Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất cơ khí công nghiệp, công đoạn tạo phôi đóng vai trò là khâu cơ bản đầu tiên nhằm cung cấp vật liệu đầu vào cho các giai đoạn gia công chi tiết tiếp theo. Đối với các loại vật liệu phi kim như gỗ và vật liệu quảng cáo (nhựa Formex, tấm mica), công đoạn cắt phôi thủ công bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, độ an toàn lao động, mức độ đồng đều của sản phẩm và phát sinh chi phí nhân công lớn. Nhằm đáp ứng xu thế tự động hóa quy trình gia công cơ bản, đề tài "Nghiên cứu, tính toán thiết kế máy cắt phôi tự động" được nhóm sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí (chuyên ngành Cơ khí Chế tạo máy), Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Huỳnh Hải vào tháng 6 năm 2023.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân định thành 5 nội dung chính:

  1. Nghiên cứu tổng quan lý thuyết về công nghệ cắt vật liệu, hệ thống truyền động – điều khiển khí nén và khả năng ứng dụng bộ điều khiển lập trình logic (PLC).
  2. Phân tích các phương án thiết kế cụm cấp phôi, kẹp phôi, cơ cấu mang dao và chạy dao để lựa chọn phương án tối ưu về mặt kỹ thuật và chi phí.
  3. Tính toán động học, động lực học và thiết kế kết cấu cơ khí chi tiết cho các cụm chức năng (xilanh kẹp, động cơ băng tải, cụm truyền động vít me và động cơ cắt phôi).
  4. Thiết kế hệ thống điều khiển điện – khí nén, xây dựng sơ đồ đấu nối mạch, lập biểu đồ trạng thái và viết chương trình điều khiển trên PLC Siemens S7-1200 kết hợp hệ thống cảm biến hồng ngoại.
  5. Thi công chế tạo mô hình thực tế, lắp ráp, vận hành thử nghiệm và hoàn thiện bản vẽ kỹ thuật 2D/3D.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống máy cắt phôi tự động sử dụng kết cấu cơ khí kết hợp bộ truyền động điện khí nén và hệ thống điều khiển PLC.
  • Phạm vi vật liệu gia công: Gỗ dạng thanh có tiết diện 3 mm × 30 mm, chiều dài 500 mm; tấm Formex tiết diện 5 mm × 30 mm, chiều dài 500 mm.
  • Phạm vi kỹ thuật và vận hành: Mô hình máy công suất nhỏ phục vụ thực nghiệm đào tạo và ứng dụng sản xuất quy mô nhỏ; thời gian hoạt động định mức 3 giờ/ngày.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nguyên lý cơ điện tử, truyền động điện khí nén và công nghệ cắt gọt phi kim loại:

  • Lý thuyết hệ thống điều khiển khí nén: Hệ thống bao gồm 4 khối cơ bản: khối tín hiệu đầu vào (nút bấm, cảm biến quang); khối xử lý thông tin (các hàm logic AND, OR, NOT, YES, FLIP-FLOP); khối điều khiển dòng năng lượng (van đảo chiều 5/2, van tiết lưu một chiều); khối cơ cấu chấp hành (xilanh khí nén tác dụng kép). Lực đẩy lý thuyết của piston được tính toán theo công thức: $$F = P \times A$$ Trong đó: $F$ là lực tác dụng (N); $P$ là áp suất khí nén cấp vào ($P = 0{,}05\text{ N/mm}^2$); $A$ là diện tích tiết diện làm việc của piston ($A = \frac{\pi \times d^2}{4}$).
  • Lý thuyết vật liệu và công nghệ cắt: Đồ án tổng hợp các đặc tính cơ lý của gỗ (độ ẩm bão hòa thớ dao động từ 23% đến 35%, khối lượng riêng trung bình $1{,}54\text{ g/cm}^3$, công thức hiệu chỉnh cường độ theo độ ẩm $\sigma_{18} = \sigma_W [1 + \alpha (W - 18)]$). Đồng thời khảo sát cơ tính của nhựa Formex (PVC bọt cứng nén nhiệt) và Mica (Acrylic có nhiệt độ bắt cháy $460^\circ\text{C}$).
  • Phương pháp nghiên cứu: Tác giả áp dụng phương pháp thiết kế tuần tự cơ điện tử; phương pháp phân tích – tổng hợp tài liệu chuyên ngành; phương pháp so sánh lựa chọn phương án kỹ thuật; phương pháp mô phỏng thuật toán điều khiển và phương pháp thực nghiệm chế tạo mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống kỹ thuật được triển khai thành các cụm kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển điện – khí nén hoàn chỉnh.

Phân tích và lựa chọn phương án kỹ thuật

Cụm chức năng Phương án cân nhắc Lựa chọn của đề tài Lý do lựa chọn
Cụm cấp phôi 1. Băng tải con lăn/đai
2. Đẩy phôi bằng xilanh		 Phương án 1: Băng tải Kết cấu đơn giản, không gây ồn, năng lượng tiêu hao thấp, dịch chuyển phôi thanh ổn định dọc mặt phẳng ngang.
Cụm kẹp chặt 1. Kẹp bằng xilanh khí nén
2. Kẹp bằng vít me		 Phương án 1: Xilanh khí nén Thời gian đóng/mở nhanh, lực kẹp điều chỉnh dễ dàng qua van tiết lưu, kích thước nhỏ gọn.
Cụm chạy dao 1. Dẫn động bằng xilanh
2. Cơ cấu vít me		 Phương án 2: Cơ cấu vít me Tốc độ tiến dao đều đặn, chuyển động êm ái, đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài khi cắt.
Phương pháp cắt Cắt nhiệt, hồ quang, plasma, laser, cưa đĩa Lưỡi cưa hợp kim Giá thành đầu tư rẻ, kết cấu nhỏ gọn, phù hợp với phôi gỗ mỏng và tấm Formex mềm.

Thông số kỹ thuật của các cụm thiết bị chính

Dựa trên kết quả tính toán động học và yêu cầu vận hành, các linh kiện kỹ thuật được chọn lựa bao gồm:

  • Cơ cấu kẹp phôi: Xilanh khí nén tác dụng kép thân tròn mã MAL 20×75, đường kính trong lòng xilanh $d = 20\text{ mm}$, hành trình dịch chuyển $L = 75\text{ mm}$, đầu ren trục M5×0.8, hoạt động dưới dải áp suất khí nén định mức $0{,}05\text{ N/mm}^2$ tạo lực kẹp $F \ge 10\text{ N}$.
  • Cụm dẫn động băng tải: Động cơ điện một chiều giảm tốc GA25-370, điện áp $12\text{--}24\text{ VDC}$, tốc độ đầu ra 60 vòng/phút.
  • Cụm động cơ cắt: Động cơ DC model 775, điện áp định mức $12\text{--}24\text{ VDC}$, công suất không tải $11{,}4\text{ W}$ (ở 12V), dải tốc độ từ 7.600 vòng/phút (tại 12V) đến 12.000 vòng/phút (tại 24V), đường kính thân động cơ 44 mm, đường kính trục 5 mm.
  • Dụng cụ cắt: Lưỡi cưa đĩa hợp kim Makita, đường kính ngoài 110 mm, đường kính lỗ lắp trục 20 mm, bề dày thân lưỡi 1 mm, số răng cắt 40 răng, tốc độ quay tối đa cho phép 12.000 vòng/phút.
  • Hệ thống khí nén: Van điện từ đảo chiều khí nén 5/2 (5 cổng cấp/xả/làm việc, 2 vị trí chuyển đổi) điều khiển đóng mở bằng cuộn hút nam châm điện từ kết hợp van tiết lưu một chiều tinh chỉnh lưu lượng.
  • Hệ thống điều khiển trung tâm: Bộ điều khiển lập trình PLC Siemens SIMATIC S7-1200 tích hợp cổng truyền thông Profinet/Ethernet, kết hợp khối mở rộng tín hiệu vào/ra.
  • Cảm biến và nguồn cấp: Cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK (ngõ ra NPN thường hở, điện áp làm việc 5 VDC, thời gian phản hồi dưới 2 ms, khoảng cách phát hiện tùy chỉnh 3–80 cm qua biến trở); bộ nguồn tổ ong (nguồn xung biến đổi 220 VAC thành 24 VDC/12 VDC dùng biến áp xung lõi ferit, IC TL431 và diode chỉnh lưu); hệ thống rơ-le trung gian làm nhiệm vụ chuyển mạch và cách ly công suất.

Quy trình chu trình vận hành tự động (4 bước)

Chu trình cắt diễn ra tuần hoàn khép kín theo các bước:

  1. Bước 1: Nhấn nút START trên bảng điều khiển, động cơ GA25-370 khởi động kéo băng tải mang thanh phôi tiến dần vào vùng định vị gia công.
  2. Bước 2: Khi phôi đến vị trí cắt, cảm biến quang hồng ngoại E18-D80NK nhận diện vật cản và xuất tín hiệu về PLC S7-1200; bộ điều khiển ngắt nguồn động cơ băng tải và kích hoạt cuộn hút van điện từ 5/2, cấp khí đẩy cần piston xilanh MAL 20×75 duỗi thẳng kẹp chặt thanh phôi lên đồ gá.
  3. Bước 3: Sau khi phôi được cố định chắc chắn, PLC kích hoạt động cơ 775 quay lưỡi cưa đĩa, đồng thời cấp điện cho động cơ điều khiển trục vít me hạ cụm dao cắt đi xuống theo phương thẳng đứng để thực hiện quá trình cắt đứt phôi; hoàn tất hành trình cắt, động cơ vít me đảo chiều quay đưa cụm đầu cắt tịnh tiến lùi về vị trí ban đầu.
  4. Bước 4: Bộ điều khiển kích hoạt van 5/2 đổi trạng thái, khí nén đẩy piston xilanh thu cần về giải phóng phôi; chu trình lặp lại tự động từ Bước 1 cho thanh phôi kế tiếp cho đến khi có lệnh dừng từ nút STOP hoặc mất nguồn điện.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu chung

Chương này nêu bật lý do chọn đề tài dựa trên nhu cầu cơ giới hóa khâu tạo phôi trong các xưởng sản xuất, giảm bớt tác động độc hại và rủi ro lao động từ phương pháp cưa cắt thủ công. Đề tài xác định phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình máy công suất nhỏ, vận hành cắt liên tục tối đa 3 giờ/ngày đối với phôi gỗ thanh ($3 \times 30 \times 500\text{ mm}$) và phôi Formex ($5 \times 30 \times 500\text{ mm}$). Tác giả tổng quan cấu trúc một hệ thống điều khiển khí nén công nghiệp gồm nguồn năng lượng, phần tử logic, khối điều khiển và cơ cấu chấp hành.

Chương 2: Thiết kế phần cơ khí

Nội dung chương trình bày khảo sát so sánh các công nghệ cắt vật liệu hiện hữu: cắt ma sát bằng đĩa đá Bosch (nhược điểm nhiều bụi, mòn nhanh, nguy cơ cháy nổ cao), cắt nhiệt oxy-gas, cắt hồ quang, chùm tia laser (đòi hỏi chi phí thiết bị CNC rất lớn) và cắt chùm tia plasma. Chương 2 phân tích sâu về công nghệ cưa xẻ gỗ, giới thiệu 10 loại máy gia công gỗ công nghiệp (máy cưa vòng CD, cưa panel, cưa bàn trượt, cưa lọng/vanh, cưa xẻ lưỡi, máy cắt mộng, máy bóc veneer, máy đánh mộng finger, máy ép nhiệt, máy dán cạnh). Đồng thời, tác giả khảo sát tính chất vật lý của vật liệu mica, Formex và kết luận chọn phương pháp cưa đĩa răng hợp kim cứng để ứng dụng cho mô hình.

Chương 3: Thiết kế nguyên lý máy

Chương này thực hiện phân tích ưu nhược điểm của các phương án dẫn động cơ học: so sánh phương án cấp phôi bằng băng tải với phương án cấp phôi bằng xilanh khí nén; so sánh cơ cấu kẹp phôi và cơ cấu mang dao (dùng xilanh hoặc dùng vít me bi). Tác giả lựa chọn giải pháp phối hợp: băng tải cấp phôi + xilanh kẹp chặt + cụm vít me mang dao. Từ đó, nhóm nghiên cứu thiết lập sơ đồ nguyên lý hoạt động của toàn máy và xây dựng thuật toán điều khiển chu trình 4 bước khép kín.

Chương 4: Thiết kế kết cấu

Chương 4 thực hiện các phép tính kỹ thuật cơ khí cơ bản:

  • Tính chọn xilanh kẹp: Với áp suất làm việc $P = 0{,}05\text{ N/mm}^2$ và yêu cầu lực kẹp tối thiểu đạt 10 N, đường kính piston tính toán được là: $$d = 2\sqrt{\frac{A}{\pi}} = 2\sqrt{\frac{300}{\pi}} \approx 20\text{ mm}$$
  • Tính chọn động cơ kéo băng tải: Sử dụng động cơ DC giảm tốc GA25-370 đảm bảo số vòng quay định mức 60 vòng/phút.
  • Chọn động cơ cắt: Động cơ 775 tốc độ $7.600\text{--}12.000\text{ vòng/phút}$, công suất không tải $11{,}4\text{ W}$.
  • Chọn lưỡi cắt: Đĩa cưa hợp kim Makita đường kính 110 mm, 40 răng cưa, dày 1 mm.
  • Hoàn thiện bản vẽ kết cấu tổng thể phân bố không gian cho bệ máy, băng tải, cụm trượt dẫn hướng và cụm xilanh kẹp.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương này tập trung vào thiết kế phần cứng và phần mềm điều khiển điện khí nén:

  • Thuyết minh đặc tính xilanh tác dụng kép mã MAL 20×75; van đảo chiều khí nén 5/2 tác động bằng cuộn hút điện từ (nguồn 24V/220V); van tiết lưu một chiều điều chỉnh vận tốc.
  • Phân tích sơ đồ khối nguồn tổ ong (nguồn xung hạ áp AC–DC cách ly) gồm biến áp xung lõi ferit, sò công suất, IC quang và IC TL431.
  • Khảo sát nguyên lý làm việc của rơ-le trung gian điện từ và cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK (tần số riêng biệt, ngõ ra NPN, cự ly 3–80 cm, phản hồi $<2\text{ ms}$).
  • Trình bày kiến trúc phần cứng bộ điều khiển PLC Siemens S7-1200, xây dựng biểu đồ trạng thái, lập sơ đồ mạch kết nối điện và chương trình điều khiển logic.

Chương 6: Thi công thực tế

Tác giả thể hiện kết quả chế tạo, gia công cơ khí các chi tiết khung máy, lắp ráp hệ thống dẫn động băng tải, giá đỡ động cơ cắt, hệ thống đường ống khí nén và đấu nối tủ điện điều khiển PLC. Mô hình được vận hành thực tế để kiểm tra khả năng kẹp chặt, tốc độ cắt đứt phôi và độ ổn định của hệ thống cảm biến.

Kết quả và đóng góp

Đồ án hoàn thành các mục tiêu kỹ thuật đề ra, với các kết quả cụ thể:

  • Chế tạo thành công mô hình máy cắt phôi tự động hoàn chỉnh, tích hợp liên động giữa cơ khí, khí nén và điều khiển điện tử PLC.
  • Thiết lập đầy đủ hồ sơ tính toán cơ khí: xác định đường kính trong xilanh kẹp $d = 20\text{ mm}$, hành trình kẹp $75\text{ mm}$; đồng bộ động cơ cấp phôi 60 vòng/phút và động cơ cắt phôi tốc độ cao $7.600\text{--}12.000\text{ vòng/phút}$.
  • Vận hành ổn định chu trình tự động 4 bước nhờ thuật toán điều khiển trên PLC Siemens S7-1200, phản hồi tín hiệu cảm biến hồng ngoại dưới 2 ms.
  • Mô hình được người hướng dẫn đánh giá đạt 9/10 điểm, ghi nhận khả năng hoàn thành tốt các nhiệm vụ thuyết minh, số liệu tính toán động học hợp lý và bản vẽ kỹ thuật 2D rõ ràng, dễ hiểu.

Về mặt đóng góp, đề tài tự xây dựng được giải pháp kết hợp cơ cấu trục vít me chạy dao cắt tịnh tiến với cụm kẹp xilanh khí nén, thay thế cơ cấu dập cắt bằng tay truyền thống bằng chu trình tự động hóa khép kín với chi phí vật tư phù hợp điều kiện thực nghiệm tại trường đại học.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được chỉ ra trong thuyết minh và phiếu nhận xét của người hướng dẫn:

  • Tồn tại kỹ thuật được người hướng dẫn ghi nhận: Bản báo cáo còn thiếu nội dung so sánh định lượng trực tiếp giữa máy tự thiết kế và các dòng máy cắt tương tự sẵn có trên thị trường để đánh giá toàn diện ưu điểm và nhược điểm của sản phẩm.
  • Hạn chế về phạm vi làm việc: Máy chỉ mới áp dụng cắt các loại phôi vật liệu mềm (gỗ mỏng, Formex) với kích thước tiết diện nhỏ ($3 \times 30\text{ mm}$ và $5 \times 30\text{ mm}$), chưa thể gia công các loại phôi kim loại tấm hoặc thanh có độ cứng cao.
  • Hạn chế về công suất: Thiết bị thuộc nhóm công suất nhỏ, chu kỳ làm việc giới hạn ở mức 3 giờ/ngày.

Hướng phát triển tiếp theo được suy luận từ phạm vi đề tài bao gồm việc mở rộng kết cấu khung chịu lực và công suất động cơ để cắt được phôi kích thước lớn hơn, bổ sung cảm biến giới hạn hành trình cho trục vít me và nghiên cứu tích hợp màn hình giao diện HMI để điều chỉnh linh hoạt chiều dài phôi cắt.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Cơ điện tử và Tự động hóa:

  • Phần tính toán kết cấu cơ khí (Chương 4): Cung cấp công thức và quy trình tính chọn đường kính xilanh khí nén dựa trên lực kẹp, kết hợp việc lựa chọn động cơ DC giảm tốc và lưỡi cưa hợp kim cho vật liệu phi kim.
  • Phần nguyên lý và điều khiển điện – khí nén (Chương 3 và Chương 5): Cung cấp sơ đồ chu trình công nghệ 4 bước, sơ đồ van 5/2, cách đấu nối cảm biến hồng ngoại E18-D80NK và phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự trên PLC Siemens S7-1200.

Câu hỏi thường gặp

1. Phôi gia công thử nghiệm của máy trong đồ án có quy cách và vật liệu như thế nào?

Máy được thiết kế chuyên dụng để cắt phôi gỗ dạng thanh có tiết diện $3\text{ mm} \times 30\text{ mm} \times 500\text{ mm}$ và phôi tấm nhựa Formex tiết diện $5\text{ mm} \times 30\text{ mm} \times 500\text{ mm}$.

2. Vì sao cơ cấu chạy dao lại sử dụng bộ truyền vít me thay vì dùng xilanh khí nén?

Nhóm tác giả lựa chọn cơ cấu vít me cho chuyển động chạy dao nhằm đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài, tạo chuyển động tịnh tiến đi xuống ổn định và êm ái khi lưỡi cưa tiếp xúc với phôi, khắc phục nhược điểm thoát khí gây ồn và tốc độ khó kiểm soát của xilanh khí nén ở khâu cắt gọt.

3. Thông số kỹ thuật của xilanh kẹp phôi và động cơ cắt phôi được chọn là gì?

Xilanh kẹp phôi là loại xilanh khí nén tác dụng kép mã MAL 20×75, có đường kính piston $20\text{ mm}$, hành trình $75\text{ mm}$, ren trục M5×0.8, hoạt động ở áp suất $0{,}05\text{ N/mm}^2$. Động cơ cắt sử dụng động cơ DC RS-775 có dải điện áp $12\text{--}24\text{ VDC}$, tốc độ quay từ 7.600 vòng/phút đến 12.000 vòng/phút, dẫn động trực tiếp lưỡi cưa đĩa hợp kim Makita đường kính 110 mm, 40 răng.

4. Hệ thống điều khiển trung tâm và cảm biến nhận diện phôi sử dụng thiết bị gì?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình logic PLC Siemens SIMATIC S7-1200 tích hợp cổng Profinet kết hợp các rơ-le trung gian. Bộ phận cảm biến nhận diện phôi là cảm biến vật cản hồng ngoại E18-D80NK ngõ ra NPN, nguồn 5 VDC, thời gian phản hồi dưới 2 ms và dải phát hiện từ 3 cm đến 80 cm.

5. Thiếu sót chính cần chỉnh sửa được người hướng dẫn chỉ ra trong phiếu nhận xét là gì?

Người hướng dẫn (ThS. Huỳnh Hải) lưu ý đồ án cần bổ sung nội dung so sánh đối chuẩn giữa mô hình máy thiết kế với các dòng máy tham khảo sẵn có trên thị trường để làm rõ các ưu điểm và nhược điểm của sản phẩm.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, tính toán thiết kế máy cắt phôi tự động" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật – Đại học Đà Nẵng đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tự động hóa công đoạn cắt phôi gỗ và tấm Formex quy mô nhỏ. Nghiên cứu kết hợp hài hòa giữa cơ cấu cơ khí (băng tải, bộ truyền vít me), cơ cấu chấp hành khí nén (xilanh kẹp MAL 20×75) và hệ thống điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200. Kết quả tính toán, bản vẽ thiết kế 2D cùng mô hình thực nghiệm thi công thực tế đạt điểm đánh giá 9/10, cung cấp nguồn tư liệu kỹ thuật tin cậy cho công tác học tập và nghiên cứu ứng dụng cơ điện tử.