Thiết kế, chế tạo máy gia công bộ ke góc tự động Thiết kế, chế tạo máy gia công bộ ke góc tự động Thiết kế, chế tạo máy gia công bộ ke góc tự động Thiết kế, chế tạo máy gia công bộ ke góc tự động Thiết kế, chế tạo máy gia công bộ ke góc tự động
TỔNG QUAN
Mở đầu
Mặt hàng đỗ gỗ xuất khẩu đã trở thành sản phẩm chủ lực của Việt Nam trong những năm gần đây Theo số liệu từ Tổng Cục Hải Quan, trong hai quý đầu năm, sản lượng xuất khẩu đỗ gỗ đã ghi nhận sự tăng trưởng đáng kể, khẳng định vị thế của Việt Nam trên thị trường quốc tế.
Năm 2016, kim ngạch xuất khẩu gỗ và sản phẩm gỗ của Việt Nam đạt 3,21 tỷ USD, tăng 1,4% so với năm 2015, xếp thứ 7 trong danh sách các mặt hàng xuất khẩu của nước ta Trong đó, xuất khẩu sản phẩm gỗ đạt 2,33 tỷ USD, tăng 5% so với cùng kỳ năm trước.
Biểu đồ 1: Kim ngạch xuất khẩu Gỗ và sản phẩm gỗ của Việt Nam theo tháng trong giai đoạn 2014-2016 (ĐVT: triệu USD)
(Nguồn:Tổng Cục Hải quan)
Ngành sản xuất đồ gỗ chủ yếu tập trung vào các sản phẩm nội thất như bàn, ghế và giường Để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, nhiều nhà máy và xưởng chế biến gỗ đã đầu tư mạnh mẽ vào tự động hóa từ khâu ra phôi đến xử lý tinh Tuy nhiên, phần lớn các máy móc tự động này đều được nhập khẩu từ các quốc gia như Đài Loan và Italy, dẫn đến giá thành cao và khó khăn trong việc tìm kiếm linh kiện thay thế trong nước.
Mặc dù quy trình sản xuất đã được tự động hóa, vẫn còn một số bước cần thực hiện thủ công, điển hình là công đoạn tạo phôi cho chi tiết “bọ ke góc” Chi tiết này có chiều dài ngắn và đóng vai trò quan trọng trong quá trình lắp ráp.
Bọ ke góc có kích thước từ 90 mm đến 120 mm, được thiết kế với 2 cạnh vát 45° và có từ 5 đến 6 lỗ trên 3 mặt khác nhau Chức năng chính của bọ ke góc là tạo độ vuông góc cho khung bàn hoặc ghế, đồng thời liên kết khung với chân sản phẩm Mỗi sản phẩm bàn hoặc ghế cần sử dụng 4 bọ ke góc để đảm bảo độ chắc chắn và ổn định.
Phương pháp thủ công trong việc ra phôi gặp nhiều nhược điểm, bao gồm năng suất thấp và sai số cao Đặc biệt, việc gia công các chi tiết ngắn tiềm ẩn nhiều nguy cơ, do tay của công nhân thường phải làm việc rất gần lưỡi cưa bàn.
Để tối ưu hóa quy trình sản xuất phôi có kích thước nhỏ, các doanh nghiệp cần áp dụng những giải pháp hiệu quả Nhằm đáp ứng nhu cầu này, tôi đã được sự chấp thuận của khoa Cơ khí máy thuộc trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh để thực hiện đề tài nghiên cứu.
“Thiết kế, chế tạo máy gia công bọ ke góc tự động” làm tên đề tài luận văn cao học của mình
Đề tài này tập trung vào việc ứng dụng tự động hóa trong quá trình ra phôi cho chi tiết bọ ke góc, tối ưu hóa kết cấu các chi tiết máy, và gia công chế tạo máy hoàn chỉnh Máy sẽ đảm bảo kích thước chính xác về chiều dài và góc độ, đồng thời tối thiểu hóa lượng phôi thừa.
Mục đích của đề tài là thay thế vai trò của công nhân trong quá trình ra phôi bọ ke góc, nhằm đảm bảo an toàn lao động và duy trì chất lượng đồng đều cho sản phẩm.
Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này, chúng tôi nghiên cứu các yếu tố quan trọng trong thiết kế máy, bao gồm chế độ cắt, tốc độ cắt, lực cắt và công suất cắt Bên cạnh đó, chúng tôi cũng xem xét phương án cắt phôi và quy trình cắt, cũng như ứng suất phát sinh trong các cơ cấu máy và chi tiết Cuối cùng, các thông số như đường kính và hành trình của cylinder, cùng với bộ điều khiển và cảm biến, sẽ được phân tích để tối ưu hóa hiệu suất máy.
Khi nhận tín hiệu từ cảm biến hoặc công tắc hành trình, các cơ cấu như trục xoay, ngàm kẹp chặt và bàn trượt sẽ hoạt động nhờ nguồn động lực từ khí nén hoặc motor điện Tất cả thiết bị đầu vào và đầu ra đều được điều khiển bởi bộ điều khiển lập trình (PLC), đảm bảo máy hoạt động theo quy trình tuần tự đã được thiết kế.
Thiết kế máy gia công bọ ke góc yêu cầu phôi bọ làm từ gỗ Sồi (Oak) với biên dạng hình thang cân, chiều dài cạnh ngắn 64 mm, cạnh dài 100 mm, rộng 56 mm và dày 18 mm Dung sai chiều dài đạt ± 0.2mm và dung sai góc đạt ± 0.2° Phôi ban đầu có chiều dài từ 400-500mm, với năng suất dự kiến đạt 1500 phôi bọ/ca.
Nhu cầu tự động hóa trong sản xuất bọ gỗ đang ngày càng tăng cao Để đáp ứng nhu cầu này, việc xây dựng phương án gia công chi tiết cho bọ ke góc là rất cần thiết Qua đó, cần tìm kiếm và biện luận các phương án thiết kế nhằm chọn lựa thiết kế tối ưu, đảm bảo tính khả thi, năng suất cao và tỷ lệ hao hụt phôi thấp Bên cạnh đó, việc tính toán lực cắt và lực kẹp chặt dựa trên tính chất cơ lý của vật liệu, chế độ cắt và hình học lưỡi cưa là yếu tố quan trọng trong quá trình thiết kế và sản xuất.
Chọn động cơ và dung tích xi lanh phù hợp, lập trình PLC để điều khiển mạch khí nén và mô phỏng quy trình gia công theo thiết kế Xuất bản vẽ chi tiết cho việc gia công và lắp ráp, sau đó tiến hành chạy thử và điều chỉnh nếu cần thiết.
Hình 1.2 – Bản vẽ chi tiết bọ ke góc
Phương pháp quan sát là việc nghiên cứu các cơ cấu cưa của máy móc trong xưởng mộc và tham khảo các thiết bị có sẵn trên thị trường để sao chép, chỉnh sửa và biến đổi cho phù hợp với thiết kế hiện tại Đồng thời, cần kết hợp việc tra cứu các giáo trình, luận văn liên quan để trích dẫn và chọn lọc thông tin, công thức phục vụ cho quá trình thiết kế và chế tạo Ngoài ra, việc tham khảo các máy có công năng tương tự trên Internet cũng rất quan trọng.
Lợi ích mang lại của đề tài
1.3.1 Các máy có sẵn trên thị trường
Trên thị trường hiện nay, có nhiều máy chế biến gỗ với chức năng cắt tự động, nhưng hầu hết chỉ có khả năng cắt ở góc cố định 90° hoặc 45° Mặc dù tốc độ cắt nhanh, nhưng chúng bị giới hạn về góc xoay Một số máy có khả năng xoay góc tự động, nhưng chủ yếu được thiết kế để cắt kim loại, dẫn đến tốc độ cắt chậm và kích thước lớn, chỉ phù hợp cho việc cắt các chi tiết dài Hơn nữa, giá thành của những máy này cũng khá cao.
Chi tiết bọ ke góc rất thấp mang lại 5 giá trị quan trọng, đặc biệt cho các máy móc nhập khẩu Cần có một máy có khả năng cắt phôi ngắn với các góc tùy ý và tốc độ cao, bao gồm vòng tua động cơ và tốc độ ăn phôi, để đáp ứng nhu cầu gia công gỗ Bên cạnh đó, giá thành hợp lý là yếu tố cần thiết để nhanh chóng thu hồi vốn, đặc biệt phù hợp cho các xưởng mộc nhỏ.
Việc thay thế các máy móc tương tự từ nước ngoài không chỉ giúp giảm chi phí đầu tư mà còn tiết kiệm chi phí bảo trì bảo dưỡng Đồng thời, điều này còn nâng cao an toàn vệ sinh lao động trong các xưởng và nhà máy chế biến gỗ.
LÝ THUYẾT CẮT GỌT
Gỗ Sồi (Oak)
Gỗ Sồi, hay còn gọi là Quercus spp., là loại cây phân bố rộng rãi ở miền Đông Hoa Kỳ và được xem là cây lớn nhất trong các cánh rừng tại khu vực này Trong số nhiều loại Sồi, chỉ khoảng tám loại được khai thác thương mại Gỗ Sồi có dát gỗ màu từ trắng đến nâu nhạt và tâm gỗ mang màu nâu đỏ hồng, với đa số thớ gỗ thẳng và bề mặt gỗ thô.
Gỗ chịu máy tốt với khả năng bám ốc và đinh hiệu quả, tuy cần khoan trước khi đóng Gỗ có thể được nhuộm màu và đánh bóng để tạo ra sản phẩm hoàn thiện chất lượng Tuy nhiên, gỗ khô chậm và có xu hướng nứt, cong vênh khi phơi khô, cùng với độ co rút lớn khiến nó dễ bị biến dạng.
Hình 2.1 Khả năng gia công của gỗ sồi
Gỗ Sồi có khả năng kháng sâu ở tâm gỗ rất hạn chế và dễ dàng xử lý bằng chất bảo quản Đây là loại gỗ cứng, nặng, với khả năng chịu lực xoắn và độ chắc trung bình, nhưng lại có độ chịu lực nén cao Gỗ Sồi cũng dễ dàng uốn cong bằng hơi nước, với khối lượng riêng khoảng 700 kg/m³ khi có độ ẩm trung bình.
7 sồi có độ cứng Janka đạt 5430N, độ bền nén 46.8 MPa, độ bền uốn 12,14 GPa, modul đàn hồi 12,14 Gpa
Gỗ sồi là nguyên liệu phổ biến trong ngành sản xuất đồ gỗ, đặc biệt cho ván sàn, vật liệu kiến trúc nội thất, và các sản phẩm trang trí như gỗ chạm, gờ trang trí, cửa, tủ bếp, ván lót, và hộp đựng nữ trang Tuy nhiên, gỗ sồi không thích hợp để làm ván thùng khít.
Khái niệm chế biến gỗ
Gia công là một bước quan trọng trong quy trình chế biến gỗ, giúp thay đổi hình dạng, kích thước và chất lượng bề mặt của gỗ thô theo yêu cầu Trong đó, cắt gọt là phương pháp gia công phổ biến nhất, tạo ra phoi gỗ như sản phẩm phụ Những phoi gỗ này có thể được sử dụng để sản xuất ván ép hoặc làm nguồn năng lượng.
Các phương pháp chế biến gỗ :
Phương pháp tách chẻ là một kỹ thuật chế biến gỗ, trong đó hình dáng và kích thước của gỗ được thay đổi thông qua việc phá hủy liên kết giữa các phần tử vật chất Quá trình này diễn ra theo các lớp gỗ mà không có định hướng trước từ con người, như trong trường hợp tước sợi hoặc chẻ tre.
Phương pháp áp lực là kỹ thuật chế biến gỗ, trong đó hình dáng và kích thước của gỗ được điều chỉnh thông qua áp lực mà không làm hỏng liên kết giữa các phần tử vật chất của gỗ Ví dụ điển hình của phương pháp này bao gồm uốn gỗ và nén gỗ.
Phương pháp va đập là một kỹ thuật chế biến gỗ, trong đó hình dáng và kích thước của gỗ được thay đổi thông qua việc phá hủy các liên kết giữa các phần tử vật chất mà không theo một hướng định trước nào.
Phương pháp cắt gọt là một kỹ thuật chế biến gỗ, trong đó hình dáng và kích thước của vật liệu gỗ được thay đổi bằng cách phá hủy các liên kết giữa các phần tử vật chất Quá trình này được thực hiện theo hướng định trước bởi con người thông qua việc sử dụng các công cụ cắt chuyên dụng.
Ví dụ: lạng, bào…Tùy thuộc vào việc có hay không có phoi trong lúc chế
8 biến người ta chia phương pháp cắt gọt thành 2 dạng nhỏ là gia công có phoi và không phoi
Hình 2.2 Các phương pháp chế biến gỗ
Gỗ đóng vai trò quan trọng trong kinh tế như một nguồn nguyên liệu tái tạo, thúc đẩy cải tiến công cụ, thiết kế máy móc và phát triển công nghệ mới toàn cầu Sự rung động của lưỡi cưa gây ra tổn thất trong quá trình cắt gọt, làm giảm độ chính xác, chất lượng bề mặt và tuổi thọ của lưỡi cưa Do đó, việc đầu tư vào công nghệ kiểm soát rung động của lưỡi cưa và máy móc đang được triển khai để nâng cao hiệu quả cắt gọt.
Hình 2.3 Hướng cắt chính và hướng cắt phụ
Trong gia công gỗ, kết quả cắt gọt phụ thuộc vào sự tương tác giữa gỗ và dao, được xác định bởi tính chất vật lý và cơ học của gỗ, hình dạng của dao, cùng với các thông số vận hành Các yếu tố như tính dị hướng, độ bền kéo-nén và độ cứng của gỗ đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Độ giãn dài tại thời điểm cắt là một trong những tính chất cơ học quan trọng của gỗ Hướng cắt chính ảnh hưởng đến tính dị hướng của gỗ, như thể hiện trong hình 2.3 Khi cắt dọc thớ, độ bền nén chỉ bằng một nửa độ bền kéo, trong khi đó, khi cắt vuông góc với thớ, độ bền kéo chỉ đạt 1/12 so với độ bền kéo dọc thớ So với kim loại, độ giãn dài khi cắt đứt của gỗ rất nhỏ.
Quá trình tác động của mũi dao vào gỗ trong quá trình cắt
Trong giai đoạn đầu, dao di chuyển từ bên ngoài vào với tốc độ v cho đến khi bắt đầu tiếp xúc với phôi gỗ Tại thời điểm này, phôi vẫn chưa bị biến dạng và trong gỗ không có ứng suất tác dụng.
Trong giai đoạn 2, dao tiếp tục tiến vào với tốc độ v, bắt đầu tách phoi Biến dạng của phôi gia tăng, đồng thời ứng suất tác động vào phôi cũng tăng dần cho đến khi đạt giá trị lớn nhất, tương đương với ứng suất phá hủy của gỗ.
Trong giai đoạn 3, dao tiếp tục di chuyển với tốc độ ổn định cho đến khi hoàn thành quá trình cắt, đồng thời biến dạng của phôi cũng duy trì ở mức ổn định, với ứng suất tác động vào phôi không thay đổi.
Hình 2.4 Các giai đoạn cắt gọt a) giai đoạn 1, b) giai đoạn 2, c) giai đoạn 3
Mối quan hệ giữa lực và ứng suất
Mối quan hệ giữa lực và ứng suất được thể hiện rõ qua hình 2.2, trong đó lực pháp tuyến N tác động lên mặt trước của dao được phân chia thành hai thành phần: dọc và ngang.
10 ngang Phoi trượt trên mặt trước của dao, do đó hình thành nên lực ma sát S μN trên mặt nghiêng
Hình 2.5 Mối quan hệ giữa lực và ứng suất
Từ hình 2.5, ta có thể xác định được giá trị góc δ’ như sau:
Pv= N cos δ - μNsin δ (2.2) tan δ’ = tan
Trong đó Ph là lực cắt theo phương ngang và Pv là lực cắt theo phương dọc
Sự phân bố ứng suất được thể hiện trong hình 2.5, với công thức tính toán ứng suất phía trước cạnh cắt là zr k y.
Trong đó : k : Modul biến dạng của gỗ, N/mm 3 y : Độ biến dạng theo phương hướng kính
Modul biến dạng k có thể xác định gần chính xác thông qua vết lõm trên bề mặt gỗ Theo lý thuyết đàn hồi, điều này liên quan đến "vấn đề Boussinesq", trong đó có một mối tương quan quan trọng.
Trong đó: d : Đường kính vết lõm
E : Modul đàn hồi của vật liệu theo phương hướng kính v : Hệ số Poisson
P : Áp lực Độ biến dạng y ỡ khoảng cách x tính từ cạnh dao có thể được tính toán như sau :
Pv : Lực cắt theo phương dọc
I : Momen quán tính của phoi l : Khoảng cách điểm tác động của lực Pv
Bằng cách áp dụng phương trình đã nêu, giá trị tối đa của ứng suất kéo hình thành ở cạnh dưới của lưỡi dao có thể được tính toán thông qua sự kết hợp giữa các phương trình 2.6 và 2.7.
Cắt xiên
Có 2 phương pháp cơ bản trong cắt gọt gỗ và kim loại là cắt thẳng góc (2D) và cắt xiên (3D) Cắt thẳng góc là khi mặt cắt của dao hợp góc 90° với phương chuyển động Nếu bề mặt cắt lệch một góc nhỏ hơn 90° được gọi là cắt xiên (hình 2.4)
Hình 2.6 Cắt thẳng góc và cắt xiên
Các lợi ích chính của cắt xiên có thể được tóm tắt dưới đây:
Lực cắt có thể giảm được đáng kể
Giảm lực pháp tuyến dẫn đến việc giảm tải trọng động tác động lên cơ cấu truyền và bạc đạn, đồng thời giảm lực kích thích gây rung động trên phôi.
Giảm tiếng ồn khi cắt gọt
Có giả thuyết cho rằng việc cắt xiên sẽ cải thiện chất lượng bề mặt Độ giảm lực cắt có thể được mô tả bằng một công thức không thứ nguyên.
Pλ là lực cắt tại góc xiên λ, trong khi δ’ là góc cắt có ích tại góc này Năng lượng cắt thay đổi theo hàm số phụ thuộc vào góc xiên, với giá trị tối thiểu đạt được khi λ nằm trong khoảng 20-25°.
Mối liên hệ động học của cắt xiên được thể hiện qua hình 2.6, trong đó cạnh cắt không vuông góc với phương chuyển động mà lệch một góc λ Tốc độ trong trường hợp này được phân chia thành hai thành phần: tan t và n v.
Giá trị của tan λ thường bị giới hạn bởi hệ số trượt, trong đó góc cắt có ích δ’ biến thiên theo hàm số phụ thuộc vào góc xiên λ Cụ thể, mối quan hệ giữa tan δ’ và tan δ được thể hiện qua phương trình: tan δ’ = tan δ.cosλ (2.10).
Với sự gia tăng góc trượt, góc cắt có ích có thể giảm đáng kể Lực cắt được chia thành hai thành phần: thành phần tác động lên bề mặt xung quanh (P1) và thành phần làm biến dạng phoi (P2) Tỉ lệ giữa hai thành phần lực này thay đổi theo độ dày của phoi.
Hình 2.7 Tỉ lệ hai thành phần lực khi cắt xiên
Thành phần lực tác động lên cạnh phụ thuộc vào bán kính và độ bền nén của vật liệu Lực biến dạng phoi liên quan đến góc cắt và độ dày phoi Một đặc tính quan trọng của cắt xiên là sự hiện diện của ứng suất tiếp, gây ra sự phá hủy vật liệu Ứng suất tương đương được xác định bởi hệ thức cụ thể.
Trong cắt gọt, ứng suất tiếp tỉ lệ với ứng suất pháp và hệ số ma sát Do đó
Lý thuyết cắt gọt dùng lưỡi cưa tròn
2.6.1 Các trường hợp cắt gọt
Từ mối quan hệ giữa hướng chuyển động của dao cắt và chiều thớ gỗ, có ba trường hợp cắt gọt cơ bản được phân loại: cắt mặt đầu, cắt dọc và cắt ngang.
+ Cắt mặt đầu khi hướng mặt phẳng cắt vuông góc với thớ gỗ, phoi dập vỡ, liên kết rời rạc với nhau hoặc bị tách ra từng miếng
+ Trong trường hợp cắt dọc hướng chuyển động cắt trùng với chiều thớ gỗ, phoi tạo thành có dạng các dải mỏng, bị nứt từng đoạn
+ Cắt ngang tiến hành khi lưỡi cắt chuyển động trong mặt phẳng vuông góc với thớ theo chiều dài, phoi liên kết với nhau rời rạc
Lực cản cắt lớn nhất khi cắt mặt đầu và nhỏ nhất khi cắt dọc thớ
Chế độ cắt bao gồm hai thông số sau: Tốc độ cắt VC và tốc độ ăn phôi Vf :
Mỗi đĩa cưa tròn đều có ghi rõ tốc độ vòng tua lớn nhất (ví dụ 100 m.s -1), đây không phải là tốc độ tối đa cho phép mà là tốc độ an toàn cho người sử dụng Để đạt hiệu suất cắt tối ưu, việc lựa chọn tốc độ cắt phù hợp với loại vật liệu cần cắt là rất quan trọng, bao gồm các yếu tố như loại vật liệu làm lưỡi cưa, lưỡi cắt insert, độ cứng của vật liệu và yêu cầu về chất lượng bề mặt.
Tốc độ cắt Vc là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến nhiệt độ làm việc và mài mòn lưỡi cắt Để giảm thiểu mài mòn, khi cắt vật liệu cứng, nên sử dụng tốc độ thấp nhằm giảm ứng suất giữa lưỡi cắt và bề mặt Ngược lại, đối với vật liệu mềm, tốc độ cắt nên được tăng cường Đối với lưỡi cưa tròn, tốc độ cắt được khuyên dùng là từ 60 đến 100 m/s cho gỗ mềm và 50 m/s cho các loại vật liệu khác.
15 tới 85 m/scho loại gỗ cứng hoặc gỗ lai ghép [7] Tốc độ ăn phôi Vf là lượng tịnh tiến của phôi sau một vòng quay của lưỡi cắt
Tốc độ ăn phôi bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như loại lưỡi cắt, chất lượng bề mặt yêu cầu, công suất trục chính, độ cứng vững của máy và độ bền của phôi Hai yếu tố quan trọng khi tính toán tốc độ ăn phôi là thông số hình học của lưỡi cắt và tỉ trọng của vật liệu, vì chúng ảnh hưởng đến khả năng tách phoi ra khỏi vùng cắt gọt Trong gia công gỗ, tốc độ ăn phôi lý tưởng cần đủ chậm để tránh kẹt motor và giảm chất lượng bề mặt, nhưng cũng không được quá nhanh để tránh gây cháy vật liệu Tốc độ này thường được tính toán dựa trên một công thức cụ thể.
Trong đó z là số răng, f z là lượng chạy dao tính cho một răng, được xác định như sau:
Số lượng răng trên lưỡi cắt không được vượt quá các thông số nhất định, nó phụ thuộc vào loại lưỡi cắt và vật liệu cắt
Việc giảm thiểu tổn hao năng lượng trong quá trình cắt là rất quan trọng, với nhiều yếu tố ảnh hưởng đến momen lực như lựa chọn vật liệu lưỡi cưa, hình dạng lưỡi cắt và chế độ cắt (tốc độ cắt Vc và tốc độ ăn phôi Vf) Công suất cắt đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát tổn hao năng lượng, do đó cần được xem xét kỹ lưỡng để đạt hiệu quả cao nhất.
Tốc độ ăn răng (mm/răng)
Ván ép phủ Melamine (MFC) 0.02 - 0.05 0.02 - 0.10
Bảng 2.1 : Giá trị lượng chạy dao răng khuyên dùng cho nhiều loại vật liệu (nguồn từ catalouge của hai hãng sản xuất lưỡi cắt Leitz và Freud)
Góc sắt β, được hình thành bởi mặt trước và mặt sau của răng cưa, ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất, chất lượng bề mặt và độ chính xác của phôi Khi góc sắt β tăng, trở lực cắt của vật liệu cũng tăng theo, dẫn đến sự biến đổi của phoi từ dạng liên tục sang dạng nén ép và từ dạng cắt đứt sang dạng bị xé rách Để đạt được trở lực cắt thấp nhất, góc sắt cần được giữ ở mức nhỏ, tuy nhiên nếu nhỏ hơn một giá trị nhất định, độ cứng của lưỡi cắt sẽ giảm, gây ra hiện tượng mài mòn nhanh chóng Việc xác định góc sắt β yêu cầu phải xem xét các góc α và γ, với góc cắt tới hạn thường là 50°.
Ma sát trong quá trình cắt gọt được tạo ra bởi bề mặt lưỡi cắt và mặt gia công, chịu ảnh hưởng bởi góc sau α Nếu góc sau quá nhỏ, sự đàn hồi của thớ gỗ sẽ làm tăng ma sát giữa bề mặt cắt gọt và mặt sau lưỡi cắt, dẫn đến lực cắt gọt tăng lên Ngược lại, khi góc sau quá lớn, góc sắt sẽ nhỏ lại, làm giảm độ cứng của công cụ cắt và tăng lực cản Giá trị của góc sau α phụ thuộc vào độ dày của phôi, với phôi dày hơn yêu cầu góc sau lớn hơn Góc sau trong khoảng 10°-20° mang lại lợi ích trong việc đẩy nhanh quá trình cắt gọt.
Góc sau của lưỡi cắt nên tiến về 0° hoặc có giá trị âm để kiểm soát hiệu quả quá trình cắt gọt Điều này giúp ngăn chặn tình trạng lưỡi cắt bị "hỗn", từ đó hạn chế việc phôi bị đẩy lùi và va chạm trong quá trình gia công.
Hình 2.8- Hình chiếu lưỡi cắt
Việc xác định mối tương quan giữa góc sau và độ dày phôi chủ yếu dựa vào kinh nghiệm Thông thường, độ dày phôi tối đa khoảng 100mm sẽ tương ứng với góc sau α khoảng 15° Dưới đây là hai bảng tra cứu giá trị góc sau cho các độ dày phôi khác nhau và các loại vật liệu khác nhau để tham khảo.
Bảng 2.2: Góc sau α tương ứng với độ dày phôi Độ dày phôi Góc sau α
Góc nghiêng chính δ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tạo phoi và kích cỡ phoi trong gia công gỗ Giá trị tối ưu của góc nghiêng chính phụ thuộc vào loại gỗ, hướng xớ và tốc độ đẩy phôi Bên cạnh đó, các thông số khác như đường kính cốt lưỡi cưa, chiều dày lưỡi cưa và chiều dày răng lưỡi cưa cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Bảng 2.3 : Góc sau α tương ứng với các loại vật liệu khác nhau
Ván ép phủ Melamine (MFC) -5°…5°
Cạnh của dao đóng vai trò quan trọng trong quá trình cắt gọt, bao gồm cạnh cắt chính và cạnh cắt phụ, với điểm giao nhau được gọi là điểm cắt Các cạnh cắt không bao giờ hoàn toàn sắc bén mà luôn có độ bo tròn Giá trị bán kính của lưỡi cắt chính dao thường dao động từ 10 đến 60 μm.
Hình 2.9 Các cạnh của dao và cạnh tròn
2.6.3 Vật liệu làm lưỡi cưa đĩa
Cưa đĩa có nhiều loại và được sử dụng cho các mục đích khác nhau Khác với lưỡi cưa sọc và lưỡi cưa vòng, lưỡi cưa đĩa không cần lực căng để duy trì độ cứng, mà nhờ vào lực căng nội và độ dày của lưỡi cưa Hơn nữa, lưỡi cưa đĩa hoạt động với tốc độ cao hơn, dẫn đến nhiệt độ bản cưa cũng tăng cao.
Khi chọn kim loại cho lưỡi cưa đĩa, cần đảm bảo tỉ lệ hóa chất phù hợp để đạt được độ cứng vững và độ dẻo trung bình Tính cơ lý của lưỡi cưa phải đạt các tiêu chuẩn sau: ứng suất sk từ 1300 đến 1500 N/mm², giới hạn ứng suất chảy schh0 từ 0 đến 740 N/mm², độ biến dạng ε từ 5 đến 6.5%, và độ cứng R từ 352 đến 415 HB.
CƠ SỞ THIẾT KẾ MÁY
Máy cưa xẻ gỗ
Cưa xẻ là phương pháp cắt gọt chuyên dụng nhằm chia phôi gỗ thành nhiều phần nhỏ hơn, bao gồm cây gỗ, phiến gỗ, gỗ thanh và gỗ ván Quá trình này thường diễn ra theo một hướng định trước, tạo ra các sản phẩm hình khối với ít biến dạng Trong quá trình cắt, một phần vật chất có thể trở thành phoi (mùn cưa).
Cưa gỗ theo chiều thớ có ba phương pháp chính: cưa dọc, cưa ngang và cưa hỗn hợp Trong đó, cưa dọc chủ yếu được sử dụng để phân chia cây gỗ thành các phiến và thanh nhỏ, giúp hoàn thiện sản phẩm gỗ theo chiều dọc thớ gỗ.
Cưa ngang là công cụ chủ yếu được sử dụng để cắt ngang cây gỗ, súc gỗ và cắt mẫu, với hướng cắt vuông góc so với chiều thớ gỗ Sản phẩm thu được từ quá trình này thường có chiều dài ngắn hơn chiều dài của phôi gỗ ban đầu.
+ Cưa hỗn hợp: là cưa trung gian kết hợp cả giữa cưa ngang và cưa dọc
Lưỡi cưa có nhiều dạng chuyển động khác nhau, bao gồm chuyển động tịnh tiến khứ hồi của cưa sọc, chuyển động tròn của cưa đĩa, chuyển động vô tận của cưa vòng và chuyển động thẳng của tia laze hay dòng thủy lực.
Theo động lực của bộ phận cắt gọt có: bằng sức người, động cơ điện, động cơ thủy lực, động cơ chất khí v.v…
Theo sự xuất hiện các hình thái phế liệu cưa có: xuất hiện phoi và không tạo ra phoi
Công cụ cắt có nhiều dạng cấu trúc khác nhau, bao gồm lưỡi cưa với đoạn bản thép mỏng, bản thép khép kín, dạng băng tải, bản thép tròn hình đĩa, dạng tròn rỗng một đầu có răng cưa, dạng xích, dòng thủy lực và tia laze.
Hình 3.1: Sơ đồ phân chia các dạng cưa xẻ gỗ.
Các bộ phận cơ bản của máy
Máy gia công gỗ bao gồm ba bộ phận chính: động lực, truyền động và cắt gọt Cơ cấu động lực của máy được trang bị động cơ điện, động cơ thủy lực hoặc các loại động lực khác, nhằm cung cấp năng lượng cần thiết cho quá trình làm việc của máy.
+ Cơ cấu truyền động: là bộ phận chuyển tiếp, truyền chuyển động tự động đến cơ cấu cắt gọt
+ Cơ cấu cắt gọt: thực hiện chuyển động để gia công nguyên liệu
Dưới đây là những dạng kết cấu chính của máy
Cơ cấu thực hiện việc gia công o Cơ cấu cắt gọt: Trục quay (trục dao) o Cơ cấu đưa gỗ vào máy: Trục quay, băng truyền, giá đỡ
Cơ cấu phụ trợ o Bộ phận kẹp, giữ phôi: Giữ chặt phôi trong quá trình gia công
Mặt chuẩn và mặt dẫn hướng là hai yếu tố quan trọng trong máy tiện và máy chép hình, bao gồm đường tâm của máy cùng với các tấm cữ và thước tựa Cơ cấu cấp liệu bao gồm hòm tiếp liệu, máng trữ và hệ thống cấp liệu tự động Cơ cấu đóng mở máy và phanh hãm được thực hiện qua cơ cấu xoay, cơ cấu định chuẩn và hệ thống phanh hãm Để kiểm tra chất lượng, kích thước và hoạt động của máy, cần sử dụng các dụng cụ kiểm tra chuyên dụng Cuối cùng, cơ cấu điều chỉnh có thể được thực hiện bằng tay, cơ giới hóa hoặc tự động hóa để đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu.
Cơ cấu động lực trong quá trình cắt gọt gỗ bao gồm nhiều nguồn năng lượng khác nhau như điện, thủy lực và khí nén Động lực này không chỉ hỗ trợ cho quá trình cắt gọt mà còn đảm bảo việc đưa gỗ vào máy một cách hiệu quả Ngoài ra, các cơ cấu phù trợ khác cũng cần có động lực riêng để hoạt động đồng bộ, góp phần nâng cao hiệu suất làm việc của toàn bộ hệ thống.
Cơ cấu truyền chuyển động và điều chỉnh bao gồm nhiều phương pháp khác nhau Đối với cơ cấu truyền động cơ khí, có thể kể đến bộ truyền động đai, bánh răng, vít-đai ốc và truyền động bằng ma sát, cùng với hộp tốc độ và bộ đảo chiều Bên cạnh đó, truyền động thủy lực và khí nén sử dụng xi lanh và van chuyển mạch, đồng thời có cơ cấu điều chỉnh áp lực và tốc độ Cuối cùng, truyền động bằng điện cũng là một phương pháp quan trọng trong cơ cấu này.
Máy bao gồm nhiều bộ phận quan trọng như thân máy được chế tạo từ quá trình đúc và hàn, cùng với bộ phận an toàn như vỏ che chắn và các cơ cấu chuyên dụng cho từng loại máy Để kiểm tra và tính toán hiệu suất làm việc, máy còn trang bị các dụng cụ đo lường như đồng hồ đo công suất, áp suất, tốc độ và nhiệt độ Ngoài ra, đồ gá cũng đóng vai trò quan trọng, đặc biệt cho các máy vạn năng như mẫu dưỡng và dẫn hướng.
3.3 Lực cắt và công suất cắt
Lực cắt cần có độ lớn đủ để thực hiện các công việc sau :
+ Tách phôi thông qua quá trình biến dạng phoi xung quanh lưỡi cắt
+ Hất phoi đồng thời thắng được lực ma sát khiến phoi bám vào lưỡi cưa
+ Thắng được lực ma sát giữa phôi và bàn máy
Lực cắt F tính cho 1 răng của lưỡi được trình bày trong công thức sau :
F v [N] (3.1) b : chiều rộng của phoi (m) h : chiều dày phôi (m)
Vc : Vận tốc cắt của lưỡi cưa (m/s)
Vf : Tốc độ đẩy phôi (m/s)
Lực cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tham số góc của lưỡi cắt, loại gỗ, độ ẩm, chiều dày phoi, mức độ cùn của lưỡi cắt và tốc độ cắt Việc xác định giá trị K cho từng trường hợp cụ thể thường gặp khó khăn, vì vậy lực cắt thường được xác định dựa trên các kết quả thực nghiệm.
Biểu đồ dưới đây minh họa mối quan hệ giữa vận tốc cắt và công suất cắt theo nghiên cứu của MEYER [10], được thực hiện trên ba loại gỗ: gỗ sồi (Beech), gỗ oak và gỗ thông (Spruce).
Biểu đồ 3.1 Biểu đồ thể hiện mối tương quan giữa vận tốc cắt và công suất cắt
D : Đường kinh lưỡi cưa (mm)
Khi xác định được công suất cắt sẽ chọn được motor phù hợp.
Phương án gia công chi tiết bọ ke góc
Bọ ke góc có hình dạng giống nhau với biên dạng hình thang cân, trong đó hai cạnh chéo tạo với phương nằm ngang góc 45° Sự khác biệt giữa chúng chủ yếu nằm ở kích thước chiều dài, chiều rộng và chiều dày.
Để gia công chi tiết gỗ một cách hiệu quả, cần lựa chọn phương án tối ưu dựa trên ba tiêu chí chính: thời gian gia công, độ hao phí vật liệu và giá thành sản xuất Giả thiết tốc độ đẩy phôi và tốc độ tịnh tiến lưỡi cưa là 50mm/s, với lưỡi cưa chuẩn bị cắt sát bề mặt phôi Thời gian phụ cho các hoạt động như xoay lưỡi cưa và đẩy phôi vào vị trí cắt được tính là 1 giây Phôi gỗ có chiều dài 500mm và thể tích 672000 mm³ (56x24x500mm) Kích thước chi tiết bọ gỗ được trình bày trong hình 1.2, và chúng ta sẽ bỏ qua hao phí do độ dày của lưỡi cưa.
Bước 1 : Từ phôi thanh dài, ta cắt thành từng khúc nhỏ
Để tạo ra chi tiết bọ, bước đầu tiên là ghép các phôi khúc thành một hàng và kẹp chặt chúng lại với nhau Tiếp theo, cắt hai góc nghiêng 45° một cách lần lượt hoặc đồng thời.
Thời gian gia công cho 1 phôi gỗ :
Từ 1 phôi dài 500mm có thể cắt được 4 khúc gỗ nhỏ dài 106mm với bề rộng cắt 56mm Thời gian để cắt được 4 khúc gỗ nhỏ bằng thời gian 8 lần đẩy lưỡi cưa (cả đi lẫn về) + thời gian đẩy phôi vào vị trí cắt khúc : 12.96 giây Thời gian từ lúc xếp 4 khúc gỗ thẳng hàng đến khi cắt xong 2 cạnh 45° cùng một lúc – thời gian lưỡi cưa di chuyển quãng đường 224mm cả đi lẫn về : 8.96s Tổng thời gian để gia công hết một phôi gỗ (bỏ qua thời gian chuyển bước) : 12.96+8.96!.92s
Thể tích phoi gỗ: 129024 mm 3 Lượng phôi gỗ thừa : 102114 mm 3 Thể tích gỗ có ích : 440862 mm 3 chiếm 65.6 %
Dự kiến kết cấu máy bao gồm cụm cưa cắt khúc với các thành phần như motor, lưỡi cưa, tấm gá motor và cơ cấu đầy lưỡi cưa Ngoài ra, máy còn có cơ cấu đẩy phôi vào vị trí cắt, cụm cưa nghiêng 45°, cơ cấu xếp phôi thành hàng, cùng với hai cơ cấu kẹp chặt và ổ chứa phôi.
Bước 1 : Từ phôi thanh dài cắt vát 1 góc 45°
Bước 2 : Đẩy phôi vào vị trí cắt, xoay lưỡi cưa 1 góc 90° cắt lần thứ 2, ta sẽ có chi tiết bọ thứ nhất
Tiếp tục xoay lưỡi cưa 90° ngược lại và cắt góc 45° để tạo ra chi tiết bọ thứ hai Lặp lại quy trình này cho đến khi hoàn thành chiều dài phôi.
Thời gian gia công cho 1 phôi gỗ :
Từ 1 phôi dài 500mm có thể cắt được 5 chi tiết bọ với chiều sâu cắt 56mm Thời gian để cắt được 5 chi tiết bằng thời gian 12 lần đẩy lưỡi cưa (cả đi lẫn về) + thời gian đẩy phôi vào vị trí cắt và thời gian xoay lưỡi cưa (6 lần xoay và 6 lần đẩy phôi, tính luôn cả lúc tề mặt đầu, do dự tính thời điểm xoay lưỡi cưa trùng với thời điềm đẩy phôi, ta coi như xoay + đẩy phôi là một) : 19.44 giây
Thể tích phoi gỗ: 0 mm 3 (do bỏ qua chiều dày lưỡi cưa) Lượng phôi gỗ thừa :
120960 mm 3 Thể tích gỗ có ích : 659904 mm 3 chiếm 98.2%
Dự kiến kết cấu máy bao gồm cụm cưa gỗ với motor, lưỡi cưa, tấm gá motor và cơ cấu nâng hạ lưỡi cưa Ngoài ra, máy còn có cơ cấu đẩy phôi vào vị trí cắt, cơ cấu kẹp chặt và ổ chứa phôi.
Thiết lập 2 lưỡi cưa ở góc 45° Lần lượt đẩy lưỡi cưa vào để cưa bọ gỗ
Bước 1 : Lưỡi thứ nhất đi vào tề mặt đầu, tạo góc 45° đầu tiên
Bước 2 : Rút lưỡi thứ nhất về, đẩy phôi tịnh tiến về phía trước đúng kích thước chiều dài chi tiết
Trong quy trình gia công, bước 3 yêu cầu lưỡi thứ hai cắt rớt chi tiết Quá trình này lặp lại bước 2 và bước 3 cho đến khi hoàn thành chiều dài phôi Để đảm bảo an toàn, lưỡi thứ hai chỉ được hoạt động khi lưỡi thứ nhất đã về vị trí hoàn toàn và phôi được đặt đúng chỗ, nhằm tránh va chạm.
Thời gian gia công cho 1 phôi gỗ :
Từ 1 phôi dài 500mm có thể cắt được 5 chi tiết bọ với chiều sâu cắt 56mm Thời gian để cắt được 5 chi tiết bằng thời gian 12 lần đẩy lưỡi cưa (cả đi lẫn về) + thời gian đẩy phôi vào vị trí cắt, tổng cộng 19.44 giây
Thể tích phoi gỗ: 0 mm 3 (do bỏ qua chiều dày lưỡi cưa) Lượng phôi gỗ thừa :
120960 mm 3 Thể tích gỗ có ích : 659904 mm 3 chiếm 98.2%
Dự kiến kết cấu của máy bao gồm cụm cưa gỗ với 2 motor, 2 lưỡi cưa, 2 tấm gá motor và 2 cơ cấu đẩy lưỡi cưa Máy còn được trang bị cơ cấu đẩy phôi vào vị trí cắt, cơ cấu kẹp chặt và ổ chứa phôi.
Dưới đây là bảng so sánh các yêu tố cần xem xét của ba phương án để chọn phương án tối ưu:
Thời gian gia công % Phôi gỗ có ích Giá thành chế tạo
Bảng 3.1 Bảng so sánh các phương án
Từ bảng so sánh trên, ta quyết định chọn phương án 2 làm phương án thiết kế máy
Ý TƯỞNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ MÁY
Trình tự thiết kế máy
Bắt đầu từ lý thuyết, ta tính toán lực cắt, công suất cắt và tốc độ cắt để chọn motor phù hợp Dựa vào phương án gia công và kích thước phôi ban đầu, thiết kế trạm cấp phôi, kéo phôi, cơ cấu nâng hạ và xoay lưỡi cưa Tiếp theo, tính toán đường kính các cylinder cho từng cụm cơ cấu Sau khi phác thảo sơ bộ máy, tiến hành vẽ chi tiết từng cụm máy và tính toán ứng suất, biến dạng, rung động khi máy làm việc Cuối cùng, xuất bản vẽ gia công và bản vẽ lắp, đồng thời chọn các chi tiết máy tiêu chuẩn có sẵn trên thị trường như bạc đạn và cylinder với đường kính và hành trình tiêu chuẩn.
Tổng quát về kết cấu máy
Dựa trên phương án gia công đã chọn, thiết kế máy gia công bọ ke góc bao gồm các cụm cơ cấu chính Đầu tiên, cụm cấp phôi có chức năng chứa và cung cấp phôi vào vị trí gia công Tiếp theo, cụm kéo phôi đảm nhận nhiệm vụ kéo phôi thanh đến vị trí vát mặt đầu và cắt để tạo hình, bao gồm hai má kẹp và bàn trượt Cụm xoay góc sẽ điều chỉnh lưỡi cưa theo các góc yêu cầu Cuối cùng, cụm nâng hạ lưỡi cưa, với motor kết nối trực tiếp vào lưỡi cưa, thực hiện việc nâng hạ lưỡi cưa tương tự như việc đẩy phôi vào lưỡi cưa.
Việc nhận diện hành trình của cylinder có thể được thực hiện thông qua cảm biến từ hoặc công tắc hành trình, trong đó PLC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và kiểm soát quá trình này.
Phương hướng và giải pháp thực hiện kết cấu cơ khí
Cụm cấp phôi là nơi dự trữ phôi, cấp phôi liên tục cho quá trình gia công
Phôi cần được đặt ở vị trí đứng thẳng, như thể hiện trong hình 4.1, khi được cấp vào máy gia công Điều này đảm bảo rằng phôi không bị nghiêng lệch và không gây ra tình trạng cấn móp, giúp quá trình gia công diễn ra thuận lợi và hiệu quả.
Hình 4.1 Phôi gỗ ở vị trí sẵn sàng gia công
Phôi được xếp chồng cao trong khay nằm ngang Khi nhận tín hiệu cấp phôi, cylinder sẽ đẩy phôi qua máng chuyển hướng, dựng đứng phôi lên để sẵn sàng cho quá trình gia công.
_ Ưu điểm: Có thể lưu trữ một lượng lớn phôi trong một lúc, việc cấp phôi diễn ra liên tục không bị ngắt quãng
_ Khuyết điểm: Khi chuyển hướng phôi có thể làm lật phôi hoặc lệch phôi Phương án 2
Phôi được xếp dài theo chiều dày sát vào nhau trên máng chứa phôi, được đẩy vào vị trí chuẩn bị gia công nhờ cylinder (hình 4.3)
_ Ưu điểm : So với phương án 1, không cần chuyển hướng phôi, phôi đã đứng sẵn
_ Khuyết điểm: Phải luôn bỏ phôi liên tục, không thể chứa quá nhiều phôi cùng một lúc vì giới hạn không gian và giới hạn hành trình cylinder
Hình 4.2 Phương án cấp phôi 1 (1) ổ chứa phôi, (2) máy chuyển hướng phôi,
(3) bàn máy (4) cylinder, (5) cử chặn, (6) phôi
Hình 4.3 Phương án cấp phôi 2 (1) máng chứa phôi, (2) bàn máy, (3) cử chặn, (4) cylinder, (5) phôi
So với phương án 2, phương án 1 tỏ ra ưu việt hơn Để khắc phục tình trạng lệch phôi và lật phôi, cần thiết phải bổ sung cử dẫn hướng trong quá trình chuyển hướng cho phôi Do đó, chúng tôi quyết định chọn phương án 1 làm phương án cấp phôi cho máy.
4.3.1.2 Thiết kế cụm cấp phôi
Cụm cấp phôi bao gồm hai thanh chữ U điều chỉnh được để phù hợp với nhiều chiều dài phôi, một cylinder để đẩy phôi từ ổ chứa qua bộ chuyển hướng, và một bộ chuyển hướng phôi Thiết kế của cụm cấp phôi được minh họa trong hình 4.4.
Cụm kéo phôi không chỉ có nhiệm vụ di chuyển phôi từ ổ chứa đến vị trí gia công mà còn tham gia vào quá trình kẹp chặt khi cưa Sau khi phôi được lấy ra, cụm kéo phôi sẽ đưa phôi vào vị trí để tạo góc 45° đầu tiên, sau đó kéo phôi đến kích thước sản phẩm yêu cầu, kẹp chặt và chờ cắt góc 45° tiếp theo Quá trình này tiếp tục cho đến khi hoàn thành chiều dài phôi, sau đó cụm kéo phôi sẽ trở về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho phôi kế tiếp.
Sử dụng bộ truyền vít me bi kết hợp với động cơ servo hoặc động cơ bước giúp tạo ra chuyển động tịnh tiến hiệu quả Quá trình này được thực hiện thông qua việc kẹp giữ phôi và kéo nhờ vào cylinder khí nén, mang lại độ chính xác cao trong các ứng dụng công nghiệp.
_ Ưu điểm: Độ chính xác cao, dễ dàng cài đặt kích thước mong muốn
_ Khuyết điểm: Tốc độ bị hạn chế, đòi hỏi người có chuyên môn để thiết lập kích thước, giá thành cao
Sử dụng cylinder khí nén giúp tạo chuyển động tịnh tiến và kẹp chặt hiệu quả Khoảng cách dịch chuyển có thể được điều chỉnh thông qua công tác hành trình hoặc cảm biến từ Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là giá thành rẻ và khả năng tùy chỉnh tốc độ nhờ van tiết lưu.
_ Khuyết điểm: Điều chỉnh kích thước, hành trình bằng tay do đó phải kiểm tra nhiều lần trước khi chạy hàng loạt
Với thiết kế đơn giản và chi phí thấp, phương án 2 là lựa chọn tối ưu vì không yêu cầu người có chuyên môn cao để lắp đặt máy.
4.3.2.2 Thiết kế cụm kéo phôi
Yêu cầu quan trọng nhất trong quá trình kéo phôi là đảm bảo độ thẳng góc, điều này được thực hiện nhờ vào các công tắc hành trình được gắn trên gá để xác định vị trí cưa chính xác Để đạt được chuyển động tịnh tiến hiệu quả, cụm kéo phôi sử dụng cylinder rodless RMT, loại cylinder này được trang bị bộ dẫn hướng 2 trục, giúp duy trì độ thẳng góc cần thiết trong quá trình kéo.
Việc tính toán đường kính nòng xylanh RMT phụ thuộc vào tải trọng, vị trí đặt tải trọng trên thân cylinder, cách gá cylinder và hành trình dịch chuyển
Để chọn đường kính cho cylinder rodless, trước tiên cần xác định cách gá của cylinder, sau đó tính toán tải trọng sẽ đặt vào Tiếp theo, xác định trọng tâm của tải trọng và cuối cùng, dựa vào bảng tra, chọn đường kính phù hợp.
Hình 4.6 Tải trọng tối đa cho từng đường kính cylinder
Cylinder rodless có khả năng mang tải trọng tối đa 7kg, bao gồm khối lượng của đầu kẹp khí nén, má kẹp và các pát liên kết Do đó, lựa chọn cylinder với đường kính 20mm là hợp lý Để xác định độ phù hợp với đường kính 20mm, cần áp dụng công thức (4.1), công thức này phụ thuộc vào trọng tâm của tải trọng và hành trình.
Hình 4.7 Tọa độ trọng tâm của tải trọng mmax 52.1
Trong đó : mmax : Tải trọng lớn nhất (kg) s là hệ số tải trọng Khi đường kính cylinder là 20mm, hành trình tối đa là 500mm, s= 1
Lo : Khoảng cách từ trọng tâm tải trọng đến trọng tâm cylinder Khi trọng tâm tải trọng trùng với trọng tâm cylinder, Lo = 0 (mm)
Thiết kế cụm kéo phôi được thể hiện trong hình 4.8
Hình 4.8 Thiết kế cụm kéo phôi
4.3.3 Cụm nâng hạ lưỡi cưa
Cụm cơ cấu nâng hạ lưỡi cưa là bộ phận quan trọng của máy, chịu trách nhiệm gá motor và thực hiện hành trình tịnh tiến lên xuống để cắt và đè phôi Chức năng nâng hạ lưỡi cưa tương tự như việc đẩy phôi vào lưỡi cắt, và đây cũng là cụm tiêu tốn nhiều năng lượng nhất trong quá trình hoạt động của máy.
Phương án thiết kế sử dụng cylinder khí nén làm nguồn động lực, mang lại nhiều ưu điểm như nguồn khí nén dễ tìm, đa dạng thiết bị và giá thành thấp Để đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về độ thẳng góc khi lưỡi cưa tịnh tiến, cần bổ sung cơ cấu dẫn hướng vào hệ thống.
Có 35 loại cơ cấu dẫn hướng có thể sử dụng, bao gồm rãnh trượt mang cá, rãnh trượt tròn và rãnh trượt bi vuông Cụm này bao gồm các thành phần như motor, đĩa cưa, cylinder, tấm đỡ cylinder, pát gá motor và tấm đè Đĩa cưa đóng vai trò là cơ cấu chấp hành trực tiếp, thực hiện quá trình cắt gỗ và nhận truyền động trực tiếp từ motor.
4.3.3.2 Thiết kế cụm cơ cấu nâng hạ lưỡi cưa
Dựa vào thiết kế ban đầu, motor cần đạt tốc độ cắt và công suất phù hợp, đồng thời có khối lượng nhỏ để dễ dàng nâng hạ Motor thông dụng trên thị trường có tốc độ vòng tua từ 960 đến 2880 vòng/phút, tuy có thể tăng tốc độ cắt bằng bộ truyền đai hoặc xích, nhưng điều này sẽ làm tăng khối lượng Vỏ motor bằng gang hoặc sắt cũng làm cho khối lượng motor lớn, ảnh hưởng đến năng suất và chỉ phù hợp với thiết kế motor tĩnh Vì vậy, chúng tôi quyết định không chọn loại motor này mà thay vào đó sử dụng motor từ máy cưa đu/cưa góc có sẵn trên thị trường.
Hình 4.9 Motor thông dụng trên thị trường
Motor từ máy cưa này đã được chuẩn hóa cho việc cắt gỗ với tốc độ 3800-
Thiết kế hệ thống điện điều khiển
Hệ thống điện đóng vai trò quan trọng trong máy cắt, hoạt động như một hệ thống huyết mạch để truyền tải tín hiệu điện và cung cấp năng lượng cho các cơ cấu chấp hành Được thiết kế nhằm cung cấp năng lượng và tín hiệu điều khiển cho van solenoid và motor máy cắt, hệ thống này đảm bảo hoạt động hiệu quả của máy Sơ đồ tổng quát của hệ thống điện trong máy cắt được thể hiện trong hình 4.19.
Hệ thống điện bao gồm các phần tử đầu vào như công tắc hành trình và nút bấm, kết nối với bộ điều khiển lập trình PLC để điều khiển các phần tử đầu ra như solenoid và motor Nguồn điện 24VDC cung cấp năng lượng cho các phần tử đầu vào và PLC.
Hình 4.19 Hệ thống điện và điều khiển
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển có khả năng lập trình, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic một cách linh hoạt thông qua ngôn ngữ lập trình.
Người sử dụng có thể lập trình PLC để thực hiện chuỗi sự kiện, được kích hoạt bởi tác nhân kích thích hoặc thông qua các hoạt động có độ trễ như thời gian định thì và sự kiện đếm PLC thay thế các mạch điện trong thực tế và hoạt động bằng cách quét các trạng thái đầu vào và đầu ra Khi có sự thay đổi ở đầu vào, đầu ra sẽ thay đổi theo Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hoặc State Logic.
Nguyên lý hoạt động của PLC dựa trên việc kích hoạt thiết bị thông qua trạng thái ON hoặc OFF, điều này được thực hiện bởi các thiết bị điều khiển vật lý bên ngoài Bộ điều khiển lập trình sẽ xử lý các tín hiệu này để thực hiện các tác vụ tự động hóa.
Chương trình 46 sẽ liên tục lặp lại theo cài đặt của người dùng, đồng thời chờ nhận tín hiệu ở ngõ vào và xuất ra các tín hiệu tương ứng ở ngõ ra.
So với bộ điều khiển dùng dây nối, PLC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như lập trình dễ dàng với ngôn ngữ thân thiện, thiết kế gọn nhẹ thuận tiện cho việc bảo quản và sửa chữa Ngoài ra, PLC có dung lượng bộ nhớ lớn, cho phép lưu trữ các chương trình phức tạp và hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp Nó cũng có khả năng giao tiếp với các thiết bị thông minh như máy tính, mạng và các module mở rộng Giá thành của PLC hiện nay cũng rất cạnh tranh.
PLC FX1N lý tưởng cho các ứng dụng điều khiển với 14-60 I/O, và có thể mở rộng lên tới 128 I/O khi sử dụng module mở rộng Nó hỗ trợ nhiều giao thức truyền thông như Ethernet, ProfileBus, CC-Link, CanOpen và DeviceNet FX1N cũng tương thích với các module analog và bộ điều khiển nhiệt độ Đặc biệt, PLC FX1N được trang bị chức năng điều khiển vị trí với 6 bộ đếm tốc độ cao (tối đa 60kHz) và hai bộ phát xung đầu ra (tối đa 100kHz), cho phép điều khiển độc lập hai động cơ servo hoặc thực hiện các nhiệm vụ điều khiển vị trí với hai tọa độ độc lập.
Dòng PLC FX1N rất phù hợp cho các ứng dụng trong ngành công nghiệp chế biến gỗ, hệ thống điều khiển cửa, máy nâng, thang máy, sản xuất ô tô, hệ thống điều hòa không khí trong nhà kính, xử lý nước thải và điều khiển máy dệt Với khả năng xử lý từ 14 đến 60 I/O, PLC FX1N có thể mở rộng lên tới 128 I/O thông qua các module mở rộng Bộ nhớ chương trình của thiết bị lên đến 8000 kstep, giúp đáp ứng tốt các bài toán điều khiển phức tạp.
Chu kỳ lệnh đạt 0.55us mỗi lệnh, với 6 bộ đếm tốc độ cao hoạt động ở tần số 60KHz Hệ thống bao gồm hai bộ phát xung đầu ra, có khả năng điều khiển tối đa với tần số 100KHz Nguồn cung cấp linh hoạt từ 12-24VDC hoặc 120-240VAC.
4.4.2 Chu trình hoạt động của máy Để thuận tiện, dễ dàng lập sơ đồ bước điểu khiển máy cắt, ta ký hiệu các 4.20
Hình 4.20 Ký hiệu cylinder khí nén
Chu trình hoạt động của máy :
Bước 1 – Cấp phôi : Xy lanh A đi ra đẩy phôi vào vị trí làm việc rồi lui về
Bước 2 – Chuẩn bị gia công: o Xy lanh C (kéo phôi) lùi sát về cữ S7; o Xy lanh B (ngàm kẹp) kẹp chặt phôi
Bước 3 – Vạt mặt đầu : o Xy lanh C kéo phôi vào vị trí vạt mặt đầu; o Xy lanh F (đè phôi) giữ phôi cố định; o Xy lanh D (giữ phôi tạm) đè phôi;
Trong quy trình gia công, xy lanh B nhả phôi, sau đó xy lanh C lùi về giữa S6 Tiếp theo, xy lanh B kẹp chặt phôi lại, trong khi xy lanh D nhả về vị trí ban đầu Xy lanh G, có nhiệm vụ nâng hạ lưỡi cưa, sẽ đi xuống để vạt mặt đầu phôi rồi trở về vị trí cũ Cuối cùng, xy lanh F buông phôi và nhả về.
Trong bước 4 của quy trình ra phôi bọ, xy lanh E xoay góc và di chuyển ra chạm cữ S10, đồng thời duy trì khí nén Xy lanh C tiến từ S6 đến chạm cữ S5 Xy lanh F giữ phôi cố định, trong khi xy lanh D giữ phôi tạm Xy lanh B nhả phôi, sau đó xy lanh C lùi về giữa S6 và xy lanh B kẹp phôi lại Xy lanh D nhả về, tiếp theo xy lanh G đi xuống cắt phôi rồi trở về Cuối cùng, xy lanh F buông phôi và nhả về, trong khi xy lanh E di chuyển về chạm cữ S11 và duy trì khí nén.
Lặp lại bước 4 đến khi hết chiều dài phôi
Lặp lại các bước 1, 2, 3 , 4 đến khi hết phôi trong ổ chứa
Từ chu trình hoạt động trên ta hệ thống lại thành dạng sơ đồ bước (phụ lục)
Sau khi hoàn tất các thiết kế liên quan đến cơ khí và hệ thống điều khiển, chúng ta sẽ tiến hành chế tạo, lắp đặt và thử nghiệm các thiết bị Thông tin chi tiết về quy trình này sẽ được trình bày trong chương tiếp theo.
