Thiết kế hệ thống khoan gỗ tự động cho doanh nghiệp tư nhân Kim Long

.......................................................38 Hình 3.20 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu khoan gỗ .................................................38 Hình 3.21 Cơ cấu gạt gỗ đã khoan. .............................................................................39 Hình 3.22 Bản vẽ tách chi tiết cơ cấu gạt gỗ đã khoan ...............................................39 Hình 3.23 Rãnh dẫn hướng thanh gỗ...........................................................................40 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.24 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu gạt gỗ......................................................40 Hình 3.25 Hệ thống máy khoan gỗ tự động hoàn chỉnh. .............................................41 Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy khoan gỗ tự động ................................41 Hình 3.27 Bản vẽ tách chi tiết hệ thống máy khoan gỗ tự động..................................42 Hình 3.28 Khung bàn đặt hệ thống..............................................................................42 Hình 3.29 Các hình chiếu và kích thước khung bàn đặt hệ thống...............................43 Hình 3.30 Xilanh đẩy gỗ. .............................................................................................44 Hình 3.31 Xilanh kẹp gỗ. .............................................................................................45 Hình 3.32 Xilanh đẫy dàn khoan. ................................................................................46 Hình 3.33 Xilanh gạt gỗ...............................................................................................46 Hình 3.34 Động cơ khoan ............................................................................................47 Hình 3.35 Động cơ kéo băng tải ..................................................................................47 Hình 3.36 Cảm biến từ dùng cho xilanh và công tắc hành trình.................................48 Hình 3.37 Biểu đồ trạng thái của hệ thống. ................................................................50 Hình 3.38 Sơ đồ mạch khí nén. ....................................................................................50 Hình 3.39 Sơ đồ mạch điều khiển. ...............................................................................51 Hình 3.40 Sơ đồ mạch động lực...................................................................................51 Hình 3.41 Hình ảnh thực tế của hệ thống đã được thiết kế. ........................................53 Hình 3.42Xilanh đẩy gỗ. ..............................................................................................53 Hình 3.43 Phễu cấp gỗ ................................................................................................53 Hình 3.44 Thanh gỗ được đẩy vào vị trí kẹp ...............................................................53 Hình 3.45 Thanh gỗ được kẹp bởi Xylanh kẹp. ...........................................................53 Hình 3.46 Động cơ khoan lỗ........................................................................................54 Hình 3.47 Xilanh gạt gỗ ra thùng chứa .......................................................................54 Hình 3.48 Tủ điện điều khiển.......................................................................................54 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG B. BẢNG BIỂU Bảng đơn vị thứ nguyên tính lực ..................................................................................16 Bảng mã màu VDI/ VDE 0113/57113.........................................................................23 - 1 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG PHẦN MỞ ĐẦU Mặt hàng thủ công mỹ nghệ hiện nay đang rất phát triển tại Biên Hòa và nhiều nơi khác có giá trị xuất khẩu cao. Trong đó để làm ra các sản phẩm như: kệ, vali, … phải thông qua công đoạn làm khung. Trong công đoạn này phải tiến hành các bước như cắt cây, khoan cửa, ghép khung…. Và hầu hết các doanh nghiệp đang sản xuất dưới hình thức là thủ công. Vì vậy năng suất thấp đồng thời gây ra sai số lớn đặc biệt là công đoạn khoan cửa kệ hoặc vali. Khi khoan cửa người công nhân thường dùng máy khoan bàn và tốn rất nhiều thời gian cho việc khoan, làm cử. Thiết kế hệ thống máy khoan gỗ tự động từ khâu cấp liệu đến khoan hai lỗ cho thanh gỗ cung cấp cho các công đoạn tiếp theo, hệ thống còn có thể thay đổi khoảng cách giữa hai lỗ một cách nhanh chóng. Do đó việc tăng năng suất sản xuất, nâng cao độ chính xác, giảm tối thiểu các sai lệch trong quá trình khoan gỗ là yêu cầu cần thiết đối với các doanh nghiệp sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ. Được sự chấp thuận của Hội đồng khoa học và đào tạo khoa Cơ Điện trường Đại học Lạc Hồng, đề tài được mang tên: “Thiết kế hệ thống máy khoan gỗ tự động”. Đề tài được tiến hành dưới sự hướng dẫn của Th.S Phạm Văn Toản, các sinh viên thực hiện: Nguyễn Thành Chung và Lưu Đăng Khoa. Nội dung thực hiện của đề tài là ứng dụng tự động hóa để thực hiện công việc khoan hai lỗ cho thanh gỗ cung cấp cho các doanh nghiệp sản xuất mặt hàng thủ công mỹ nghệ. Hệ thống sẽ đảm bảo độ chính xác của hai lỗ khoan trên thanh gỗ cao hơn so với các thanh gỗ sau khi được người công nhân tiến hành khoan bằng tay. Mục đích của đề tài là nâng cao độ chính xác của hai lỗ khoan trên thanh gỗ và nâng cao năng suất. - 2 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 Mặt hàng thủ công mỹ nghệ 1.1.1 Nguyên vật liệu của mặt hàng thủ công mỹ nghệ. [12] Các làng nghề truyền thống ở nước ta rất đa dạng và phong phú, nổi bật nhất là các ngành nghề chạm trổ, điêu khắc gỗ, đan mây - tre - lá … đang rất thịnh hành, đặc biệt ở Biên Hòa, tạo ra nhiều sản phẩm như: kệ, vali, túi xách, bình hoa, bàn ghế, … từ nguồn nguyên vật liệu dân dã như: lá bèo, dây chuối sứ, lục bình khô, dây đai, cói, tre trúc, rơm rạ, … các nghệ nhân tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế và nghệ thuật cao, được thị trường các nước: Mỹ, Pháp, Đức, Ý, Hàn Quốc, … rất ưa chuộng. Hình 1.1 Nguyên vật liệu từ cây mây – tre – lá. - 3 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG 1.1.2 Sản phẩm thủ công mỹ nghệ. [12] Sau khi nguyên liệu thô từ thân cây đay, lục bình được người dân thu hoạch, xử lý sơ bộ trở thành nguyên liệu chính để sản xuất các mặt hàng thủ công mỹ nghệ. Nguyên liệu được chuyển đến tay nghệ nhân để tạo ra các sản phẩm xuất khẩu. Hình 1.2 Các sản phẩm: kệ, vali. Hình 1.3 Các sản phẩm: giỏ đựng hoa quả. - 4 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 1.4 Laptop có vỏ ngoài làm từ tre thiên nhiên . 1.2 Quy trình sản xuất sản phẩm: kệ hoặc vali. [13] Để hình thành đươc một sản phẩm có giá trị cao về mặt kinh tế, doanh nghiệp phải bắt tay vào việc làm chuẩn bị nguyên liệu gỗ để làm khung, từ khung đó người nghệ nhân mới hình thành các loại mặt hàng. Làm sạch các thành phần dư thừa của sản phẩm là công đoạn kế tiếp cuối cùng là hoàn thiện, đóng gói sản phẩm. Hình 1.5 Sơ đồ khối các công đoạn chính hoàn thành sản phẩm kệ hoặc vali. - 5 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Trong các công đoạn được trình bày trên hình thì làm khung là một trong các công đoạn quan trọng để có thể hình thành nên một sản phẩm đạt tiêu chuẩn, có chất lượng mà khách hàng yêu cầu. 1.3 Quy trình khi người công nhân khoan gỗ bằng tay. [13] Hình 1.6 Sơ đồ khối các công đoạn khoan hai lỗ cho thanh gỗ bằng tay. Ưu điểm: - Chi phí đầu tư thấp. - Phù hợp cho sản xuất đơn chiếc. .Nhược điểm: - Phế phẩm nhiều. - Tốn khá nhiều thời gian cho việc canh chỉnh cử. - Năng suất tương đối thấp. 1.4 Kiến thức cơ bản về vật liệu gỗ. [5] Gỗ có các ưu điểm như: nhẹ, cường độ cao, đàn hồi, có thể chịu đựng va đập và chấn động, lại có hoa văn đẹp. Gỗ là vật liệu không thể thiếu trong xây dựng kinh tế và đời sống. - 6 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Gỗ là vật liệu thiên nhiên, phân biệt gỗ một cách chính xác, sử dụng gỗ một cách đúng đắn, tìm hiểu và nắm vững đặc trưng của gỗ là việc hết sức cần thiết. Gọi vật liệu gỗ là để chỉ bộ phận thân cây có tác dụng trong công nghệ mộc sau khi đã loại bỏ lá cành và rể. Tính chất vật liệu của gỗ: Nước và hàm lượng nước trong gỗ, thành phần nước và hàm lượng nước trong gỗ chiếm phần lớn trọng lượng gỗ. Thành phần nước này ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của gỗ. Gỗ sẽ thay đổi theo sự tăng giảm của nước. Phương pháp xác định hàm lượng nước: Gỗ tươi: hàm lượng nước 50 – 100 %. Gỗ ướt: gỗ vận chuyển dưới nước hoặc bảo quản dưới nước thường có hàm lượng nước trên 100 %. Gỗ tự nhiên: gỗ để khô tự nhiên hàm lượng nước khoảng 12 -18 %. Gỗ sấy khô: gỗ sấy nhân tạo hàm lượng nước khoảng 4 – 15 %. Phương pháp tính tỷ số nước: Tỷ số nước là tỷ số giữa trọng lượng nước chứa trong gỗ so với trong lượng gỗ gọi là tỷ số chứa nước. %.100×−= kho khouot G GGW Trong đó: Gướt : là trọng lượng gỗ ướt (gam). Gkhô : là trọng lượng gỗ khô hoàn toàn (gam). W : tỷ số chứa nước của gỗ (%). Các thanh gỗ dùng trong ngành sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ được lấy từ các loại cây được trồng đại trà ở nước ta như: Thông, Điều, Xà Cừ, Tràm, … - 7 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 1.7 Nguyên liệu gỗ. [12] Đây là những loại gỗ có cấu tạo và cơ tính không cứng chắc nên rất thuận lợi cho việc chọn tốc độ và công suất của động cơ khoan. 1.5 Quá trình cắt và các yếu tố cắt khi khoan. [10] Khi khoan, mũi khoan có chuyển động quay tròn, đồng thời chuyển động tịnh tiến theo chiều trục mũi khoan. t so /2 t=D/2 S0 /2 Hình 1.8 Các yếu tố của chế độ cắt khi khoan. [10] Tốc độ cắt V :là tốc độ vòng ứng với đường kính lớn nhất của mũi khoan. phmnDV / 1000 ..π= - 8 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Trong đó : D – đường kính của mũi khoan. n – số vòng quay của mũi khoan trong một phút (vòng/phút). Lượng chạy dao S: là khoảng di chuyển của mũi khoan sâu vào trong vật sau một vòng quay của mũi khoan. Được tính bằng mm/vòng. Vì mũi khoan có hai lưỡi cắt chính nên lượng chạy dao của một lưỡi là: vòngmmSSZ /2 = Lượng chạy dao phút tính theo công thức: nSS ph .= mm/ph. Chiều rộng cắt b, chiều dài cắt a và diện tích lớp cắt f. Khi tính bỏ qua không tính đến ảnh hưởng của lưỡi cắt ngang: Ta có: ϕSin Db 2 = (mm) ; ϕSinSa 2 = (mm). Khi khoan lỗ ở vật đặc thì: 2 4 . mmSDbaf == Khi khoan lỗ rộng thì: 2 4 ).(. mmSdDbaf −== Diện tích cắt ứng với một vòng quay của mũi khoan là: F = 2f = 2a.b (mm2). ` Lực cắt khi khoan: Công cắt khi khoan là do lực tác dụng lên lưỡi cắt của mũi khoan sinh ra. Lực tác dụng lên mũi khoan được phân thành ba thành phần lực theo các trục tọa độ ox, oy, oz . Các thành phần đó là: a- Lực Py còn gọi là lực hướng kính tác dụng trên hai lưỡi cắt chính, có trị số bằng nhau và ngược chiều nhau nên cùng triệt tiêu lẫn nhau. Nếu chú ý cả hai lưỡi cắt phụ thì phải kể cả hai lực Py’ nữa và chúng cũng triệt tiêu lẫn nhau. b- Lực chiều trục P0 có xu hướng chống lại lực chạy dao. Lực P0 bằng tổng các lực chiều trục Px tác dụng lên lưỡi cắt chính, lực chiều trục Px’ tác dụng lên lưỡi cắt phụ và lực chiều trục Pn tác dụng lên lưỡi cắt ngang. - 9 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Lực Px chiếm khoảng 40% lực P0. Lực Px’ chiếm khoảng 3% lực P0. Lực Pn chiếm khoảng 57% lực P0 . A A Pz Px Py x yPz Py Px A A z Hình 1.9 Lực cắt khi khoan. [10] c- Lực tiếp tuyến Pz gây ra mômen cắt chính. Thực nghiệm chứng tỏ rằng 80% mômen là do lực tiếp tuyến tác dụng trên lưỡi cắt chính, 12% là do lực tiếp tuyến trên lưỡi cắt phụ, còn lại 8% là do lực tiếp tuyến trên lưỡi cắt ngang. Hiện nay chưa có công thức lý thuyết để tính mômen cắt và lực chiều trục. Người ta nghiên cứu bằng thực nghiệm ảnh hưởng của các yếu tố cắt và điều kiện gia công đến mô men và lực cắt rồi từ đó lập nên các công thức thực nghiệm có dạng sau đây: Mô men cắt : Mx = Cm . D sx ym m. Km (N.mm). Lực chiều trục : P0 = C0 . D s K x y p p p. 0 (N). Trong đó : Cm, C0 - Hệ số phụ thuộc tính chất vật liệu gia công, hình dạng hình học của mũi khoan và các điều kiện khác. - 10 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG D - Đường kính mũi khoan mm. S - lượng chạy dao mm/vg. Các gía trị của các hệ số Cm,C0 của các số mũ xm, ym, xp, yp ,các giá trị của hệ số điều chỉnh Km, Kp0 có thể tra trong sổ tay về chế độ cắt. Đối với mũi khoan đường kính nhỏ (D<10mm),để tăng độ bền và độ cứng vững của chúng người ta chọn góc xoắn ω = 18-280. Ảnh hưởng của lượng chạy dao và đường kính mũi khoan đến lực hướng trục và momen xoắn : Khi khoan thép : ym =0,8 và yp = 0,7; Khi khoan gang : ym = 0,8 và yp = 0,8; Khi gia công thép các bon kết cấu ( ơb = 750 N/mm2 ) thì Cm = 33,8 và C0 = 84,7; khi gia công gang xám thì Cm = 23,3 và C0 = 60,5. Ảnh hưởng của vật liệu gia công: Thay đổi tính chất cơ lý của vật liệu gia công cũng dẫn đến sự thay đổi lực chiều trục và mô men xoắn. Tốc độ cắt khi khoan và các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ cắt: Tốc độ cắt khi khoan phụ thuộc vào lượng chạy dao s, đường kính mũi khoan D, tuổi bền T, chiều sâu khoan lỗ l , các thông số hình học của bộ phận cắt, vật liệu chế tạo mũi khoan , vật liệu gia công dung dịch trơn nguội. Qua nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng đến tốc độ cắt, ta lập được các công thức thực nghiệm có dạng sau đây: V= C D T s Kv x m y v v v . . (m/ph). Trong đó : Cv : Hệ số tỉ lệ ứng với một loại vật liệu gia công nhất định. Kv : Hệ số điều chỉnh tốc độ đo do các điều kiện cắt khác nhau. Dưới đây ta xét ảnh hưởng của các nhân tố đến tốc độ cắt khi khoan. - 11 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG a. Ảnh hưởng của lượng chạy dao: Khi tăng lượng chạy dao thì tốc độ cắt phải giảm xuống. Mức độ giảm được biểu thị bằng số mũ yv . Trị số của só mũ này phụ thuộc vào lượng chạy dao, vật liệu chế tạo mũi khoan và vật liệu gia công . b. Ảnh hưởng của đường kính mũi khoan: Khi tăng đường kính mũi khoan thì độ cứng vững của mũi khoan tăng, điều kiện truyền nhiệt cũng được cải thiện. Nhưng khi tăng đường kính mũi khoan thì vì t = D/2 tăng nên hạn chế việc tăng tốc độ cắt. c. Ảnh hưởng của chiều sâu lỗ khoan l: chiều sâu lỗ khoan càng lớn (khoan càng sâu) thì điều kiện cắt càng xấu. Vì lỗ khoan càng sâu thoát phoi càng khó. Do đó khi khoan lỗ có chiều dài l >3D thì tốc độ cắt khi khoan phải nhân với hệ số điều chỉnh tốc độ Kv lỗ (tra trong các sổ tay kỹ thuật). d. Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến tốc độ khi khoan: Ảnh hưởng của vật liệu gia công đến tốc độ cắt được biểu thị bằng hệ số điều chỉnh KVL Giá trị gần đúng của hệ số Kvl có thể tính theo công thức thực nghiệm sau đây: Kvl = 750 σb nv⎛ ⎝⎜ ⎞ ⎠⎟ Trong đó : σb giới hạn bền của vật liệu N/mm2. nv số mũ . Nếu σb < 550 N/mm2 thì nv = -0,9 Nếu σb > 550 N/mm2 thì nv = 0,9 e. Ảnh hưởng của vật liệu làm mũi khoan đến tốc độ cắt . Ảnh hưởng của vật liệu làm mũi khoan được biểu thị bằng hệ số điều chỉnh Kvd. Đối với mũi khoan thép gió P18 và P9 thì Kvd =1 còn đối với mũi khoan chế tạo bằng thép hợp kim dụng cụ 9XC có Kvd = 0.65, mũi khoan bằng thép cac bon dụng cụ Kvd= 0,5 và mũi khoan hợp kim cứng thì Kvd = 2 - 3. - 12 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Chọn chế độ cắt hợp lý khi khoan: Để xác định chế độ cắt và các thông số hình học hợp lý của mũi khoan. phải xuất phát từ các điều cơ bản sau : a. Lượng chạy dao nên chọn lớn nhất, nhưng phải phù hợp với các điều kiện kỹ thuật của lỗ gia công như độ bóng, độ chính xác, các nguyên công tiếp sau khi khoan. b. Tốc độ cắt phải đảm bảo tuổi bền lớn nhất . Cụ thể chế độ cắt được lựa chọn theo trình tự sau: - Chọn mũi khoan: Mũi khoan có thể có nhiều hình dạng khác nhau tùy theo công dụng và vật liệu chế tạo mũi khoan. Ở mũi khoan thép gió thì các thông số hình học của phần cắt mũi khoan đã được tiêu chuẩn hoá, còn đối với mũi khoan gắn hợp kim cứng tùy từng loại vật liệu gia công mà hình dáng hình học có thể khác nhau. Khi chọn hình dáng hình học phải xét sao cho có lợi về mặt lực cắt, tốc độ cắt và tuổi bền của dao. - Với đường kính lỗ D<35mm thì khoan 1 lần, khi đó chiều sâu cắt là t = D/2. với D > 35mm thì khoan 2 lần, lần đầu dùng mũi khoan có đường kính D1 = (0,5 -0,7 ) D - Chọn lượng chạy dao tối đa cho phép . Như đã biết lượng chạy dao phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố : điều kiện kỹ thuật, độ bền của mũi khoan, độ bền và độ cứng vững của cơ cấu chạy dao, chiều sâu khoan. Lượng chạy dao cho phép bởi độ bền của mũi khoan có thể tính theo công thức sau: Khoan thép s = 38,8 D b 0 81 0 94 , ,σ (mm/vg) Khoan gang s = 7,34 D HB 0 81 0 75 , , (mm/vg) - 13 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Trong đó : σb giới hạn của vật liệu gia công . HB Độ cứng của gang được gia công . - Với D và s đã chọn cho trước tuổi bền T, tính chế độ cắt và số vòng quay . - Xác định lực chiều trục P0, mômen xoắn Mx và công suất cắt Nc. Nếu như đã chọn máy trước thì kiểm nghiệm P0, Mx, Nc theo D, s ,n ,v đã chọn. - Tính thời gian máy. Thời gian máy T0 được tính theo công thức: T0 = L n s. (ph) Trong đó : L - chiều dài hành trình của mũi khoan theo phương chạy dao (mm) L = l + l1 + l2 l - chiều dài (chiều sâu) khoan (mm) l1 - lượng ăn tới mm . Ta có : l1 = D g 2 cot ϕ l2 - lượng vượt quá (mm). Đối với mũi khoan tiêu chuẩn có thể lấy l1+l2 = 0,3 D. 1.6 Lý thuyết về khí nén. 1.6.1 Cấu trúc của hệ thống truyền động bằng khí nén. [9] Các thành phần trong hệ thống truyền động bằng khí nén dù đơn giản hay phức tạp đều có thể được chia thành 4 nhóm cơ bản sau: + Nhóm cung cấp năng lượng, gồm các thiết bị cung cấp không khí nén như: máy nén, bình chứa, bộ điều tiết áp suất và các thiết bị xử lý khí nén ( bộ lọc, bộ sấy … ). + Nhóm các phần tử nhập, gồm có: van điều khiển hướng, chuyển mạch giới hạn, nút nhấn và các cảm biến. + Nhóm các phần tử xử lý gồm: phần tử logic, van điều khiển áp suất, … - 14 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG + Nhóm các phần tử điều khiển sau cùng và các phần tử tác động ( hay các phần tử đầu ra ) trong đó: - Các phần tử điều khiển sau cùng có các van điều khiển hướng. - Các phần tử tác động gồm: xylanh khí nén, động cơ khí nén, các phần tử chỉ báo (đèn chỉ thị …). - Các phần tử trong hệ thống được biểu diển bằng các ký hiệu, các ký hiệu cũng thể hiện một cách vắn tắt chức năng của phần tử. Sự kết hợp các phần tử khí nén theo một logic sẽ thực hiện các chức năng điều khiển theo yêu cầu tương ứng, sự kết hợp các ký hiệu của các phần tử sẽ tạo nên sơ đồ mạch của hệ thống. 1.6.2 Các yêu cầu về khí nén. [9] Không khí nén cung cấp cho hệ thống điều khiển và các phần tử sinh công có các yêu cầu cơ bản sau: - Không khí nén phải sạch. - Không khí nén phải khô. - Áp suất của không khí nén phải đúng yêu cầu. Không khí nén nếu chứa chất bẩn có thể gây rối loạn hoạt động trong mạch điều khiển. Các chất bẩn từ xâm nhập vào khí nén gồm: hơi nước, bụi bẩn, dầu bôi trơn còn sót lại của máy nén khí, các lớp vảy, rỉ sét, … Do không khí nén sẽ tiếp xúc với nhiều thiết bị làm việc khác nhau như: xilanh, các phần tử điều khiển, các phần tử tạo tín hiệu, … nên nhất thiết phải loại trừ các chất bẩn ra khỏi không khí nén. Không khí nén sạch sẽ làm tăng tuổi thọ của các thiết bị, giảm đến mức tối thiểu thời gian ngừng hoạt động do hư hỏng . Phải lưu ý đặc biệt đến lượng hơi nước có trong không khí nén. Do không khí từ môi trường được hút vào máy nén rồi nén lại nên không khí nén cung cấp cho hệ thống sẽ có hơi nước. Lượng hơi nước phụ thuộc chủ yếu vào độ ẩm tương đối, nghĩa là phụ thuộc vào nhiệt độ và điều kiện thời tiết của môi trường. Nếu vượt qua điểm bảo hòa của không khí nén, hơi ẩm sẽ ngưng tụ thành nước. - 15 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Dầu bôi trơn còn sót lại ở máy nén khí cùng với không khí nén có thể tạo ra một hỗn hợp gồm dầu dạng sương và không khí, đây là hỗn hợp khí cháy, nó có thể gây nổ ở nhiệt độ cao ( trên 353 oK ). 1.7 Hệ thống khí nén. 1.7.1 Máy nén khí. [4] Nguyên tắc hoạt động. Nguyên lý thay đổi thể tích: Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó thể tích buồng sẽ nhỏ lại như vậy theo định luật Boyle – Mariotte áp suất trong buồng chứa sẽ tăng lên. Các máy nén khí hoạt động theo kiểu này như máy nén khí kiểu pittông, cánh gạt, bánh răng. Nguyên lý động năng: Không khí được dẫn vào buồng chứa, ở đó áp suất khí nén được tạo ra bằng động năng của bánh dẫn. Nguyên tắc hoạt động này tạo ra lưu lượng và công suất lớn. Các máy nén khí hoạt động theo kiểu này là máy nén khí kiểu li tâm. Hình 1.10 Máy nén khí. [12] 1.7.2 Xilanh tác động đơn. [3] Trong xilanh tác động đơn, không khí nén chỉ đặt vào một phía của Piston, phía còn lại thông với khí quyển. Xilanh chỉ tạo ra công theo một chiều, chuyển động trở về của Piston là do tác động của lò xo nén hay của ngoại lực. Lò xo nén được thiết kế sao cho phản lực do nó tạo ra đưa Piston ở trạng thái không tải trở về vị trí ban đầu một cách nhanh chóng. - 16 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG (a) (b) (a): chiều tác động ngược lại do ngoại lực tác động. (b): chiều tác động ngược lại do lực lò xo tác động. Hình 1.11 Ký hiệu xilanh tác động đơn. [3] Trong xilanh tác động đơn, với sự trở về vị trí ban đầu của Piston nhờ tác dụng của lò xo, hành trình của Piston bị giới hạn bởi chiều dài tự nhiên ( chiều dài ở trạng thái không bị nén ) của lò xo. Vì vậy loại xilanh này có hành trình Piston xấp xỉ 80 mm. Cần Piston tạo ra lực đẩy F được tính bằng tích của diện tích bề mặt Piston A và áp suất trong xylanh pe. Đơn vị thứ nguyên của lực được tính theo bảng sau: Bảng đơn vị thứ nguyên tính lực: [4] Lực tác động lên Piston được tính theo công thức: [4] Fz = A . pe - FR - FF Trong đó : Fz [daN] : Lực tác động lên Piston - 17 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG A = D2. / 4 [cm2] : Diện tích Piston D [cm] : Đường kính Piston pe [bar] : Áp suất khí nén trong xilanh. FR : Lực ma sát, phụ thuộc vào chất lượng bề mặt giữa Piston và xilanh, vận tốc chuyển động của Piston, loại vòng đệm, trạng thái vận hành bình thường, lực ma sát FR = 0,15 . A . p FF : Lực lò xo Xilanh tác động đơn có cấu tạo và hoạt động đơn giản nên vận hành chắc chắn và với đặc điểm là hành trình Piston ngắn nên loại xilanh này được sử dụng trong các ứng dụng như: + Kẹp chặt các chi tiết. + Các tác động cắt. + Các tác động nén, ép. + Nạp và nâng các chi tiết. 1.7.3 Xilanh tác động kép. [3] Nguyên tắc cấu tạo của xilanh tác động kép tương tự như xilanh tác động đơn. Tuy nhiên trong xilanh tác động kép không có lò xo trở về và 2 cổng của xilanh vừa có chức năng là cổng nạp vừa có chức năng là cổng thoát khí. Ưu điểm của xilanh tác động kép là có thể sinh công ở cả hai chiều chuyển động. Cần lưu ý rằng lực được truyền bởi thanh đẩy Piston trong hành trình duổi ra hơi lớn hơn so với hành trình trở về. Sở dĩ có điều này vì bề mặt tác dụng của Piston ở phía có thanh Piston bị giảm do diện tích mặt cắt ngang của thanh Piston. Trong loại xilanh này, ở cả hai chiều chuyển động xilanh đều chịu sự điều khiển bởi nguồn không khí nén cung cấp. Về nguyên tắc, chiều dài hành trình của xilanh không bị giới hạn nhưng khi thanh Piston (còn gọi là cán Piston) dài cần phải xem xét sự công vênh, sự mất ổn định do uốn dọc trong hành trình duổi ra của Piston. - 18 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Cũng giống như xilanh tác động đơn, việc làm kín giữa Piston và xilanh được thực hiện nhờ các vòng đệm kín hoặc các màng. Xilanh tác dụng kép được chia làm 2 loại: Xilanh tác dụng kép không có giảm chấn ở cuối hành trình. Xilanh tác dụng kép có giảm chấn ở cuối hành trình. Nguyên lý hoạt động của xilanh tác dụng hai chiều là áp suất khí nén được dẫn vào cả hai phía của xilanh. Các đặc tính kỹ thuật của xylanh. [4] Các đặc tính kỹ thuật của xylanh có thể được xác định bằng lý thuyết hoặc bằng các số liệu do nhà sản xuất cung cấp. Cả hai phương pháp đều được chấp nhận, nhưng một cách tổng quát thì các số liệu của nhà sản xuất có liên quan với đặc điểm cấu tạo và ứng dụng cụ thể hơn. Lực tác động của Piston. Lực tác động của Piston phụ thuộc vào các yếu tố: áp suất không khí nén, đường kính xylanh và sự ma sát của các bộ phận làm kín. Về mặt lý thuyết lực Piston được tính gần đúng bằng công thức: Trong đó: + Fth : Lực Piston (N). + A : Diện tích tác dụng của Piston (m2). + p : Áp suất hoạt động (Pa). Lực tác động lên cần Piston của xylanh tác động kép. Khi tính toán lực cần phải để ý đến chiều chuyển động của cần Piston. Lực tác động khi cần Piston đi ra: Trong đó: FA [daN] : Lực tác động khi cần Piston đi ra. A1 [cm2] : Diện tích mặt đáy Piston. A1 = π . D2 / 4. FA = A1 . pe2 . η Fth = A . p - 19 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG D [cm] : Đường kính mặt đáy Piston. pe2 [bar] : Áp suất khí nén trong xylanh. η : Hiệu suất xylanh, thông thường η = 0,8. Lực tác động khi cần Piston đi vào: Trong đó: FE [daN] : Lực tác động khi cần Piston đi vào. A2 [cm2] : Diện tích vòng găng Piston. A2 =π .( D2 – d2)/ 4. D [cm] : Đường kính mặt đáy Piston. D [cm] : Đường kính cần Piston. pe2 [bar] : Áp suất khí nén trong xylanh. η : Hiệu suất xylanh, thông thường η = 0,8. Kiểm tra tải trọng cho phép của cần Piston. [4] Hình 1.12 Tải trọng lên cần Piston. [4] A. Trường hợp l = h B. Trường hợp l = 2h FE = A2 . pe2 . η - 20 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Trong thực tế, vị trí của xylanh như trong hình có ý nghĩa để kiểm tra tải trọng cho phép của cần Piston. Người ta phân ra làm hai loại: Trường hợp l = h: 2 2 2 2 .4 .. .4 .. h JE l JEFK ππ == Trường hợp l = 2.h: 2 2 2 2 .4 .... h JE l JEFK ππ == 1.7.4 Van đảo chiều 5/2. [4] Nguyên lý hoạt động của van đảo chiều 5 / 2 tác động bằng nam châm điện van phụ trợ bằng khí nén: Hình 1.13 Trạng thái 0 của van 5/2. Van đảo chiều 5/ 2 đang ở trạng thái 0, nghĩa là van chưa có tín hiệu, nguồn từ cửa ( P ) sẽ thông với cửa ( B ). Hình 1.14 Trạng thái van 5/2 có tín hiệu tác động. Trạng thái van khi có tín hiệu tác động - 21 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Theo hình 1.14, khi có tín hiệu thì đường (14) có tín hiệu thì nòng van sẽ dịch chuyển sang phải nhờ tác dụng của từ truờng và nguồn từ cửa (P) sẽ di chuyển thông lên cửa (A). Khi mất tín hiệu thì do áp lực của lò xo nòng van sẽ di chuyển sang trái và nguồn cửa (P) thông lại với cửa (B). Ký hiệu: 1.7.5 Van tiết lưu. [4] Van tiết lưu có nhiệm vụ điều chỉnh lưu lượng dòng khí, tức là điều chỉnh vận tốc hoặc thời gian của cơ cấu chấp hành. Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng khí qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện. Van tiết lưu lắp trực tiếp lên cửa S và cửa R của van đảo chiều, để điều chỉnh vận tốc đường ra của cơ cấu chấp hành. Hình 1.15 Cấu tạo van tiết lưu hai chiều có tiết diện thay đổi. [4] - 22 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG ¾ Van Tiết Lưu Một Chiều Điều Chỉnh Bằng Tay: Nguyên lý hoạt động của van tiết lưu một chiêu điều chỉnh bằng tay được trình bày như hình sau: tiết diện chảy Ax thay đổi nhờ điều chỉnh vít điều chỉnh bằng tay. Khi dòng khí nén đi từ A qua B, lò xo đẩy màng chắn xuống và dòng khí nén chỉ đi qua tiết diên Ax. Khi dòng khí nén đi từ B sang A, áp suất khí nén thắng lực lò xo đẩy màng chắn lên và như vậy dòng khí nén sẽ đi qua khoảng hở giữa màng chắn và mặt tựa màng chắn, lưu lượng không được điều chỉnh. Hình 1.16 Cấu tạo và ký hiệu van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay. [4] Hình 1.17 Hình dạng thực tế van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay của hãng Festo. [4] - 23 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG 1.8 Các thiết bị chỉ báo. [9] Các thiết bị chỉ báo được dùng để báo hiệu tình trạng hoạt động của hệ thống khí nén và trợ giúp cho việc chẩn đoán hư hỏng. Một số thiết bị chỉ báo thông dụng: 9 Các thiết bị chỉ háo bằng ánh sáng, một hoặc nhiều màu. 9 Các bộ đếm, hiển thị các chu kỳ đếm được. 9 Áp kế, chỉ thị giá trị của áp suất không khí. 9 Timer, hiển thị thời gian trì hoãn. Các thiết bị chỉ báo bằng ánh sáng được quy định mỗi màu biểu thị cho một tình trạng của hệ thống. Các thiết bị chỉ báo này được đặt trên một Panel điều khiển để chỉ báo tình trạng của hệ thống. BẢNG MÃ MÀU VDI/ VDE 0113/57113 [9] Màu Ý nghĩa Chú ý Đỏ Báo động nguy hiểm khẩn cấp Tình trạng máy cần được can thiệp tức thời Vàng Chú ý Các điều kiện của hệ thống thay đổi hoặc sắp thay đổi Xanh lá cây An toàn Hoạt động bình thường, an toàn Xanh lục Thông tin đặc biệt Có ý nghĩa đặc biệt mà không thể làm rõ ràng bởi các màu đỏ, vàng hoặc xanh lá Trắng hoặc màu sáng Thông tin tổng quát Không có ý nghĩa đặc biệt - 24 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 2 HIỆN TRẠNG TẠI DOANH NGHIỆP Hiện nay trên lĩnh vực sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ nói chung và trong việc sản xuất các mặt hàng như: kệ, va li, ... nói riêng, các doanh nghiệp thường chủ yếu dùng máy khoan bàn để tiến hành khoan lỗ cho các thanh gỗ. ( Doanh Nghiệp Tư Nhân Kim Long. Địa chỉ: Đường Phi Trường – Phường Tân Phong – Thành Phố Biên Hòa – Tỉnh Đồng Nai ). Hình 2.1 Khoan gỗ bằng máy khoan bàn tại DNTN Kim Long. [13] Quy trình hình thành sản phẩm kệ, vali tại Doanh Nghiệp Tư Nhân Kim Long. n Chuẩn bị gỗ: Khung kệ được hình thành từ các thanh gỗ có kích thước 20 x 20 x 300 mm. - 25 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 2.2 Các thanh gỗ có kích thước 20 x 20 x 300 mm. [13] o Sau đó đem thanh gỗ đi khoan lỗ: có thể khoan bằng máy khoan bàn hoặc máy khoan tay. Hình 2.3 Dùng máy khoan bàn hoặc khoan tay để khoan lỗ. [13] p Trong khi khoan lỗ, người thợ phải canh chỉnh sao cho đúng kích thước và khoảng cách giữa hai lỗ, công đoạn này tốn rất nhiều thời gian. - 26 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 2.4 Người thợ mất nhiều thời gian canh chỉnh cử. [13] q Sau khi khoan xong, dùng thanh thép hình chữ U để bắt vào thanh gỗ. Hình 2.5 Thanh thép chữ U được bắt vào thanh gỗ. [13] r Sau khi bắt xong, tiếp tục ghép các thanh gỗ lại với nhau ta được như hình: - 27 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 2.6 Khung kệ hoàn chỉnh. [13] s Cuối cùng là công đoạn đan lát. Hình 2.7 Thợ thủ công đang thực hiện công đoạn đan lát. [13] KẾT LUẬN: Chi phí đầu tư cho công đoạn khoan gỗ thấp, không có máy chuyên dùng nên dễ phát sinh phế phẩm khi khoan lỗ cho thanh gỗ. - 28 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ - THI CÔNG HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG 3.1 Cơ sở thiết kế hệ thống máy khoan gỗ trong sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ. Đối tượng mà hệ thống gia công là các thanh gỗ có kích thước chuẩn (20 x 20 x 300 mm )dùng làm khung kệ trong ngành sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ. Hình 3.1 Thanh gỗ dùng làm khung kệ. [7] Kích thước và các hình chiếu của thanh gỗ: Hình 3.2 Kích thước và các hình chiếu của thanh gỗ. [7] - 29 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Thanh gỗ có các kích thước: L = 300 mm. W = 20 mm. H = 20 mm. Nếu tiến hành gia công theo phương pháp truyền thống là dùng máy khoan tay hay máy khoan bàn để khoan lỗ cho các thanh gỗ sẽ cho năng suất thấp, độ sai lệch của lỗ khoan và khoảng cách giữa hai lỗ khoan lại lớn. Chỉ phù hợp cho sản xuất đơn chiếc. Vì vậy việc thiết kế hệ thống máy khoan gỗ tự động là điều cần thiết. 3.2 Phương án thiết kế cơ khí. Trong phần này chúng tôi xin trình bày các phương án thiết kế cho hệ thống máy khoan gỗ tự động chủ yếu là về mặt cơ khí truyền động. Vấn đề chủ yếu để tìm các phương án thiết kế theo nhận định của chúng tôi gồm có các vấn đề sau: 9 Phương án thiết kế cơ cấu cấp gỗ. 9 Phương án thiết kế cơ cấu kẹp gỗ. 9 Phương án thiết kế cơ cấu khoan gỗ. 9 Phương án thiết kế cơ cấu gạt gỗ. 9 Đưa ra mô hình tổng quát của hệ thống máy khoan gỗ. 3.2.1 Phương án thiết kế cơ cấu cấp gỗ. Cơ cấu cấp gỗ có nhiệm vụ cung cấp các thanh gỗ có kích thước 20 x 20 x 300 mm cho hệ thống hoạt động, được thực hiện bởi xilanh đẩy gỗ có hành trình 350 mm. Khi các thanh gỗ được cho vào phễu, nó sẽ rơi xuống cơ cấu dẫn hướng nhờ có cơ cấu băng tải và được xilanh đẩy gỗ đẩy tới vị trí kẹp. Cơ cấu cấp gỗ bao gồm: phễu cấp gỗ, xilanh đẩy gỗ, cơ cấu băng tải và động cơ kéo băng tải. - 30 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.3 Cơ cấu cấp gỗ. [7] Hình 3.4 Bản vẽ tách chi tiết cơ cấu cấp gỗ. [7] - 31 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Phễu cấp gỗ: Có nhiệm vụ cung cấp gỗ cho hệ thống hoạt động, phễu cấp gỗ được thiết kế có thể chứa tối đa 150 thanh gỗ có kích thước 20 x 20 x 300 mm. Vật liệu dùng làm phễu cấp gỗ là sắt tấm có chiều dày 1.2 mm. Hình 3.5 Kích thước của phễu cấp gỗ. [7] Phễu cấp gỗ được thiết kế có một góc nghiêng có tác dụng làm cho các thanh gỗ trượt xuống dễ dàng cho dù lực ma sát giữa các thanh gỗ lớn. Cơ cấu băng tải: Mục đích bố trí băng tải ở phễu cấp gỗ có nhiệm vụ khi hệ thống hoạt động nó sẽ cuốn những thanh gỗ bị ép vào nhau (do lực ma sát lớn) lên phía trên nhờ có những tấm gai được bố trí dọc theo băng tải khi ta cho nhiều gỗ vào phễu giúp cho các thanh gỗ có thể rơi xuống bộ phận dẫn hướng một cách dễ dàng. Cơ cấu băng tải còn có thể tinh chỉnh nhờ có cơ cấu tăng đưa giúp điều chỉnh tinh phòng khi sử dụng lâu ngày băng tải giãn ra. Hình 3.6 Cơ cấu băng tải. [7] - 32 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.7 Cơ cấu băng tải có gai dọc. [7] Xilanh đẩy gỗ: Có hành trình 350mm. Có nhiệm vụ đẩy các thanh gỗ có kích thước 20 x 20 x 300 mm đến vị trí kẹp chặt. Hình 3.8 Xilanh đẩy gỗ. Thanh dẫn hướng: Ở cơ cấu này được bố trí thanh dẫn hướng để các thanh gỗ rơi xuống và được xilanh đẩy gỗ đẩy đến vị trí kẹp chặt. Hình 3.9 Thanh dẫn hướng. [7] - 33 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Nguyên lý hoạt động của cơ cấu cấp gỗ: Hình 3.10 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu cấp gỗ. Trạng thái ban đầu và trạng thái hoạt động. [7] - 34 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Nguyên lý hoạt động của cơ cấu cấp gỗ: Khi ta nhấn nút khởi động, động cơ kéo băng tải hoạt động làm đảo đều các thanh gỗ bị ép vào nhau do lực ma sát lớn giúp cho các thanh gỗ rơi xuống thanh dẫn hướng dễ dàng. Sau khi có thanh gỗ rơi xuống thanh dẫn hướng, hành trình cơ bị tác động , xilanh đẩy gỗ sẽ đẩy thanh gỗ đến vị trí kẹp, khi đẩy hết hành trình nó sẽ lùi về vị trí ban đầu. 3.2.2 Phương án thiết kế cơ cấu kẹp gỗ. Cơ cấu này gồm một xilanh kẹp gỗ có hành trình 50 mm có nhiệm vụ kẹp chặt thanh gỗ do cơ cấu cấp gỗ đưa tới. Cơ cấu này sẽ kẹp chặt thanh gỗ khi xilanh đẩy dàn khoan xuống tiến hành công việc khoan lỗ thì thanh gỗ sẽ không bị trượt ra ngoài, giúp cho việc khoan lỗ đạt được hiệu quả cao nhất. Hình 3.11 Cơ cấu kẹp gỗ. [7] Hình 3.12 Bản vẽ lắp ráp các chi tiết của cơ cấu kẹp gỗ. [7] - 35 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Ở đầu trục Piston của xilanh kẹp gỗ được thiết kế gồm có hai ống sắt vuông được lồng vào nhau để chống xoay khi xilanh đi ra kẹp chặt thanh gỗ, giúp cho việc kẹp thanh gỗ được chắc chắn hơn. Hình 3.13 Hai thanh sắt vuông lồng vào nhau. [7] Nguyên lý hoạt động của cơ cấu kẹp gỗ: Khi xilanh đẩy gỗ lùi về vị trí ban đầu, xilanh kẹp gỗ sẽ đi ra kẹp chặt thanh gỗ. Hình 3.14 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu kẹp gỗ. Trạng thái ban đầu và trạng thái hoạt động. [7] - 36 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG 3.2.3 Phương án thiết kế cơ cấu khoan gỗ. Đây là một trong các cơ cấu quan trọng nhất của hệ thống. Bộ khung của cơ cấu khoan được thiết kế bằng sắt V3 tạo kết cấu vững chắc và hạn chế rung động cho cơ cấu khoan. Hình 3.15 Bộ khung của cơ cấu khoan. [7] Cơ cấu khoan gồm có các bộ phận: Một xilanh nâng hạ dàn khoan, 2 động cơ khoan, rãnh dẫn hướng và cơ cấu điều chỉnh khoảng cách lỗ khoan. Hình 3.16 Cơ cấu khoan gỗ. [7] - 37 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.17 Bản vẽ tách chi tiết cơ cấu khoan gỗ. [7] Ở cơ cấu này có bố trí rãnh dẫn hướng giúp cho xilanh đẩy dàn khoan lên xuống một cách trơn tru, hạn chế tối đa sự rung động khi động cơ quay. Ngoài ra còn có cơ cấu rãnh trượt giúp điều chỉnh khoảng cách giữa hai lỗ khoan một cách dễ dàng (Khoảng cách nhỏ nhất: 80 mm, Khoảng cách lớn nhất: 120 mm). Hình 3.18 Bộ phận khoan. [7] - 38 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.19 Bản vẽ tách chi tiết bộ phận khoan. [7] Nguyên lý hoạt động của cơ cấu khoan gỗ: Các thanh gỗ sau khi được cơ cấu kẹp gỗ kẹp chặt, xilanh đẩy dàn khoan xuống, đồng thời hai động cơ khoan được khởi động để thực hiện công việc khoan lỗ, khi xilanh đẩy dàn khoan đi hết hành trình, lúc này xilanh đẩy dàn khoan sẽ lùi về và sau đó xilanh kẹp gỗ lùi về. Hình 3.20 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu khoan gỗ: Trạng thái ban đầu và trạng thái hoạt động. [7] - 39 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG 3.2.4 Phương án thiết kế cơ cấu gạt gỗ. Đây là công đoạn sau cùng của hệ thống. Các thanh gỗ sau khi khoan được xilanh gạt gỗ gạt vào thùng chứa. Xilanh gạt thanh gỗ được bố trí ở trọng tâm và vuông góc với thanh gỗ. Hình 3.21 Cơ cấu gạt gỗ. [7] Hình 3.22 Bản vẽ tách chi tiết cơ cấu gạt gỗ đã khoan. [7] - 40 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Ở cơ cấu này, thanh dẫn hướng được thiết kế bằng sắt vuông có những lỗ nhỏ nhằm thoát mùn khoan, tránh ứ động mùn khoan trong thanh dẫn hướng khi khoan liên tục trong thời gian dài, tạo điều kiện cho hệ thống làm việc ổn định hơn. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu gạt gỗ: Sau khi xilanh nâng dàn khoan về vị trí ban đầu thì xilanh gạt gỗ đi lên gạt thanh gỗ vào thùng chứa, kết thúc chu trình làm hoạt động. Hình 3.24 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu gạt gỗ. Trạng thái ban đầu và trạng thái hoạt động. [7] Hình 3.23 Rãnh dẫn hướng thanh gỗ. [7] - 41 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hệ thống máy khoan gỗ tự động hoàn chỉnh. Hình 3.25 Hệ thống máy khoan gỗ tự động hoàn chỉnh. [7] Hình 3.26 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống máy khoan gỗ tự động. 1. Cơ cấu cấp gỗ; 2. Cơ cấu kẹp gỗ; 3. Cơ cấu khoan gỗ; 4. Cơ cấu gạt gỗ. [7] - 42 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.27 Bản vẽ tách chi tiết hệ thống máy khoan gỗ tự động. [7] Khung bàn đặt hệ thống được thiết kế bằng sắt V3 giúp tạo kết cấu vững chắc cho hệ thống. Hình 3.28 Khung bàn đặt hệ thống. [7] - 43 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.29 Các hình chiếu và kích thước khung bàn đặt hệ thống. [7] Nguyên lý làm việc của hệ thống máy khoan gỗ tự động. Các thanh gỗ có kích thước (20 x 20 x 300 mm) được nạp vào phễu cấp gỗ. Khi hành trình nhận biết gỗ có trong cơ cấu dẫn hướng thì hệ thống bắt đầu hoạt động, động cơ quay băng tải bắt đầu hoạt động giúp đảo đều các thanh gỗ bị chẹo vào nhau góp phần làm tăng tính ổn định cho hệ thống, xilanh đẩy gỗ đẩy thanh gỗ vào vị trí kẹp, xilanh kẹp gỗ đi ra và kẹp chặt thanh gỗ, khi đó xilanh đẩy gỗ sẽ lùi về. Lúc này động cơ khoan được khởi động, xilanh đẩy giàn khoan sẽ đẩy bộ phận khoan đi xuống và khoan lỗ cho thanh gỗ đang được kẹp chặt theo đúng vị trí đã được căn chỉnh sẵn. Sau khi khoan xong xilanh đẩy giàn khoan rút về. Động cơ khoan ngừng hoạt động. Lúc này xilanh kẹp gỗ trở về vị trí ban đầu và xilanh đẩy thanh gỗ đã khoan rơi xuống phía dưới thùng chứa sản phẩm rồi lại rút về vị trí ban đầu. Lúc này một chu trình của hệ thống kết thúc và xilanh đẩy gỗ lại tiếp tục đưa thanh gỗ vào vị trí kẹp để bắt đầu một chu trình mới. - 44 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Khi các thanh gỗ trong khay chứa đã hết thì không có tín hiệu gửi về của hành trình. Hệ thống sẽ ngừng làm việc. 3.3 Lựa chọn thiết bị. 3.3.1 Xilanh đẩy gỗ: [14] Các thanh gỗ có kích thước chuẩn 20 x 20 x 300 mm được cho vào phễu cấp gỗ nên chọn xilanh đẩy gỗ có các thông số kỹ thuật như sau: Chiều dài hành trình 350 mm Pressure range Double Acting: 0.1÷0.9 Mpa / 15÷130 Psi / 1.0 ÷9.0 bar Single Acting:0.2÷0.9 Mpa / 30÷130 Psi / 2.0÷9.0 bar Proof pressure 1.5 Mpa / 215 Psi / 15 bar Temperature Range -50C÷800C Speed range Double Acting: 30÷800 mm/s Single Acting: 50÷800 mm/s Đường kính trục Piston Φ 12 3.3.2 Xilanh kẹp gỗ: [14] Dùng để kẹp chặt các thanh gỗ khi được xilanh đẩy gỗ đẩy tới. Hình 3.30 Xilanh đẩy gỗ. [12] - 45 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Chiều dài hành trình 50 mm Pressure range Double Acting: 0.1÷0.9 Mpa / 15÷130 Psi / 1.0 ÷0.9 bar Single Acting:0.2÷0.9 Mpa / 30÷130 Psi / 2.0÷9.0 bar Proof pressure 1.5 Mpa / 215 Psi / 15 bar Temperature Range -50C÷800C Speed range Double Acting: 30÷800 mm/s Single Acting: 50÷800 mm/s Đường kính trục Piston Φ 15 Hình 3.31 Xilanh kẹp gỗ. [12] 3.3.3 Xilanh đẩy dàn khoan: [14] Là xilanh có hai trục Piston dẫn hướng có các thông số kỹ thuật như sau: Chiều dài hành trình 100 mm Pressure range Double Acting: 0.1÷0.9 Mpa / 15÷130 Psi / 1.0 ÷0.9 bar Single Acting:0.2÷0.9 Mpa / 30÷130 Psi / 2.0÷9.0 bar Proof pressure 1.5 Mpa / 215 Psi / 15 bar Temperature Range -50C÷800C Speed range Double Acting: 30÷600 mm/s Single Acting: 50÷600 mm/s Đường kính trục Piston Φ 15 - 46 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.32 Xilanh đẩy dàn khoan. [12] 3.3.4 Xilanh gạt gỗ: [14] Dùng gạt các thanh gỗ đã khoan, có các thông số kỹ thuật như sau: Chiều dài hành trình 50 mm Pressure range Double Acting: 0.1÷0.9 Mpa / 15÷130 Psi / 1.0 ÷0.9 bar Single Acting:0.2÷0.9 Mpa / 30÷130 Psi / 2.0÷9.0 bar Proof pressure 1.5 Mpa / 215 Psi / 15 bar Temperature Range -50C÷800C Speed range Double Acting: 30÷600 mm/s Single Acting: 50÷600 mm/s Đường kính trục Piston Φ 12 Hình 3.33 Xilanh gạt gỗ. [12] - 47 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG 3.3.5 Động cơ khoan: Do các thanh gỗ có cơ tính không cao nên ta chọn động cơ khoan có thể điều chỉnh được đa cấp tốc độ có các thông số kỹ thuật như sau: Hình 3.34 Động cơ khoan. [12] Tốc độ 3000÷32000 vòng/phút Công suất 150 W Nguồn 220 V Tần số 50÷60 Hz 3.3.6 Động cơ kéo băng tải Hình 3.35 Động cơ kéo băng tải. [12] Chức năng: Động cơ bánh răng được sử dụng như một thiết bị truyền dẫn băng tải. Số liệu kỹ thuật: [3] Đặc tính kỹ thuật Mô tả chi tiết Điện áp 24V Dòng điện 1,5A Tốc độ của trục 65rpm Moment 1Nm - 48 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Moment khởi động 7Nm Quay 2 chiều Được Kết nối thiết bị điện 2 chốt Khối lượng 450g 3.3.7 Cảm biến từ dùng cho xilanh và công tắc hành trình. [3] Chọn 8 cảm biến từ cho xilanh dùng nguồn 24VDC. Chọn 1 công tắc hành trình cơ dùng nguồn 24VDC. Hình 3.36 Cảm biến từ dùng cho xilanh và công tắc hành trình. [3] 3.4 Thiết kế phần điều khiển. Phương án 1: Điều khiển hệ thống bằng PLC. - Với hệ thống được đều khiển bằng PLC thì sẽ có các ưu điểm như: Có tính linh hoạt, khả năng đáp ứng cao, độ tin cậy cao. - Có khả năng lập trình với mức độ chính xác cao, giúp hệ thống có thể hoạt động ổn định. - Tuy nhiên vẫn có nhược điểm như: Giá thành quá cao so với nhu cầu cần thiết cho toàn bộ hệ thống. - Hệ thống kết nối, lắp đặt cầu kỳ, phức tạp. - 49 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Phương án 2: Điều khiển hệ thống bằng Vi xử lý. - Với phương án hệ thống được điều khiển bằng Vi xử lý cũng có các ưu điểm như: Có thể lập trình, sửa đổi chương trình giúp cho hệ thống hoạt động linh hoạt và nâng cao tính đồng bộ hơn. - Nhược điểm khi điều khiển hệ thống bằng Vi xử lý là dễ bị nhiễu, ảnh hưởng bởi môi trường bên ngoài nếu không được che chắn và bảo vệ kỹ, điều này khiến cho hệ thống dễ bị lỗi, gặp sự cố và hoạt động không ổn định. Phương án 3: Điều khiển hệ thống bằng Rơle kết hợp khí nén. - Với hệ thống này thì phương án điều khiển bằng Rơ le rất có tính khả thi cao, khả năng lắp đặt dễ dàng, gọn và thuận tiện cho việc bố trí vị trí cho từng Rơ le trên toàn hệ thống. - Phù hợp với chức năng của hệ thống. - Giá cả vừa phải so với toàn hệ thống. Và đây cũng chính là phương án khả thi nhất được chọn để sử dụng điều khiển cho các phương án trên. Điều khiển hệ thống bằng Rơle kết hợp điện - khí nén. Với hệ thống này thì phương án điều khiển bằng Rơ le rất có tính khả thi cao, khả năng lắp đặt dễ dàng, gọn và thuận tiện cho việc bố trí vị trí cho từng Rơ le trên toàn hệ thống. Phù hợp với yêu cầu và chức năng của hệ thống. Giá cả vừa phải so với toàn hệ thống. - 50 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG ¾ Thiết kế biểu đồ trạng thái. Hình 3.37 Biểu đồ trang thái của hệ thống. Chú thích: 1.0 Xilanh đẩy gỗ. 2.0 Xilanh kẹp gỗ. 3.0 Xilanh khoan. 4.0 Xilanh gạt. ¾ Sơ đồ mạch khí nén: Hình 3.38 Sơ đồ mạch khí nén. - 51 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG ¾ Sơ đồ đấu dây điện phần điều khiển: Hình 3.39 Sơ đồ mạch điều khiển. ¾ Sơ đồ đấu dây mạch động lực: Hình 3.40 Sơ đồ mạch động lực. 3.5 Ưu - nhược điểm khi khoan gỗ bằng máy khoan tự động. Ưu điểm: - Năng suất cao. - Chất lượng lượng hai lỗ khoan được đảm bảo. - Hầu như không phát sinh phế phẩm. - 52 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG - Thực hiện ít công đoạn hơn khi khoan gỗ bằng tay. - Điều chỉnh khoảng cách giữa hai lỗ khoan nhanh chóng. Nhược điểm: - Hệ thống dễ mất ổn định khi cho gỗ vào phễu không đều. - Hệ thống không hoạt động được khi các thanh gỗ không có kích thước chuẩn 20 x 20 x 300 mm. - Trường hợp xilanh đẩy dàn khoan đi xuống mà động cơ khoan không được khởi động (do kẹt trục) sẽ dễ làm gãy mũi khoan do không có bộ phận nhận biết động cơ có được khởi động hay không. - Không có bộ phận đếm sản phẩm mà hệ thống đã thực hiện được. 3.6 So sánh năng suất – hiệu quả kinh tế. Phương pháp truyền thống: nếu áp dụng phương pháp khoan gỗ truyền thống, các doanh nghiệp sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ đầu tư khoảng 800.000 VNĐ cho một máy khoan bàn và một người công nhân với mức lương từ 1.200.000 – 1.500.000 VNĐ/tháng. (theo khảo sát giá cả tại DNTN Kim Long). Thời gian khoan một thanh gỗ mất 20 s/ thanh gỗ. (theo khảo sát tại DNTN Kim Long). Tỷ lệ phế phẩm chiếm 10 % (do yếu tố khách quan). (theo khảo sát tại DNTN Kim Long). Máy khoan gỗ tự động: với mức đầu tư 3.000.000 VNĐ cho một máy khoan gỗ tự động và không tốn chi phí cho công nhân đứng máy. Thời gian khoan một thanh gỗ là 4 s/ thanh gỗ. (theo thực nghiệm). Tỷ lệ phế phẩm chiếm 0.1 – 0.2 % (do các thanh gỗ có kích thước không đều). ¾ Từ những kết quả trên ta thấy năng suất của máy khoan gỗ tự động gấp 5 lần so với phương pháp truyền thống, gần như không phát sinh phế phẩm, … nếu các doanh nghiệp sản xuất hàng thủ công mỹ nghệ đầu tư vào máy khoan gỗ tự động thì năng suất và chất lượng sản phẩm sẽ tăng lên, đặc biệt sau 2 tháng sẽ sinh lợi. - 53 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG 3.7 Một số hình ảnh thực tế của hệ thống máy khoan gỗ tự động. Hình 3.41 Hình ảnh thực tế của hệ thống đã được thiết kế. [12] Hình 3.42 Xilanh đẩy gỗ. [12] Hình 3.43 Phễu cấp gỗ. [12] Hình 3.44 Thanh gỗ được đẩy vào vị trí kẹp. [12] Hình 3.45 Thanh gỗ được kẹp bởi xilanh kẹp. [12] - 54 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG Hình 3.46 Động cơ khoan gỗ. [12] Hình 3.47 Xilanh gạt gỗ ra thùng chứa. [12] Hình 3.48 Tủ điện điều khiển. [12] - 55 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận. Đề tài đã thiết kế, chế tạo thành công hệ thống máy khoan gỗ tự động góp phần giảm sai lệch về kích thước hai lỗ khoan đến mức tối thiểu, ngoài ra chúng ta còn có thể linh động thay đổi khoảng cách giữa hai lỗ khoan một cách dễ dàng thông qua cơ cấu rãnh trượt cơ khí. Hệ thống hoạt động tương đối ổn định khi các thanh gỗ có kích chuẩn (20 x 20 x 300 cm) và hầu như không phát sinh phế phẩm. Nhưng nếu dùng hệ thống này để khoan các thanh gỗ có kích thước không đúng chuẩn thì hệ thống sẽ không thực hiện được. Kiến nghị Tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện để hệ thống có thể hoạt động ổn định với các thanh gỗ có kích thước khác nhau. Khi hệ thống cần nâng cấp hay đòi hỏi những yêu cầu cao hơn thì nên sử dụng các cảm biến để phát hiện mũi khoan bị gãy khi khoan, màn hình hiển thị, các bộ đếm Counter để đếm các sản phẩm mà hệ thống đã khoan được, và có thể dùng Vi Xử Lý hay PLC để điều khiển. Hoàn thiện hệ thống và ứng dụng vào sản xuất để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm hàng thủ công mỹ nghệ. - 56 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thành Bắc, Giáo trình thiết bị điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, 2001. [2] Trần Đình Chân – Đậu Đình San, Bảo vệ rơle, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1993. [3] Võ Lâm Chương, Hệ thống MPS, 2009. [4] Nguyễn Ngọc Phương, Hệ thống điều khiển bằng khí nén, NXB Giáo Dục, 1999. [5] Vương Kỳ Quân, Mộc, NXB Trẻ, 2000. [6] Nguyễn Hồng Thái, Phần tử tự động trong hệ thống điện, NXB Khoa học và kỹ thuật, 1998. [7] Phan Tấn Thọ, UNIGRAPHICS FOR TECHNICAL STUDENTS, 2009. [8] Nguyễn Thành Trí, Điều khiển bằng khí nén trong tự động hóa kỹ nghệ, NXB Đà Nẵng, 2000. [9] Nguyễn Thành Trí – Châu Ngọc Thạch, Sửa chữa & Bảo trì các thiết bị & Hệ thống khí nén, NXB Đà Nẵng, 2000. [10] Nguyễn Văn Vận, Thực hành cơ khí gia công nguội, NXB Giáo Dục, 2000. [11] Nguyễn Hoàng Việt, Bảo vệ rơle và tự động hóa trong hệ thống điện, NXB Đại học quốc gia TPHCM, 2001. [12] Hình ảnh thực tế. [13] Hình ảnh tại DNTN Kim Long. [14] Technical Data of Cylinder. [15] Fundamentals of Pneumatics (Festo Didatic GmbH & Co – www.festo.com) Festo Pneumatics Catalog – Festo AG & Co - 57 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÁY KHOAN GỖ TỰ ĐỘNG