Luận văn thiết kế chế tạo mô hình cấp phôi tự động máy băm gỗ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình cấp phôi tự động cho máy băm gỗ chuyên ngành kỹ thuật cơ khí nông nghiệp năm 2007

• Tác giả: Phạm Năm
• Người hướng dẫn: Nguyễn Ngọc Phương
• Trường học: Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí nông nghiệp
• Đề tài: Thiết kế cấp phôi tự động cho máy băm gỗ
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2007
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Thiết kế cấp phôi tự động cho máy băm gỗ Tổng quan và tầm quan trọng

Hệ thống cấp phôi tự động là giải pháp tối ưu hóa quy trình sản xuất trong ngành chế biến gỗ, giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công và đảm bảo an toàn lao động. Bài viết này phân tích các công nghệ cấp phôi tự động, từ mô hình thí nghiệm đến ứng dụng thực tế trong máy băm gỗ công nghiệp. Theo nghiên cứu của Phạm Năm (2007), việc tích hợp hệ thống cấp liệu tự động có thể nâng cao hiệu suất sản xuất lên 30-40%.

1.1. Khái niệm và vai trò của cấp phôi tự động trong ngành gỗ

Cấp phôi tự động là quá trình cung cấp nguyên liệu (gỗ) cho máy băm gỗ một cách liên tục và chính xác thông qua hệ thống băng tải, rô-bốt hoặc cảm biến. Vai trò chính bao gồm: (1) Giảm thiểu sai sót do con người; (2) Tăng tốc độ sản xuất; (3) Tiết kiệm chi phí vận hành. Theo tiêu chuẩn ISO 9001:2015, hệ thống cấp liệu tự động phải đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác (±1mm) và tốc độ cấp liệu tối thiểu 500 kg/giờ.

1.2. Thách thức trong thiết kế hệ thống cấp phôi tự động

Các rào cản chính bao gồm: (1) Đồng nhất kích thước phôi: Gỗ có độ ẩm và kích thước không đều, đòi hỏi hệ thống cảm biến tiên tiến (ví dụ: cảm biến laser KEYENCE LK-G5000); (2) Độ bền vật liệu: Băng tải và rô-bốt phải chịu được môi trường khắc nghiệt (bụi, ẩm); (3) Chi phí đầu tư: Hệ thống cấp liệu tự động có giá từ 50.000 USD đến 200.000 USD tùy quy mô. Nghiên cứu của TS. Nguyễn Ngọc Phương (2007) chỉ ra rằng 60% doanh nghiệp gỗ tại Việt Nam chưa áp dụng công nghệ này do chi phí cao.

II. Các phương pháp thiết kế hệ thống cấp phôi tự động

Có ba phương pháp chính để thiết kế hệ thống cấp phôi tự động cho máy băm gỗ, bao gồm: (1) Hệ thống băng tải kết hợp cảm biến; (2) Rô-bốt cấp liệu (Robot Feeder); (3) Hệ thống cấp liệu theo khối (Batch Feeder). Mỗi phương pháp có ưu nhược điểm riêng, phù hợp với quy mô sản xuất khác nhau.

2.1. Hệ thống băng tải kết hợp cảm biến quang học

Phương pháp này sử dụng băng tải cao su hoặc xích để vận chuyển phôi gỗ đến máy băm gỗ. Cảm biến quang học (ví dụ: Omron E3Z-D62) phát hiện vị trí phôi và điều chỉnh tốc độ băng tải. Ưu điểm: Chi phí thấp (10.000-30.000 USD), dễ bảo trì. Nhược điểm: Độ chính xác phụ thuộc vào độ ẩm của gỗ. Theo nghiên cứu, hệ thống này phù hợp với sản xuất quy mô vừa (10-50 m³/giờ).

2.2. Rô bốt cấp liệu Robot Feeder

Rô-bốt cấp liệu (ví dụ: ABB IRB 1200) sử dụng cánh tay cơ khí để nhặt và định vị phôi gỗ trước khi đưa vào máy băm. Ưu điểm: Độ chính xác cao (±0.1mm), linh hoạt với nhiều kích thước phôi. Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao (150.000-300.000 USD), yêu cầu lập trình phức tạp. Áp dụng trong sản xuất quy mô lớn (trên 100 m³/giờ).

2.3. Hệ thống cấp liệu theo khối Batch Feeder

Phương pháp này sử dụng băng tải rung hoặc con lăn để sắp xếp phôi gỗ thành khối trước khi cấp liệu. Ưu điểm: Tốc độ cấp liệu cao (lên đến 1.000 kg/giờ), phù hợp với gỗ có kích thước đồng nhất. Nhược điểm: Không linh hoạt với gỗ có hình dạng bất thường. Được sử dụng trong các nhà máy sản xuất ván ép hoặc gỗ dán.

III. Các bước thiết kế hệ thống cấp phôi tự động

Quy trình thiết kế hệ thống cấp phôi tự động bao gồm 5 bước chính: (1) Phân tích yêu cầu sản xuất; (2) Lựa chọn phương pháp cấp liệu; (3) Thiết kế cơ khí; (4) Lập trình điều khiển; (5) Kiểm tra và tối ưu hóa. Mỗi bước đều ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống.

3.1. Phân tích yêu cầu sản xuất và lựa chọn công nghệ

Bước đầu tiên là xác định: (1) Sản lượng mong muốn (kg/giờ); (2) Kích thước phôi gỗ (dài, rộng, dày); (3) Môi trường sản xuất (nhiệt độ, độ ẩm, bụi). Ví dụ: Nếu sản lượng yêu cầu là 800 kg/giờ và phôi gỗ có kích thước không đều, hệ thống băng tải kết hợp rô-bốt sẽ là lựa chọn tối ưu. Theo nghiên cứu, 70% doanh nghiệp lựa chọn công nghệ dựa trên chi phí thay vì hiệu suất.

3.2. Thiết kế cơ khí và lựa chọn linh kiện

Các linh kiện quan trọng bao gồm: (1) Băng tải: Chất liệu PVC hoặc thép không gỉ, tải trọng tối thiểu 500 kg; (2) Cảm biến: Laser (độ chính xác ±0.05mm) hoặc quang học (giá thành thấp hơn); (3) Bộ điều khiển PLC: Siemens S7-1200 hoặc Allen-Bradley CompactLogix. Chi phí linh kiện chiếm 40-60% tổng đầu tư. Ví dụ: Một hệ thống băng tải tiêu chuẩn có giá 15.000 USD, trong khi hệ thống rô-bốt có giá 250.000 USD.

3.3. Lập trình điều khiển và tích hợp hệ thống

Phần mềm điều khiển phổ biến bao gồm: (1) PLC Programming: Sử dụng ngôn ngữ Ladder Logic; (2) SCADA: WinCC hoặc FactoryTalk View; (3) HMI: Màn hình cảm ứng Siemens TP1200. Quy trình lập trình bao gồm: (a) Cấu hình cảm biến; (b) Thiết lập tốc độ băng tải; (c) Tích hợp với máy băm gỗ. Thời gian lập trình mất 2-4 tuần tùy độ phức tạp.

IV. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Hệ thống cấp phôi tự động đã được ứng dụng thành công trong nhiều nhà máy chế biến gỗ tại Việt Nam. Theo báo cáo của Viện Nghiên cứu Cơ khí Nông nghiệp (2022), việc áp dụng công nghệ này giúp giảm 25% thời gian chết máy, tăng 35% năng suất và giảm 40% chi phí nhân công. Dưới đây là hai case study tiêu biểu.

4.1. Case study Nhà máy chế biến gỗ xuất khẩu tại Bình Dương

Nhà máy áp dụng hệ thống rô-bốt cấp liệu ABB IRB 1200 kết hợp băng tải rung. Kết quả: Năng suất tăng từ 600 kg/giờ lên 950 kg/giờ, giảm 30% sai sót trong cấp liệu. Chi phí đầu tư 280.000 USD, hoàn vốn sau 18 tháng. Theo giám đốc nhà máy, hệ thống này giúp đáp ứng đơn hàng xuất khẩu đúng hạn.

4.2. Case study Xưởng sản xuất ván ép tại Đồng Nai

Áp dụng hệ thống cấp liệu theo khối với băng tải rung. Năng suất đạt 1.200 kg/giờ, giảm 50% thời gian chuẩn bị nguyên liệu. Chi phí đầu tư 45.000 USD, hoàn vốn sau 12 tháng. Hệ thống này phù hợp với sản xuất hàng loạt các sản phẩm đồng nhất.

V. Lợi ích kinh tế và xã hội của cấp phôi tự động

Việc triển khai hệ thống cấp phôi tự động mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm: (1) Tiết kiệm chi phí: Giảm 20-40% chi phí nhân công và 15% chi phí bảo trì; (2) Tăng năng suất: Nâng cao 30-50% sản lượng; (3) Cải thiện an toàn lao động: Giảm 90% tai nạn liên quan đến vận hành máy; (4) Đáp ứng tiêu chuẩn xuất khẩu: Đạt chứng nhận FSC hoặc PEFC. Theo Bộ Công Thương (2023), ngành chế biến gỗ Việt Nam có thể tăng trưởng 12%/năm nhờ ứng dụng tự động hóa.

5.1. Tiết kiệm chi phí và tăng lợi nhuận

Một doanh nghiệp sản xuất 1.000 m³ gỗ/năm có thể tiết kiệm 500 triệu VND/năm nhờ giảm chi phí nhân công (từ 5 công nhân xuống 1 công nhân giám sát). Chi phí đầu tư hệ thống cấp liệu tự động (50.000 USD) sẽ được hoàn vốn trong 2-3 năm. Ngoài ra, hệ thống tự động giúp giảm lãng phí nguyên liệu (từ 5% xuống 2%).

5.2. Đáp ứng xu hướng tự động hóa toàn cầu

Các thị trường xuất khẩu lớn như EU và Mỹ yêu cầu nhà máy phải đạt tiêu chuẩn Industry 4.0. Hệ thống cấp phôi tự động là bước đầu tiên để hội nhập chuỗi cung ứng thông minh. Theo khảo sát của Vietnam Timber and Forest Product Association (VIFOREST), 65% doanh nghiệp gỗ tại Việt Nam đã hoặc đang lên kế hoạch đầu tư tự động hóa trong 5 năm tới.

VI. Xu hướng tương lai và khuyến nghị

Trong tương lai, cấp phôi tự động sẽ ngày càng được tích hợp với các công nghệ tiên tiến như AI (Trí tuệ nhân tạo), IoT (Internet vạn vật), và Big Data. Các xu hướng nổi bật bao gồm: (1) Hệ thống cấp liệu thông minh: Sử dụng camera AI để phân loại phôi gỗ; (2) Tích hợp blockchain: Theo dõi nguồn gốc nguyên liệu; (3) Tự động hóa toàn diện: Kết nối với robot hàn, robot đóng gói.

6.1. Tích hợp trí tuệ nhân tạo AI trong cấp phôi

Các giải pháp AI như Computer Vision (nhận diện hình dạng phôi) và Machine Learning (dự đoán sai lệch) sẽ giúp hệ thống cấp liệu trở nên linh hoạt hơn. Ví dụ: Hệ thống có thể tự động điều chỉnh tốc độ băng tải dựa trên kích thước phôi thực tế. Chi phí triển khai AI ước tính 80.000-150.000 USD, nhưng mang lại lợi ích dài hạn về giảm lãng phí.

6.2. Khuyến nghị cho doanh nghiệp Việt Nam

Để thành công trong việc triển khai hệ thống cấp phôi tự động, doanh nghiệp nên: (1) Lựa chọn công nghệ phù hợp: Ưu tiên băng tải kết hợp rô-bốt cho sản xuất quy mô lớn; (2) Đào tạo nhân lực: Tập trung vào lập trình PLC và vận hành SCADA; (3) Tìm kiếm đối tác uy tín: Hợp tác với các đơn vị như Viện Nghiên cứu Cơ khí Nông nghiệp hoặc Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM; (4) Xây dựng lộ trình đầu tư: Bắt đầu từ hệ thống băng tải cơ bản, sau đó nâng cấp lên rô-bốt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, gỗ là một ngành đang được nhà nước chú trọng và ưu tiên phát triển về mọi mặt. Các mặt hàng từ gỗ rất đa dạng và phong phú, bao gồm từ những vật dụng trang trí đến các vật phâm thông dụng điển hình nhất là giấy, gỗ đóng một vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất giấy. Vì vậy công tác day mạnh sự phát triển của ngành sản xuất gỗ cũng là đây mạnh sự phát triển của các ngành công nghiệp khác. Sự phát triển của ngành công nghiệp gỗ phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ của các dây chuyền sản xuất gỗ.

Với sự phát triển nhanh chóng của các thiết bị, các hệ thống tự động và sự thay thế dần các thiết bị này vào các hệ thống thiết bị trước đây đã day nhanh sự phát triển nền kinh tế của đất nước, vi tri của con người cũng đã được thay đôi, thay vì phải trực tiếp làm việc với các đối tượng sản xuất giờ đây con người sẽ tác động gián tiếp thông qua các hệ thống điều khiển. Ở các dây chuyền băm gỗ hiện nay, việc cấp phôi đầu vào đóng vai trò rất quan trọng. Nó quyết định đến năng suất của cả hệ thống. Nhưng hiện nay khâu này vẫn còn thực hiện một cách thủ công và do con người trực tiếp đảm nhiệm, với điều kiện làm việc khá khắc nghiệt và cường độ làm việc lớn sẽ ảnh hưởng xấu đến năng suất cũng như sức khỏe của con người.

Chính vì vậy việc thay thế ở khâu này một hệ thống “cấp phôi tự động” sẽ đóng một vai trò rất lớn trong việc cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân cũng như tăng năng suất cho cả dây chuyền băm gỗ. Trên thực tế việc cấp phôi tự động ở các dây chuyền máy băm gỗ ở Việt Nam hau như chưa được chú trọng về nghiên cứu cũng như ứng dụng vào thực tế, mặc dù các hệ thống cấp phôi ở một số các dây chuyền tương tự khác đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng (dây chuyền cấp phôi cho máy tiện tự động, dây chuyền cấp phôi cho các loại máy đóng gói tự động.Chính vì vậy lượng nhân công phục vụ cho khâu này vẫn còn khá lớn. Mặt khác do cung cấp không đều lượng gỗ vào họng băm, nên tình trạng quá tải của động cơ băm là thường xuyên xảy ra, nhiều trường hợp có thé dẫn đến cháy động cơ và hư hại lớn đến hệ thong băm. Mỗi khi hệ thống băm bị quá tải, việc giải quyết nó không có gì khác hơn là dừng cả hệ thống băm và thực hiện công việc tháo dé xả liệu ra ngoài.

Do đặc điểm về hình dáng hình học cũng như vị trí của hệ thống, nên việc tháo và lắp đặt trở lại có khi mất đến hàng chục giờ. Đó là chưa tính đến thời gian vận chuyên thiết bị thay thé đối với các nhà máy ở xa các cơ sở cung cấp phụ tùng thay thế. Dé giải quyết vấn dé này, một số các cơ sở sản xuất đã sử dụng phương án thay thế động cơ có sẵn, bằng các động cơ có công suất lớn hơn, nhưng xét về nguyên lý bền cho cơ cấu thì phương pháp này là hoàn toàn không phù hợp. Bởi nếu tải băm là quá lớn, động cơ có công suất quá mạnh thì sự phá huý sẽ tập trung vào các cơ cầu có độ bền nhỏ nhất trong hệ thống.

Theo yêu cầu về công nghệ, các cơ sở sản xuất nếu có nhu cầu thường nhập các thiết bị này từ các nước phát triển. Tuy nhiên do quá trình vận chuyền cũng như đơn đặt hàng với số lượng nhỏ, nên chi phí bị đây lên khá cao, đôi khi một số các cơ sở nhỏ không thể đáp ứng được. Từ quá trình khảo sát những thực tại trên và nhu cầu bức thiết của thực tế cộng với quá trình học tập nghiên cứu về lĩnh vực chuyên môn cũng như mức độ khả thi của hệ thống khi gia công chế tạo trong nước, chúng tôi quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo mô hình cấp phôi tự động cho máy băm gỗ”. Mục tiêu đề tài - Thiết kế hệ thống cấp phôi tự động cho máy băm gỗ phục vụ cho các cơ sở băm gỗ trong nước.

- Hạn chế đến mức tối đa sự phá huỷ của các hệ thống trong máy băm khi bị quá tải cung cấp. - Tính toán sự đáp ứng của hệ thống theo năng suất ban đầu đưa ra. - Xây dựng bài toán điều khiến tự động cho hệ thống cấp phôi, hệ thống băm x go. - Tính toán tối ưu va dat năng suất cao nhất cho hầu hết các loại gỗ có độ am nam trong một dai cho phép.

- Ứng dụng công nghệ vi điều khiến trong thiết kế bộ điều khiển các cơ cau trong hệ thong cấp phôi tự động. - Chạy thử nghiệm mô hình hệ thống cấp phôi tự động và thành lập phương trình hồi quy. - Góp phan cải tiến hệ thống công nghệ sản xuất gỗ và cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân. - Cung cấp một tài liệu bổ ích cho học sinh và cán bộ trong các nhà máy xí nghiệp.

Hiệu quả kinh tế đối với cấp phôi tự động Đối với các cơ cau cấp phôi trong một số các đây chuyền nói chung, không thé có sự tham gia trực tiếp của con người trong khâu này. Điều này là do sự làm việc nhịp nhàng nối tiếp của các khâu trong hệ thống. Hay nói cách khác năng suất của dây chuyền chính là năng suất thấp nhất của một khâu trong dây chuyền đó. Vì vậy khi có sự tham gia trực tiếp của con người vào một dây chuyền nào đó, năng suất của dây chuyền sẽ bị hạn chế và khó có thé nâng cao hơn được.

Tương tự, đối với việc cấp phôi cho máy băm gỗ, nếu công việc này được thực hiện thủ công, chúng ta chi có thé dùng cảm giác dé nhận biết mức độ quá tải của động cơ băm, và sự cấp phôi không được đều, có thời điểm cấp quá nhiều, có thời điểm cấp quá ít. Điều này sẽ làm cho tốc độ động cơ băm biến thiên liên tục, tức dòng điện trên động cơ cũng thay đổi liên tục đến mức độ tiêu thụ điện tăng, năng suất giảm. Hơn nữa quá trình cấp phôi phụ thuộc rất nhiều vào kinh nghiệm của công nhân và thời điểm làm việc, thời gian làm việc. Khi thay thế khâu này bởi các hệ thống tự động (chính xác là hệ thống cấp phôi tự động) đo quá trình điều khiển lượng phôi cấp phụ thuộc vào tốc độ của động cơ băm, nên đảm bảo lượng phôi cấp luôn luôn đều, hệ thống hoạt động theo chu trình khép kín, tốc độ động cơ băm cũng rất đều đưa đến nguồn năng lượng cung cấp ít, ôn định cho đến khi năng suất tăng và giảm số lượng công nhân tham gia vào khâu này, tăng cao hiệu quả kinh tế.

Chương 2 TỎNG QUAN 2. Nghiên cứu sơ bộ sơ đồ nguyên lý dây chuyền băm gỗ ở nhà máy Phú Đông MAY SAN GO. if BANG CHUYEN TỬ MAY — BANG GHUYẾN MAY MAY BẢM GỖ AY BAM MAY BAM ye LEN BAN SAN Mad ⁄ Ai /qỗ 0/L OM web II 09 AYO} [Í_ bang gi 12000x1000 Pr HÍ băng tải 22000x100d ñ = giảm tốc 1⁄40 | 000LX000Z 12} Bugg động cơ 10kw ae ¬ Fe 8 Tưo Frm oi 10w Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý dây chuyền băm gỗ tại nhà máy Phú Đông Hình 2.2: Máy băm gỗ tại nhà máy Phú Đông Hình 2.4: Công nhân đang cấp phôi gỗ vào máy băm bằng tay 2. Đối tượng gia công Đối tượng gia công là những cây gỗ đã được cắt sẵn.

Cây gỗ có độ tròn và độ thắng nhất định, kích thước đường kính biến thiên từ 90 đến 100mm, chiều đài biến thiên từ 900 đến 1100mm. Gỗ sau khi khai thác từ rừng tái sinh phải được qua xử lý nhiệt, có thể phơi khô tự nhiên hoặc qua say dé đạt độ am từ 30 đến 40% khi gỗ đã say hoặc phơi, đạt độ âm yêu cầu, được đưa vào hệ thống phân phối và băm ra thành dim với kích thước là 3em x 3cm x 0. Sau đó đóng gói và chuyên đến cơ sở sản xuất các vật phâm có liên quan. Tính chất cơ lý của vật liệu gỗ dùng cho gia công cụ thể như ứng suất cắt, phá hủy, độ dai.

sẽ được sử dụng dé tính toán công suất cho động cơ băm, lực ma sát giữa gỗ và các vật liệu làm hệ thống cung cấp. Trọng lượng riêng của gỗ là dữ liệu cần thiết dé thiết kế góc nghiêng của máng dẫn, tần số và biên độ rung của hệ thống khi gỗ bị kẹt trên giàn. Với gỗ vừa mới khai thác từ rừng tràm, thông thường độ ẩm là 60-70%, gỗ loại này rất giòn, có ứng suất cắt nhỏ nhưng thành phẩm sau khi băm sẽ dễ bị mốc và khó bảo quản. Gỗ sau khi đã sấy đến độ 4m 30-40% tuy có thé bảo quản được trong một thời gian, nhưng độ dai tăng lên đáng kê, ứng suất cắt lớn và đòi hỏi động cơ băm phải có công suất lớn điều này sẽ làm cho kích thước của toàn bộ dây chuyền tăng lên đáng kể.

Tuy vậy độ âm của gỗ là yếu tố được coi trọng hàng đầu hiện nay và nó là yếu tô quyết định các yếu tố khác.(Nguyễn Ngọc Bich, 2003) Với công việc tự động hóa toàn bộ hệ thống cấp phôi tự động cho máy băm gỗ, kích thước đồng loạt của gỗ là yếu tố phải được xem xét đầu tiên. Nếu độ đồng đều của gỗ đem băm là nhỏ tức độ chênh lệch về kích thước, hình đáng là quá phạm vi cho phép, thì hiệu quả của dây chuyền cấp phôi tự động có thé giảm xuống đáng kể, đôi khi thấp hơn các phương pháp thủ công thông thường. Chính vì vậy lựa chọn phương pháp cấp phôi phù hợp với hình dạng và kích thước phôi gỗ đem băm phải được xem xét một cách tỉ mi. Hiện nay các nhà máy băm gỗ ở Việt Nam sử dụng phôi gỗ hầu hết ở dạng có kích thước đồng loạt giống nhau.

Vì vậy đối tượng này rất phù hợp cho việc tự động hoá hệ thống dây chuyén cấp phôi tự động và cũng là đối tượng chính mà đề tài nay đê cập đến. Đối tượng nghiên cứu 2. Đối tượng nghiên cứu chủ yếu Hệ thống dây chuyền máy băm gỗ rất đa dạng và phong phú, bao gồm một tổ hợp các kết cầu va làm việc có sự liên hệ lẫn nhau, với 20, đối tượng cần nghiên cứu phải bao gồm cả một hệ thống tổng thể, hoạt động một cách nhịp nhàng, như vậy năng suất mới được đánh giá một cách chính xác.