây chuyền tự động hoá cứng với tính linh hoạt mà trước đây chỉ được tạo ra bởi lao động của con người.

Một trong những nguyên nhân của vấn đề nêu trên là sản xuất đơn chiếc và sản xuất loạt nhỏ chiếm tới 80% khối lượng của sản xuất công nghiệp. Các cơ cấu chính của FMS cũng đã được thiết kế từ lâu. Một số cơ cấu này đã được chế tạo và sử dụng vào đầu những năm 70, (đương nhiên là ở trình độ phát triển công nghiệp thời kỳ đó). Tuy nhiên, chỉ vào tháng 11 năm 1978 trong tạp chí “IRON AGE” đã đăng bài báo đầu tiên về “tính linh hoạt của sản xuất”, người ta mới có ý tưởng về triển vọng của gia công cơ khí.

Chỉ sau khi công nhận kết quả nghiên cứu của hãng “Koman” (Italia) về ba trung tâm gia công được sử dụng ở nhà máy “General Motors” để chế tạo bánh răng và trục ô tô và với hàng loạt hệ thống do các hãng của Nhật Bản chế tạo thì hệ thống sản xuất linh hoạt FMS mới được sử dụng rộng rãi. Tháng 10 năm 1982 tại hội nghị quốc tế về hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ở thành phố Braitons (Anh) người ta không chỉ đề cập đến vấn đề thiết lập các hệ thống sản xuất linh hoạt mà còn đề cập đến sản xuất tích hợp có trợ giúp của máy tính CIM. Trong CIM chức năng thiết kế và chế tạo được gắn kết với nhau, cho 9 phép tạo ra sản phẩm nhanh chóng bằng các qui trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả. Các thiết bị sản xuất tự động và các máy riêng biệt được nối kết với các thiết bị truyền tải thông tin tạo thành một hệ thống nhất, cho phép khép kín chu trình chế tạo sản phẩm.

NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ FMS FMS - Flexible manufactruring systems- là hệ thống sản xuất linh hoạt. Thuật ngữ này chỉ những hệ thống sản xuất có tính linh hoạt cao. Để có tính linh hoạt cao, một hệ thống sản xuất phải được tự động hoá. Vì lẽ đó, muốn hiểu rõ về FMS ta cần nắm vững một số khái niệm cơ bản của FMS : - Tự động hoá sản xuất.

- Tính linh hoạt của hệ thống sản xuất. - Các máy, thiết bị tự động của hệ thống. - Tổ chức sản xuất của hệ thống FMS. Tự động hóa quá trình sản xuất Tự động hoá sản xuất là sự thay thế sức lao động về cơ bắp và về trí tuệ trong điều khiển của con người trong quá trình sản xuất bằng những máy móc, thiết bị tự động.

Con người chỉ có nhiệm vụ theo dõi, giám sát hoặc thực hiện việc chuẩn bị công nghệ và cấp - tháo phôi theo chu kỳ cho máy. Tự động hoá sản xuất được chia thành: Tự động hoá từng phần và Tự động hoá toàn phần. Tự động hóa từng phần Tự động hoá từng phần là tự động hoá từng nguyên công riêng biệt. Thông thường nó được ứng dụng trong những nguyên công gây nguy hiểm cho con người hoặc trong điều kiện kinh tế của cơ sở chưa cho phép tự động toàn phần.

Tự động hóa toàn phần Tự động hoá toàn phần là tự động hoá mọi công đoạn của quá trình sản xuất trên cơ sở các phương pháp công nghệ tiên tiến và các phương pháp điều khiển có sự trợ giúp của máy tính. Tính linh hoạt của hệ thống sản xuất Tính linh hoạt của hệ thống sản xuất là mức độ và khả năng thích ứng với chế tạo nhiều loại sản phẩm khác nhau một cách nối tiếp hoặc song song. Mức độ linh hoạt ML của hệ thống được xác định theo công thức: 10 Ld ML = Ly Trong đó: Lđ - tính linh hoạt đạt được; Ly - tính linh hoạt yêu cầu. Nếu ML = 1 thì tính linh hoạt hoàn toàn thoả mãn.

Nếu ML >1 thì hệ thống thừa tính linh hoạt. Nếu ML < 1 thì chỉ có một số sản phẩm của hệ thống được chế tạo trong điều kiện tối ưu. Tính linh hoạt của hệ thống phụ thuộc vào hai yếu tố: yếu tố kỹ thuật & yếu tố tổ chức. Tính linh hoạt của hệ thống bao gồm: - Tính linh hoạt của máy.

- Tính linh hoạt của quá trình. - Tính linh hoạt đối với sản phẩm. - Tính linh hoạt theo tiến trình. - Tính linh hoạt theo khối lượng sản phẩm.

- Tính linh hoạt theo qui mô mở rộng sản xuất. - Tính linh hoạt theo chủng loại sản phẩm. Đối với một hệ thống thì tính linh hoạt hợp lý là tốt nhất. Nó cho phép giảm chi phí chế tạo sản phẩm trong thời gian dài.

Máy tự động công nghệ Máy tự động công nghệ là máy mà chu trình hoạt động của nó được thực hiện không có sự tham gia của con người. Mô đun sản xuất linh hoạt Mô đun sản xuất linh hoạt là đơn vị thiết bị có điều khiển theo chương trình để chế tạo các sản phẩm bất kỳ trong một thời gian nào đó. Thiết bị này thực hiện một cách tự động tất cả các chức năng có liên quan đến chế tạo sản phẩm và có khả năng hoạt động trong FMS. Rôbôt công nghiệp Rôbôt công nghiệp là một máy tự động đứng yên hay di động, nó gồm một cơ cấu chấp hành dưới dạng tay máy.

Rôbôt công nghiệp có một số bậc tự do và một cơ cấu điều khiển để thực hiện chức năng di chuyển trong quá trình sản xuất. Tổ hợp rôbôt công nghệp Tổ hợp Rôbôt công nghệ là toàn bộ một thiết bị công nghệ, một rôbôt công nghiệp và các thiết bị khác để thực hiện các chu kỳ lặp lại một cách tự động. Tự động hóa sản xuất linh hoạt Tự động hoá sản xuất linh hoạt dựa trên công nghệ nhóm & công nghệ điển hình với việc sử dụng các máy và các thiết bị tự động trong hệ thống sản xuất nhằm điều chỉnh nhanh quá trình sản xuất để tạo ra sản phẩm mới trong phạm vi thiết bị kỹ thuật và phạm vi điều khiển của thiết bị công nghệ đó. Hệ thống sản xuất linh hoạt Hệ thống sản xuất linh hoạt là tổ hợp bao gồm các máy CNC, các thiết bị tự động, các mô đun sản xuất linh hoạt, các thiết bị công nghệ riêng lẻ và các hệ thống đảm bảo chức năng hoạt động với chế độ tự động trong khoảng thời gian nhất định, cho phép tự động điều chỉnh để chế tạo các sản phẩm bất kỳ trong một giới hạn nào đó.

Dây chuyền tự động linh hoạt Dây chuyền tự động linh hoạt là FMS mà trong đó các thiết bị công nghệ được lắp theo trình tự các nguyên công đã được xác định.