CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG SƠ ĐỒ CẮT VẬT LIỆU TẤM Chương này khảo sát tổng quan về vấn đề sắp xếp sơ đồ cắt chi tiết từ vật liệu tấm trong một số ngành công nghiệp như ngành cơ khí chế tạo, ngành giày dép, ngành chế biến gỗ, … trên thế giới và tại Việt nam để đề xuất nội dung nghiên cứu.1 Vấn đề sắp xếp sơ đồ cắt vật liệu tấm trong một số ngành công nghiệp Sơ đồ cắt chi tiết từ vật liệu tấm trong sản xuất công nghiệp rất đa dạng và phong phú.1 giới thiệu một số mô hình sơ đồ cắt: Sơ đồ cắt chi tiết trong ngành may mặc (hình 1.1-a); sơ đồ cắt chi tiết từ tấm da bò trong ngành giày da (hình 1.1-b); sơ đồ cắt cắt dập một loại chi tiết trong ngành cơ khí (hình 1.1 Một số sơ đồ cắt trong sản xuất công nghiệp Hiện nay, các loại máy dập cắt được dùng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp để cắt hàng loạt chi tiết từ vật liệu tấm vì mang lại năng suất cắt cao.1 Vật liệu tấm Vật liệu tấm (hình 1.2) được sử dụng trong công nghiệp phổ biến là các dạng tấm hình chữ nhật hoặc dạng cuộn như: tấm thép, cuộn thép, … trong ngành cơ khí; tấm cao su, tấm EVA, vải cuộn, simili, … trong ngành giày dép; tấm ván ép, ván MDF, tấm ván ghép thanh, tấm gỗ tự nhiên, … trong ngành chế biến gỗ. Mỗi loại vật liệu tấm có thể có đặc tính kỹ thuật khác nhau. Khi cắt chi tiết từ một số loại vật liệu có tính hoa văn, thớ sợi, độ bền cơ học khác nhau như tấm vải hoa, tấm có vân gỗ tự nhiên, … chi tiết được sắp xếp trên sơ đồ cắt phải theo một hướng cố định, nghĩa là, có thể đặt chi tiết ở vị trí góc nghiêng cố định nào đó trên tấm vật liệu.
1 Chi tiết được cắt từ các loại vật liệu tấm không có tính hoa văn thớ sợi như các loại tấm EVA, tấm simili, tấm cao su, tấm thép, … có thể sắp xếp theo một hướng bất kỳ, nghĩa là, có thể đặt chi tiết ở vị trí góc nghiêng bất kỳ trên tấm vật liệu. (a) Tấm vật liệu hình chữ nhật (b) Tấm vật liệu dạng cuộn Hình 1.2 Các dạng vật liệu tấm dùng phổ biến trong công nghiệp 1.2 Chi tiết Chi tiết cắt từ vật liệu tấm trong các ngành công nghiệp thường là một chi tiết phẳng có hình dạng bất kỳ. Có nhiều loại chi tiết có hình dạng đơn giản như hình tròn, hình tam giác, hình chữ nhật, hình đa giác và cũng có nhiều chi tiết có hình dạng phức tạp, đường biên của nó là một đường cong kín bất kỳ như thể hiện trên hình 1. (a) Chi tiết bản lề bên (b) Chi tiết đế giày (c) Chi tiết lá hoa trong trong ngành cơ khí trong ngành giày dép ngành chế biến gỗ Hình1.3 Một số chi tiết được gia công cắt từ vật liệu tấm 2 Để thực hiện bài toán sắp xếp sơ đồ cắt bằng phần mềm máy tính, việc đầu tiên là phải mô tả chi tiết và mô tả tấm vật liệu vào trong máy tính.
Chi tiết thường được thiết kế là các chi tiết mẫu hay còn gọi là rập, các bản vẽ trên giấy hoặc trên các phần mềm đồ họa. Trong thực tế sản xuất, chi tiết được cung cấp là một mẫu có sẵn. Ví du, trong ngành giày dép, khách hàng cung cấp một chiếc giày. Từ mẫu này, công nhân vẽ tách thành các chi tiết, gọi là rập.
Đối với các chi tiết có hình dạng đơn giản thì việc mô tả nó vào trong máy tính là dễ dàng. Tuy nhiên, khi gặp các chi tiết rập có hình dạng phức tạp, việc mô tả gặp rất nhiều khó khăn và tốn rất nhiều thời gian.3 Sơ đồ cắt Trước khi cắt chi tiết từ vật liệu tấm người thợ phải thực hiện công việc sắp xếp sơ đồ cắt.4 là một hình mô phỏng có tính quy ước vị trí các chi tiết trên sơ đồ cắt và được thể hiện bằng bản vẽ trên tờ giấy hoặc trên màn hình máy tính. Trên cơ sở bản vẽ sơ đồ cắt này người thợ xây dựng quy trình gia công cắt.4 Sơ đồ cắt chi tiết Sơ đồ cắt trong sản xuất công nghiệp rất đa dạng, phụ thuộc vào các yếu tố: - Ngành và công nghệ sản xuất như cơ khí, giày dép, chế biến gỗ, may, trang trí nội thất, … - Công nghệ cắt: cắt bằng máy dập cắt, máy phay, máy cưa; cắt bằng khí, bằng tia laser, bằng tia nước, … - Sắp xếp mỗi lần một chi tiết hay nhiều chi tiết trong một bộ sản phẩm. 3 - Loại vật liệu: tính chất cơ lý, hình dạng và kích thước; sắp xếp có định hướng hoặc không định hướng chi tiết,.
Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, phần lớn các chi tiết được gia công bằng các máy dập cắt. Khi cắt bằng các loại máy này, chi tiết được sắp xếp theo hệ tịnh tiến song song vì lý do dễ gia công và cho năng suất cao. Để có một phương án sắp xếp hợp lý, sơ đồ cắt phải đạt được các yêu cầu: Hệ số sử dụng vật liệu là cao nhất (số lượng chi tiết được nhiều nhất); đảm bảo chất lượng chi tiết sau khi cắt (thớ sợi, hoa văn, độ bền cơ học…); phù hợp với công nghệ, thiết bị cắt, cơ lý tính của loại tấm vật liệu; thuận lợi cho thao tác cắt và tiết kiệm thời gian, .4 Cắt chi tiết trong ngành cơ khí chế tạo Vật liệu tấm thép trong ngành cơ khí chế tạo thường có độ dày, độ cứng cao hơn so với các loại vật liệu trong các ngành khác. Chi tiết có thể cắt từ tấm vật liệu bằng nhiều công nghệ khác nhau như cắt bằng máy dập cắt, bằng máy phay, bằng khí axêtylen, bằng tia laser, tia nước, … Trong sản xuất công nghiệp hiện nay, máy dập cắt (hình 1.5) vẫn được áp dụng phổ biến.
Đầu dập Dải cắt Hình 1.5 Máy dập cắt chi tiết kim loại 4 Máy cắt dập truyền thống trong ngành cơ khí được truyền động bằng điện hoặc bằng thủy lực, … Đầu dập có thể di chuyển theo phương thẳng đứng còn vật liệu được di chuyển theo phương ngang. Đầu dập được thiết kế có thể cố định tại một góc xoay bất kỳ quanh trục của nó và có khả năng tạo ra lực dập theo phương thẳng đứng khi cắt chi tiết. (b) Dải cắt (a) Tấm thép (c) Sơ đồ cắt chi tiết sắp xếp trên dải Hình 1.6 Cắt chi tiết trong ngành cơ khí Do kích thước đồ gá của máy dập cắt thường nhỏ hơn so với tấm vật liệu nên trước khi cắt chi tiết, tấm thép phải được cắt thành các dải dọc theo chiều dài hoặc chiều rộng của tấm (hình 1. Khi cắt tấm vật liệu thành các dải (hình 1.6-b), người thợ phải tính toán và chọn phương án có chiều rộng của nó sao cho tối ưu, phù hợp với kích thước của bàn máy.
Trong sản xuất hàng loạt chi tiết bằng các máy dập cắt trong ngành cơ khí, chi tiết thường được sắp xếp song song theo hàng trên dải cắt (hình 1.5 Cắt chi tiết trong ngành giày dép (a) Máy dập cắt (b) Sơ đồ cắt Hình 1.7 Cắt chi tiết trong giày dép 5 Trong ngành giày dép, phần lớn chi tiết được cắt bằng máy dập cắt. Do các loại vật liệu trong ngành này là các loại vật liệu nhẹ, mềm nên các bàn máy cắt dập thường có kích thước lớn hơn so với máy cắt dập trong ngành cơ khí. Khi dập cắt, người thợ có thể trải cả tấm vật liệu lên bàn máy (hình 1. Các máy dập cắt được sử dụng tại các doanh nghiệp sản xuất giày dép hiện nay phổ biến được truyền động bằng thủy lực hoặc bằng khí nén.
Đầu dập được thiết kế là một thanh ngang có thể tạo ra lực dập cùng lúc lên một hoặc một số dao cắt theo phương thẳng đứng. Dao cắt được chế tạo rời có hình dạng giống với hình dạng của chi tiết. Khi cắt, người thợ đặt tấm vật liệu lên bàn máy, sau đó xếp một hoặc một số dao cắt lên tấm vật liệu theo sơ đồ cắt đã in ra giấy. Việc cắt chi tiết được thực hiện bằng thao tác nhấn nút máy để cho đầu dập tạo lực dập đồng thời lên các dao cắt.
Máy dập cắt CNC (hình 1.8) được ứng dụng trong ngành cơ khí cũng như giày dép được điều khiển tự động bằng chương trình. Các loại máy này có thể dập cắt tự động vật liệu dạng tấm hay cuộn. Đầu dập được di chuyển theo phương ngang còn vật liệu được di chuyển theo phương dọc. Đầu dập được thiết kế vừa có khả năng tạo ra lực dập theo phương thẳng đứng vừa có thể chuyển động xoay quanh trục.
Một chương trình được đưa vào từ máy tính có thể điều khiển được hoạt động của máy. Máy được dùng để cắt các loại vật liệu như: tấm thép, vải, cao su, nhựa, simili… Hình 1.6 Cắt chi tiết trong ngành chế biến gỗ Trong ngành chế biến gỗ, vật liệu tấm là các tấm gỗ tự nhiên. Chi tiết cắt cần phải đảm bảo tính cơ lý cũng như tính hoa văn, thớ sợi của tấm vật liệu. Do vậy, toàn bộ chi tiết trên sơ đồ cắt thường là được sắp xếp theo một hướng cố định.
Lưỡi cưa Tấm gỗ (a) Sơ đồ cắt chi tiết gỗ (b) Máy cưa lọng Hình 1.9 Cắt chi tiết trong ngành chế biến gỗ Chi tiết gỗ thường được gia công phổ biến bằng máy cưa lọng (hình 1.9-b) hoặc bằng máy phay, tia laser, … Khi cắt chi tiết bằng máy cưa lọng, chi tiết được xếp theo hàng song song (hình 1. Máy cưa thường được dẫn động bằng động cơ điện. Lưỡi cưa chuyển động tịnh tiến lên xuống theo trục đứng. Bàn máy có kích thước đủ lớn để có thể đặt cả tấm vật liệu lên bàn máy.
Việc cắt chi tiết được thực hiện bằng cách di chuyển bàn máy cùng tấm vật liệu sao cho lưỡi cưa cắt chi tiết theo đường biên của nó theo sơ đồ cắt mà người thợ đã vẽ trước lên tấm vật liệu.2 Giới thiệu một số công trình nghiên cứu và ứng dụng sơ đồ cắt 1.1 Một số công trình nghiên cứu trên thế giới Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu về tối ưu hóa sơ đồ cắt trên thế giới từ số [1] đến số [40] trong phần tài liệu tham khảo được liệt kê trong bảng 1. Mỗi công trình nghiên cứu đều đưa ra giải thuật giải bài toán tối ưu hóa sơ đồ cắt của 7 riêng họ và cũng chỉ ứng dụng để giải quyết bài toán sắp xếp sơ đồ cắt cụ thể của một ngành công nghiệp cụ thể.