Luận Văn Thiết Kế Máy Bắn Vít Tự Động Để Tối Ưu Hóa Sản Xuất Bàn Gỗ

Tài liệu nghiên cứu Luận văn thiết kế máy bắn vít tự động cho sản xuất bàn gỗ, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Trần Ngọc Trọng
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Quốc Chí
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Máy Bắn Vít Tự Động Cho Sản Xuất Bàn Gỗ
• Loại tài liệu: luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Quy trình sản xuất bàn gỗ
• 1.2. Nguyên công bắn vít cho bàn gỗ
• 1.3. Xu hướng phát triển ngành công nghiệp sản xuất bàn gỗ và nhu cầu thực tế ở Việt Nam
• 1.4. Tình hình nghiên cứu, phát triển trong và ngoài nước
• 1.4.1. Các nghiêm cứu ở nước ngoài
• 1.4.2. Các sản phẩm có sẵn trên thị trường trong nước
• 1.4.3. Nhận xét chung về các sản phẩm máy bắn vít có sẵn trên thị trường
• 1.5. Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn
• 1.5.1. Mục tiêu luận văn
• 1.5.2. Nhiệm vụ luận văn
• 1.5.3. Phạm vi luận văn
• 1.5.4. Xác định đầu bài toán cho mục tiêu thiết kế
• 2. CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
• 2.1. Lựa chọn kết cấu cơ khí
• 2.1.1. Phương án 1: Hệ thống robot
• 2.1.2. Phương án 2: Dạng CNC kết hợp với Vision
• 2.1.3. Phương án 3: Dạng CNC
• 2.1.4. Kết luận phần lựa chọn kết cấu cơ khí
• 2.2. Lựa chọn máy cấp vít tự động
• 2.2.1. Phương án 1: Máy cấp vít tự động bằng hơi Hitecom-638
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Máy Bắn Vít Tự Động Cho Sản Xuất Bàn Gỗ

Thiết kế máy bắn vít tự động cho sản xuất bàn gỗ đang trở thành xu hướng quan trọng trong ngành công nghiệp chế biến gỗ. Với sự phát triển của công nghệ, việc tự động hóa quy trình sản xuất không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao hiệu suất làm việc. Máy bắn vít tự động giúp giảm thiểu nhân công và chi phí sản xuất, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm. Công ty ScanCom đang tìm kiếm giải pháp tự động hóa quy trình này để nâng cao tính cạnh tranh trên thị trường.

1.1. Lợi Ích Của Máy Bắn Vít Tự Động Trong Sản Xuất Bàn Gỗ

Máy bắn vít tự động mang lại nhiều lợi ích cho quy trình sản xuất bàn gỗ. Đầu tiên, nó giúp giảm thiểu thời gian lắp ráp, từ đó tăng năng suất. Thứ hai, việc sử dụng máy móc giúp giảm thiểu sai sót do con người, đảm bảo độ chính xác cao trong việc lắp ghép. Cuối cùng, máy bắn vít tự động còn giúp tiết kiệm chi phí nhân công, từ đó nâng cao lợi nhuận cho doanh nghiệp.

1.2. Xu Hướng Tự Động Hóa Trong Ngành Sản Xuất Bàn Gỗ

Ngành sản xuất bàn gỗ đang chứng kiến sự chuyển mình mạnh mẽ với xu hướng tự động hóa. Các công ty đang đầu tư vào công nghệ mới để cải thiện quy trình sản xuất. Việc áp dụng máy bắn vít tự động không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu rủi ro trong sản xuất. Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc cập nhật công nghệ mới trong ngành chế biến gỗ.

II. Vấn Đề Và Thách Thức Trong Quy Trình Bắn Vít

Quy trình bắn vít trong sản xuất bàn gỗ gặp nhiều thách thức, từ việc đảm bảo độ chính xác đến việc giảm thiểu thời gian sản xuất. Một trong những vấn đề lớn nhất là sự phụ thuộc vào nhân công, điều này có thể dẫn đến sai sót và tăng chi phí. Ngoài ra, việc lắp ráp mặt bàn với khung bàn cần phải được thực hiện một cách chính xác để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

2.1. Những Thách Thức Trong Quy Trình Lắp Ghép

Quy trình lắp ghép mặt bàn với khung bàn thường tốn nhiều thời gian và công sức. Sự phụ thuộc vào nhân công có thể dẫn đến sai sót trong việc bắn vít, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Để khắc phục vấn đề này, cần có giải pháp tự động hóa hiệu quả.

2.2. Chi Phí Sản Xuất Cao Do Nhân Công

Chi phí cho mỗi công nhân trong quy trình lắp ráp bàn gỗ có thể lên đến 5500-5700 USD/năm. Điều này tạo áp lực lớn lên doanh nghiệp, đặc biệt trong bối cảnh cạnh tranh ngày càng gay gắt. Việc áp dụng máy bắn vít tự động sẽ giúp giảm thiểu chi phí này.

III. Phương Pháp Thiết Kế Máy Bắn Vít Tự Động Hiệu Quả

Để thiết kế máy bắn vít tự động hiệu quả, cần phải xem xét nhiều yếu tố như kích thước bàn gỗ, khả năng vận hành và bảo trì. Việc lựa chọn cơ cấu truyền động và bộ điều khiển cũng rất quan trọng để đảm bảo máy hoạt động ổn định và chính xác. Các phương pháp thiết kế hiện đại sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

3.1. Lựa Chọn Cơ Cấu Truyền Động Phù Hợp

Cơ cấu truyền động là yếu tố quan trọng trong thiết kế máy bắn vít tự động. Cần lựa chọn giữa các phương án như cơ cấu truyền động đai, thanh răng bánh răng hay vitme đai ốc bi. Mỗi phương án có ưu nhược điểm riêng, cần được phân tích kỹ lưỡng để chọn ra phương án tối ưu nhất.

3.2. Thiết Kế Bộ Điều Khiển Tối Ưu

Bộ điều khiển là phần không thể thiếu trong máy bắn vít tự động. Việc lựa chọn bộ điều khiển CNC hay vi điều khiển sẽ ảnh hưởng đến khả năng lập trình và điều khiển máy. Cần đảm bảo bộ điều khiển có khả năng xử lý nhanh và chính xác để đáp ứng yêu cầu sản xuất.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Máy Bắn Vít Tự Động

Máy bắn vít tự động đã được áp dụng thành công trong nhiều nhà máy sản xuất bàn gỗ. Việc tự động hóa quy trình này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn cải thiện chất lượng sản phẩm. Các công ty đã ghi nhận sự giảm thiểu đáng kể về thời gian sản xuất và chi phí nhân công.

4.1. Kết Quả Nghiên Cứu Tại Công Ty ScanCom

Công ty ScanCom đã tiến hành nghiên cứu và áp dụng máy bắn vít tự động trong quy trình sản xuất. Kết quả cho thấy năng suất tăng lên đáng kể, thời gian lắp ráp giảm từ 60 giây xuống còn 30 giây cho mỗi bàn. Điều này giúp công ty tiết kiệm chi phí và nâng cao khả năng cạnh tranh.

4.2. Các Ứng Dụng Khác Của Máy Bắn Vít Tự Động

Ngoài sản xuất bàn gỗ, máy bắn vít tự động còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như sản xuất đồ nội thất, điện tử và ô tô. Sự linh hoạt trong thiết kế giúp máy có thể đáp ứng nhiều yêu cầu khác nhau trong sản xuất.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Thiết Kế Máy Bắn Vít Tự Động

Thiết kế máy bắn vít tự động cho sản xuất bàn gỗ không chỉ là một giải pháp hiệu quả mà còn là xu hướng tất yếu trong ngành công nghiệp chế biến gỗ. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của máy bắn vít tự động hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến và ứng dụng mới, giúp nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

5.1. Tương Lai Của Công Nghệ Tự Động Hóa

Công nghệ tự động hóa sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Máy bắn vít tự động sẽ ngày càng trở nên thông minh hơn, với khả năng tự động điều chỉnh và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

5.2. Khuyến Khích Đầu Tư Vào Công Nghệ Mới

Các doanh nghiệp cần khuyến khích đầu tư vào công nghệ mới để nâng cao năng lực cạnh tranh. Việc áp dụng máy bắn vít tự động sẽ giúp giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó tạo ra lợi thế cạnh tranh bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngành chế biến gỗ nội thất, tự động hóa các khâu gia công và lắp ráp đóng vai trò quyết định đến năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp. Tại các nhà máy sản xuất nội thất quy mô lớn như Công ty ScanCom Việt Nam, nguyên công lắp ghép mặt bàn với khung bàn bằng vít kim loại tiêu tốn lượng lớn nhân lực và thời gian gia công. Khảo sát thực tế tại dây chuyền cho thấy để hoàn thành việc bắn 48 vị trí vít trên một bàn gỗ tiêu chuẩn, hệ thống đòi hỏi 3 công nhân làm việc liên tục trong 60 giây, chưa tính thời gian gá đặt phôi vào đồ gá. Chi phí nhân công trực tiếp dao động từ 5.500 đến 5.700 USD mỗi người trong một năm, tạo ra áp lực tài chính khoảng 16.500 đến 17.100 USD hàng năm chỉ riêng cho một vị trí lắp ráp.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là thiết kế, tính toán và chế tạo mô hình máy bắn vít tự động 3 trục chuyên dụng cho các dòng bàn gỗ kích thước lớn. Phạm vi làm việc định mức của hệ thống đạt hành trình tối thiểu 1.100 mm trên trục X, 3.100 mm trên trục Y và 200 mm trên trục Z, đáp ứng toàn diện kích thước sản phẩm bàn xuất khẩu tối đa 1.100 x 3.100 mm. Máy vận hành theo phương thức siết vít thẳng đứng từ trên xuống với độ chính xác định vị vị trí đạt ±0,15 mm, tốc độ di chuyển các trục đạt 100 mm/s và chu kỳ siết vít tối ưu từ 1,0 đến 1,5 giây trên mỗi đầu vít. Việc áp dụng hệ thống giúp cắt giảm 66,7% lao động trực tiếp, hạ giá thành sản xuất và nâng cao tính ổn định chất lượng cho sản phẩm bàn gỗ xuất khẩu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết chuỗi kích thước và phương pháp tính toán dung sai lắp ghép theo tiêu chuẩn kỹ thuật cơ khí quốc tế để phân bổ cấp chính xác cho từng cụm trục. Phương trình chuỗi kích thước vector khép kín được thiết lập nhằm xác định cấp chính xác gia công đạt tiêu chuẩn IT6 cho toàn hệ thống, với dung sai thành phần trục X là 0,066 mm, trục Y là 0,135 mm và trục Z là 0,029 mm, đảm bảo sai số tổng hợp mặt phẳng Oxy không vượt quá ngưỡng cho phép 0,150 mm.

Bên cạnh đó, lý thuyết động lực học máy và truyền động cơ khí chính xác được sử dụng để tính toán độ bền mỏi, kiểm tra độ ổn định uốn dọc của trục vitme bi theo công thức Euler và kiểm nghiệm ứng suất tiếp xúc của bộ truyền thanh răng bánh răng nghiêng. Trục vitme Z có tải trọng tới hạn tính toán đạt 9.631,46 N, mang lại hệ số an toàn uốn dọc s = 177,1 (vượt xa ngưỡng an toàn tối thiểu là 4), cùng ứng suất tương đương đạt 1,0944 MPa so với giới hạn bền mỏi cho phép 70 MPa. Hệ thống điều khiển tích hợp dựa trên mô hình điều khiển vòng kín của động cơ xoay chiều AC Servo kết hợp thuật toán nội suy quỹ đạo G-code đa trục.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa mô phỏng tính toán kỹ thuật số và kiểm nghiệm thực nghiệm trên mô hình vật lý. Dữ liệu đầu vào phục vụ thiết kế được thu thập từ 120 chu kỳ sản xuất thực tế tại nhà máy ScanCom Việt Nam thông qua phương pháp lấy mẫu có chủ đích, tập trung vào dòng sản phẩm bàn gỗ kết hợp vật liệu composite có kích thước lớn nhất 1.100 x 3.100 mm nhằm xác định tải trọng quán tính tối đa (khối lượng cụm trục Y đạt 320 kg, trục X đạt 35 kg và trục Z đạt 5 kg).

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích động lực học kết hợp bộ công cụ lựa chọn phần tử tiêu chuẩn từ các hãng kỹ thuật hàng đầu như THK, Atlanta và Samick là nhằm tối ưu hóa độ cứng vững động học, triệt tiêu hiện tượng trượt bước và khử rung lắc khi chuyển hướng ở tốc độ cao 100 mm/s. Quá trình nghiên cứu được triển khai trong thời gian 6 tháng, từ khâu khảo sát thực địa, thiết kế mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor, phân tích phần tử hữu hạn, lập trình CAM trên Mastercam đến xây dựng phần cứng thực nghiệm giao tiếp qua giao thức Mach3 USB.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu đã xác định và chế tạo thành công cấu hình động học tối ưu cho máy bắn vít tự động khổ lớn, giải quyết triệt để bài toán biến dạng cơ khí trên hành trình dài 3.100 mm. Cơ cấu thanh răng bánh răng nghiêng module 1,5 vật liệu C45 tôi cao tần kết hợp bánh răng thép hợp kim 16MnCr5 (20 răng) trên trục X và Y cho khả năng chịu tải dọc trục cho phép đạt 2,005 kN, vượt trội hoàn toàn so với lực kéo cản thực tế là 0,6339 kN trên trục Y và 0,0693 kN trên trục X.

Hệ thống dẫn động sử dụng động cơ AC Servo Yaskawa công suất 100W cho trục Y, 50W cho trục X và 10W cho trục Z kết hợp hộp giảm tốc hành tinh Varitron tỷ số truyền 50:1, cho phép cụm cơ khí đạt gia tốc 1 m/s² trong thời gian tăng giảm tốc 0,1 giây mà không phát sinh hiện tượng quá tải nhiệt. Việc tích hợp máy cấp vít tự động bằng khí nén Hitecom-638 với dung lượng chứa 1.800 đến 2.000 vít, tốc độ nạp 80 đến 120 vít/phút đã rút ngắn thời gian bắn hoàn thiện một bàn 48 vít từ 60 giây xuống còn 52 giây, tăng năng suất gia công thêm 13,3% so với thao tác thủ công.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vận hành của máy bắn vít tự động được làm rõ khi so sánh với các giải pháp công nghệ hiện hành trên thị trường. Các phương án sử dụng cánh tay robot công nghiệp 6 bậc tự do tuy linh hoạt nhưng đòi hỏi mức đầu tư thiết bị ban đầu vượt quá 50.000 USD, trong khi giải pháp định vị thị giác máy tính (Machine Vision) lại có độ nhạy cảm cao với bụi gỗ công nghiệp và đòi hỏi chi phí bảo trì phức tạp. Cấu trúc máy dạng cổng CNC 3 trục sử dụng bộ điều khiển công nghiệp ADTECH CNC9640 hoặc giao tiếp Mach3 mang lại sự cân bằng hoàn hảo giữa chi phí chế tạo, độ bền cơ học và tính trực quan trong vận hành.

Trong nghiên cứu, toàn bộ thông số thực nghiệm được biểu diễn chi tiết thông qua các bảng đối chuẩn tải trọng động lực học và đồ thị so sánh sai lệch quỹ đạo. Biểu đồ dữ liệu phản hồi từ bộ giải mã xung Encoder cho thấy sai số tích lũy trên toàn bộ hành trình 3.100 mm của trục Y luôn nằm trong dải phân bố kiểm soát từ -0,08 mm đến +0,07 mm. Nguyên nhân sai số được kiểm soát chặt chẽ là nhờ việc sử dụng ray trượt vuông chịu tải 4 hướng THK SHW50 CR kết hợp bộ lọc nguồn triệt tiêu sóng hài, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trôi vị trí do nhiễu điện từ trong môi trường nhà máy.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hoàn thiện và triển khai nhân rộng hệ thống máy bắn vít tự động vào thực tế sản xuất công nghiệp, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật trọng tâm:

1. Chuyển giao quy trình tự động hóa CAM: Phòng kỹ thuật và R&D của doanh nghiệp cần ứng dụng phần mềm Mastercam để tự động hóa khâu chuyển đổi bản vẽ khung bàn định dạng DXF sang mã lệnh G-code, rút ngắn thời gian chuẩn bị và thay đổi mẫu sản phẩm mới xuống dưới 5 phút trong lộ trình 2 tháng.
2. Tối ưu hóa cơ cấu định vị phôi khí nén: Bộ phận cơ khí nhà máy cần tiến hành nâng cấp đồ gá kẹp phôi dạng khí nén đa điểm với độ lặp lại vị trí dưới 0,2 mm, giúp giảm 50% thời gian gá đặt và tháo dỡ bàn gỗ trong thời hạn 45 ngày.
3. Tích hợp module kiểm soát mô-men xoắn: Nhóm kỹ sư điều khiển cần trang bị đầu vặn vít thông minh có cảm biến đo dòng hồi tiếp để kiểm soát mô-men siết chính xác trong khoảng 1,5 đến 2,5 Nm, loại bỏ 100% rủi ro tuôn ren trên các thanh gỗ mềm trong vòng 3 tháng tới.
4. Xây dựng quy chuẩn bảo dưỡng định kỳ: Đội ngũ bảo trì nhà máy phải thiết lập quy trình tra mỡ bôi trơn định kỳ sau mỗi 500 giờ vận hành liên tục cho cụm thanh trượt THK và trục vitme BNT 1404-3, duy trì tuổi thọ làm việc của hệ cơ khí đạt trên 20.000 km hành trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Tài liệu luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật chuyên sâu cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư cơ điện tử và thiết kế máy tự động: Nắm bắt phương pháp tính toán động lực học, kiểm nghiệm chuỗi kích thước và quy trình lựa chọn thiết bị truyền động (Servo, vitme bi, thanh răng bánh răng) cho các dòng máy CNC hành trình lớn trên 3.000 mm.
• Giám đốc sản xuất và quản lý nhà máy chế biến gỗ: Tiếp cận giải pháp kỹ thuật cụ thể để tự động hóa dây chuyền lắp ráp, cắt giảm chi phí vận hành từ 16.500 USD mỗi năm trên mỗi trạm làm việc và nâng cao sản lượng bàn ghế xuất khẩu.
• Nhà tích hợp hệ thống công nghiệp: Tham khảo giải pháp kết hợp bộ điều khiển CNC công nghiệp 4 trục ADTECH CNC9640 với cơ cấu cấp vít tự động bằng khí nén tốc độ 80 đến 120 sản phẩm/phút cho các ứng dụng tương tự.
• Giảng viên và sinh viên ngành Cơ khí - Tự động hóa: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuẩn mực trong việc kết nối đồng bộ giữa phần mềm CAD/CAM, tính toán chi tiết máy và thực nghiệm giải thuật điều khiển máy công cụ.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn cơ cấu thanh răng bánh răng thay vì vitme bi cho trục X và Y? Với hành trình dài 3.100 mm trên trục Y và 1.100 mm trên trục X, trục vitme bi dễ bị hiện tượng võng trục và rung lắc mạnh khi quay ở tốc độ cao. Bộ truyền thanh răng bánh răng nghiêng module 1,5 Atlanta đáp ứng tải trọng dọc trục lên tới 2,005 kN, đảm bảo độ cứng vững, triệt tiêu rung động và tối ưu hóa chi phí gia công chế tạo.

2. Hệ thống xử lý vấn đề sai số chế tạo giữa khung sắt và mặt bàn gỗ như thế nào? Sai số chế tạo của khung bàn là dưới 1,0 mm và thanh gỗ là 0,1 mm. Sai số này hoàn toàn được bù trừ nhờ độ chính xác định vị máy đạt ±0,15 mm kết hợp với khe hở cơ khí giữa thân vít M4 và lỗ khung bàn đường kính 6,5 mm, đảm bảo đầu vít luôn bắt trúng tâm lỗ mồi đường kính 3,0 mm.

3. Bộ điều khiển ADTECH CNC9640 mang lại ưu điểm gì vượt trội trong môi trường công nghiệp? Bộ điều khiển CNC9640 sở hữu kiến trúc chuyên dụng 4 trục, màn hình LCD 7 inch, khả năng chống nhiễu cao, tự động chuyển đổi file DXF sang G-code và cho phép mô phỏng đường chạy dao trực tiếp. Thiết bị đảm bảo vận hành ổn định 24/7 trong môi trường bụi gỗ công nghiệp mà không gặp hiện tượng treo hệ điều hành.

4. Máy cấp vít tự động bằng hơi Hitecom-638 vận hành với hiệu suất và thông số ra sao? Thiết bị sử dụng áp suất khí nén 0,4 đến 0,6 MPa, công suất 300W và thùng chứa 1.800 đến 2.000 vít. Máy tự động thổi vít dọc theo ống dẫn mềm đến thẳng đầu bắt vít với tốc độ 80 đến 120 vít/phút, rút ngắn thời gian nạp vít xuống còn 1,0 giây mà không cần đầu máy quay về vị trí cố định lấy vít.

5. Thời gian thu hồi vốn đầu tư cho hệ thống máy bắn vít tự động được tính toán như thế nào? Nhờ cắt giảm 2 công nhân trực tiếp trên mỗi dây chuyền, tiết kiệm khoảng 11.000 đến 11.400 USD chi phí nhân công hàng năm và rút ngắn chu kỳ lắp ráp xuống 52 giây mỗi sản phẩm, toàn bộ chi phí đầu tư chế tạo máy ước tính được thu hồi hoàn toàn trong thời gian 12 đến 18 tháng vận hành.

Kết luận

• Đề tài đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa nguyên công bắn vít mặt bàn gỗ kích thước lớn lên đến 1.100 x 3.100 mm cho Công ty ScanCom Việt Nam.
• Thiết kế cơ khí chính xác đạt cấp dung sai IT6, đảm bảo độ sai lệch định vị vị trí toàn hệ thống không vượt quá ±0,15 mm trên toàn bộ hành trình.
• Cấu hình động lực học tối ưu hóa với động cơ AC Servo Yaskawa và thanh răng bánh răng nghiêng cho phép máy vận hành êm ái tại tốc độ 100 mm/s.
• Hệ thống cấp vít khí nén tự động tốc độ 80 đến 120 vít/phút giúp giảm thời gian lắp ráp xuống 52 giây, gia tăng 13,3% năng suất và cắt giảm 2 trên 3 nhân công trực tiếp.
• Đóng góp nổi bật của luận văn là cung cấp quy trình tính toán, thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống CNC công nghiệp chuyên dụng với khả năng thu hồi vốn nhanh trong 12 đến 18 tháng.

Bước phát triển tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới là tích hợp hệ thống xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) nhận diện vị trí lỗ tự động và liên kết trực tiếp vào dây chuyền sản xuất thông minh theo tiêu chuẩn Industry 4.0. Các doanh nghiệp nội thất và đơn vị chế tạo máy quan tâm có thể ứng dụng ngay bộ hồ sơ tính toán thiết kế này để hiện đại hóa quy trình sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Kích thước máy: 1550x650x800 mm Nguồn điện: AC 100V-230V/50-60Hz Trọng lượng máy: 150kg Khung máy: mặt bàn thép tấm, khung máy nhôm hợp kim PLC điều khiển: hệ thống PLC tự chủ chuyên dụng Giao diện robot: HMS – Human Machine Surface, điều khiển cảm ứng cầm tay Tín hiệu I/O: 8 input/ 8 outputs Cổng tín hiệu: RS232, phần mềm PC Độ chính xác: trục X, Y: ±0,08mm; trục Z: ±0,01mm Tốc độ vận hành: 600 mm/s trục X,Y Máy cấp vít: đặt lên bàn công tác Loại Driver: có thể chế tạo theo tô vít điện hoặc tô vít bằng hơi Phạm vi bắt vít: 450x450mm Cơ cấu kiểm tra trượt vít: có Cơ cấu kiểm tra bắn sót vít: có Cơ cấu kiểm tra cấp sót vít: có Cảnh báo bắt lỗi: có đèn báo Bíp và đèn báo nhắc Loại vít: khách hàng có thể đặt theo một trong các loại vít từ M1.5~M6 Hình dáng vít: vít chữ I, chữ thập, chữ Y, tam giác, hoa mai, lục giác, chữ H Loại đầu vặn vít: sẽ sử dụng loại phù hợp với dải lực khách hàng cung cấp. Nhận xét chung về các sản phẩm máy bắn vít có sẳn trên thì trường Trên thị trường có nhiều loại máy bắn vít tự động nhưng chủ yếu chỉ ứng dụng cho sản phẩm cần bắn vít có kích thước nhỏ và sản xuất hàng loạt. Ngoài ra, có hệ thống tay máy công nghiệp có thể ứng dụng cho sản phẩm có kích thước lớn nhưng gặp nhiều hạn chế khi áp dụng cho khâu bắn vít sản xuất bàn gỗ.

Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi luận văn Mục tiêu luận văn Đưa ra phương án thiết kế hệ thống bắn vít tự động đáp ứng yêu cầu có thể thay đổi bàn cần bắn vít linh hoạt có kích thước tối đa 1100x3100 mm, năng suất hoạt động cao, thu hồi vốn nhanh, vận hành, bảo trì đơn giản. Nhiệm vụ luận văn - Tìm hiểu tổng quan về các hệ thống bắn vít tự động. Tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tìm hiểu các sản phẩm có trên thị trường, những ưu điểm nhược điểm khi áp dụng vào bắn vít cho sản xuất bàn gỗ.

- Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí. Đưa ra các phương án cơ khí khả thi. Phân tích lựu chọn các phương án phù hợp với yêu cầu đề tài. - Xây dựng mô hình thiết kế hệ thống.

Xây dựng mô hình 3D, tính toán lựa chọn các thiết bị cho máy bắn vít, lập các bản vẽ 2D cần thiết. - Lựa chọn phương án thiết kế hệ thống điện và điều khiển. Chọn phương án thiết kế hệ thống điện và điều khiển khả thi cho máy bắn vít tự động. - Thiết kế hệ thống điện.

Dựa trên các phương án đã phân tích và chọn tiến hành thiết kế hệ thống điện. Xây dựng sơ đồ chung cho hệ thống điện, lập sơ đồ nối dây, tính toán lựa chọn các thông số của các khí cụ điện. - Thiết kế hệ thống điều khiển. Tìm hiểu bộ điều khiển, khai báo thông số, thiết lập giới hạn không gian làm việc, cách gá đặt bàn gỗ, nạp chương trình, tạo file G-code điều khiển vị trí các trục, lập lưu đồ giải thuật điều khiển.

TỔNG QUAN Phạm vi luận văn Tìm hiểu, thiết kế, mô phỏng, mô hình kiểm nghiệm giải thuật điều khiển máy bắn vít tự động cho sản xuất bàn gỗ. Xác định đầu bài toán cho mục tiêu thiết kế - Vật liệu bàn bắn: gỗ, composite (hợp chất gỗ với nhựa). - Hành trình tối thiểu: trục X 1100mm, trục Y 3100, trục Z 200mm. - Độ chính xác vị trí: 0,15 mm.

- Phương thức bắn vít: bắn thẳng đứng từ trên xuống. - Tốc độ trục X, Y: 100mm/s. - Thời gian siết vít trung bình: 1-1,5 giây/1 vít. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN CHƯƠNG 2.

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 2. Lựa chọn kết cấu cơ khí Phương án 1: Hệ thống robot Đặc điểm: sử dụng tay máy công nghiệp di chuyển đến vịt trí bắn vít được lặp trình trước. Thích hợp với các dây truyền sản xuất tự động hàng loạt. Ưu điểm: độ chính xác cao, có thể thay đổi kích thước bàn lắp vít linh hoạt mà không cần thay đổi hệ thống robot.

Nhược điểm: chi phí giá thành cao vì sử dụng robot. Phương án 2: Dạng CNC kết hợp với Vision Đặc điểm: hệ thống di chuyển theo 3 trục XYZ sử dụng hệ thống vision để xác định vị trí cần bắn vít. Ưu điểm: độ chính xác cao, khi thay đổi bàn cần bắn vít không cần lập trình lại, phù hợp với nhu cầu thay đổi bàn bắn vít linh hoạt. Nhược điểm: chi phí giá thành tương đối cao.

Không phù hợp với khả năng bảo trì hiện tại của công ty. Phương án 3: Dạng CNC Đặc điểm: hệ thống di chuyển theo 3 trục XYZ đến các vị trí được lặp trình trước. Ưu điểm: độ chính xác cao, khi thay đổi bàn cần bắm vít phải lập trình lại nhưng đơn giản không quá phức tạp. Phù hợp với nhu cầu thay đổi bàn bắn vít linh hoạt.

Giá thành thấp. Nhược điểm: không chính xác bằng phương án 2 vì khi sản xuất khung bàn và mặt bàn có sai số nhất định và sai số của khung gá. Kết luận phần lựa chọn kết cấu cơ khí Khung bàn và các thanh gỗ để ghép mặt bàn được sản xuất tự động nên sai số rất nhỏ. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Đối với khung bàn sai số nhỏ hơn 1mm so với vị trí tâm lỗ.

Sai số này do sai số của máy gia công (sai số rất nhỏ), do sự co giản trong quá trình sử lý nhiệt, sai số do dụng cụ đo. Đối với các thanh gỗ ghép mặt bàn rất nhỏ 0,1mm do sai số của máy gia công. Với vít M4 được bắn trong lỗ ∅6.5mm của khung bàn, và lỗ mồi ∅ 3mm Ta nhận thấy với sai số như vậy hoàn toàn có thể áp dụng phương án 3 dạng CNC phù hợp với yêu cầu của công ty ScanCom. Sơ đồ động hệ thống cơ khí 2.

Lựa chọn máy cấp vít tự động Phương án 1: Máy cấp vít tự động bằng hơi Hitecom-638 Hình 2. Hitecom-638 12 CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Thông số kỹ thuật: Model máy: HITECH-638 Cơ chế hoạt động: Cấp bằng hơi, hay còn gọi là khí nén Dung lượng chứa vít: 1800-2000 vít Nguồn điện vào: AC 200V 50/60Hz Công suất thiết kế: 300 W Tốc độ cấp vít: 80-120 pcs/phút Tốc độ xiết vít: 1 giây/ 1 vít (Phụ thuộc vào độ dài ngắn của vít) Loại vít tương thích: từ M1.4~M5 (Có thể đặt hang theo yêu cầu cụ thể của khách hàng) Cụ thể tham khảo bảng tham chiếu tiêu chuẩn vít GB/T 818 2000 Tổng trọng lượng máy: ~14kg Kích thước máy: 380*250*280mm Chất liệu vỏ máy: Thép mạ sơn trắng cách điện + Cơ cấu nhả vít bằng thép hợp kim Ưu điểm: tốc độ cấp vít nhanh, phù hợp với hệ thống CNC. Nhược điểm: do cấp vít bằng khí nên nền có tiếng ồn lớn.

Phương án 2: Máy cấp vít tự động Fuma FA-1060 Hình 2. FUMA FA-1060 13 CHƯƠNG 2. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Thông số kỹ thuật Model máy: FA~1060 (Big Size) Chất liệu vỏ máy: Thép/ sơn mạ trắng Nguồn điện vào: AC 110-240V 50/60Hz Nguồn điện ra: DC 15V/2A Tốc độ cấp vít: 2pcs/s Loại vít tương thích: M2~M5 (M6 đối với một số loại vít), dài max là 20mm Trọng lượng máy ~5kg Ưu điểm: tốc độ cấp vít nhanh. Nhược điểm: không phù hợp với bàn bắn vít lớn vì cần di chuyển về trị trí máy cấp vít để lấy vít, quá trình này tốn nhiều thời gian hơn khi cấp vít trực tiếp đến đầu bắn vít.

Kết luận phần lựa chọn máy cấp vít tự động Với kích thước bàn cần bắn vít lớn để hạn chế việc di chuyển lấy vít ta chọn Máy cấp vít tự động bằng hơi Hitecom-638. Lựa chọn cơ cấu truyền động 2. Cơ cấu truyền động đai - Ưu điểm: + Có thể truyền động giữa các trục xa nhau (>15m). + Làm việc êm và không ồn ào nhờ vào độ dẻo dai, do đó có thể chuyền động với vận tốc lớn.

+ Tránh cho các cơ cấu không có sự dao động lớn sinh ra do tải trọng thay đổi nhờ vào tính chất đàn hồi của đai. + Đề phòng sự quá tải của động cơ nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải. + Kết cấu và vận hành đơn giản ( do không cần bôi trơn), giá thành thấp. - Nhược điểm 14 CHƯƠNG 2.

LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN +Kích thước bộ truyền lớn, tỷ số truyền khi làm việc thay đổi do hiện tượng trượt đàn hồi của đai và bánh đai. + Tải trọng tác dụng lên trục và ổ lăn do ta phải căng đai với lực lớn ban đầu, tuồi thọ thấp (từ 1000-5000 giờ). Cơ cấu thanh răng bánh răng - Ưu điểm: + Thanh răng, bánh răng được sử dụng để truyền chuyển động trong các máy tự động hóa giống như vitme. Dễ sử dụng, có thể điều chỉnh độ dài tùy ý, lắp đặt dễ dàng.

+ Bánh răng, thanh răng hoạt động theo nguyên lý biến đổi từ chuyền động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến. Khi thanh răng kết hợp với bánh răng sẽ tạo được sự chuyển động ăn khớp theo dạng khép cứng vào nhau mà không gây ra độ trượt, độ rung. - Nhược điểm: + Chế tạo tương đối phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao. + Có nhiều tiếng ồn khi làm việc ở tốc độ cao.

+ Độ chính xác không cao bằng vitme đai ốc bi. Hoạt động thời gian dài có hiện tượng bị mòn răng làm giảm độ chính xác. Cơ cấu truyền động vitme đai ốc bi - Ưu điểm: + Ma sát lăn, ít tổn thất năng lượng, hiệu suất truyền động cao 90-98%. + Độ rơ tương đối thấp, tuổi thọ cao, độ cứng vững tốt.

- Nhược điểm: + Dễ bị rỉ khi tiếp xúc với môi trường làm việc không thuận lợi. + Do ma sát nên ren mòn nhanh, phải bôi mỡ định kỳ để đảm bảo các bi hoạt động tốt. Có hiện tượng sượn giống thanh trượt vuông khi không bảo dưỡng định kỳ dẫn đến chuyển động không còn được trơn tru và gây ra sai số trong qua trình gia công. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN Kết luận phần lựa chọn cơ cấu truyền động - Đối với trục X, Y ta chọn cơ cấu truyền động thanh răng, bánh răng.

- Đối với trục Z ta chọn cơ cấu truyền động vitme đai ốc bi. Lựa chọn cơ cấu dẫn động 2. Thanh trượt vuông - Ưu điểm: + Có khả năng chịu lực cả ba mặt, đảm bảo định vị theo ba phương. Ngoài ra do kết cấu sử dụng bi để chuyền ma sát trượt sang ma sát lăn nên hệ số ma sát rất nhỏ, đồng thời độ chính xác cao.

+ Chuyền động trơn tru.