Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất linh hoạt fms gia công khuôn mẫu chai PET

Nội dung text: Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất linh hoạt fms gia công khuôn mẫu chai PET

1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HOẠT FMS GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI PET CALCULATION AND DESIGN FLEXIBLE MANUFACTURING SYSTEM-FMS FOR MOLD MACHINING OF PET BOTTLE Đặng Thiện Ngôn - Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Nguyễn Văn Chiến - Học Viên Cao Học Ngành Kỹ Thuật Cơ Khí Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM TÓM TẮT Trong nền sản xuất hiện đại, việc thành lập các hệ thống sản xuất linh hoạt đóng một vai trò hết sức quan trọng. Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) cho phép tự động hoá ở mức độ cao trong sản xuất bằng cách sử dụng các máy CNC, các rôbôt công nghiệp để điều khiển các đối tượng lao động, và các hệ thống vận chuyển - tích trữ phôi với mục đích tối ưu hoá quá trình công nghệ và quá trình sản xuất. Đặc biệt sự hiện diện của các sản phẩm nhựa trong đời sống hàng ngày với vô số những ưu điểm nổi trội hơn so các sản phẩm cùng loại được làm từ các vật liệu khác đã nói lên tiềm năng to lớn của ngành nhựa trong tương lai. Trong đó công nghệ chế tạo khuôn mẫu là một trong những lĩnh vực quan trọng hàng đầu của ngành nhựa. Trong bài báo này chúng tôi sẽ trình bày tính toán số lượng, lựa chọn các thành phần thiết bị trong hệ thống sản xuất linh hoạt, bố trí mặt bằng xưởng sản xuất và mô phỏng quá trình sản xuất linh hoạt bằng phần mềm Flexsim. ASBTRACT In modern manufacturing, set up Flexible Manufacturing System play an important role. Flexible Manufacturing System-FMS allow high automatic by using CNC machines and robots to control objects, and transformed system-hoarding products for optimal process of technology and manufacturing process. Especially, products which made by plastic is more outstanding points than products which made by other material nowadays. This show that plastic field get much potential in the future. And molding manufacturing is one of important branch of plastic field manufacture. This paper will present calculate the quantity and the way of chose equipment in Flexible Manufacturing System and the way of set up layout for factory and simulated by Flexsim program. Trang 1
2. 1. Giới thiệu Hệ thống FMS có khả năng chế tạo một cách hiệu quả một hoặc nhiều họ sản phẩm trong các nhóm công nghệ, được thiết kế một cách hợp lý. Ngoài ra hệ thống FMS có khả năng lập kế hoạch và tiến hành sản xuất các sản phẩm một cách ngẫu nhiên, liên tục, không mất thời gian chuẩn bị, không phải dừng máy mỗi khi chuyển sang một sản phẩm mới. Việc xây dựng hệ thống FMS cho phép gia công linh hoạt nhóm các chi tiết khuôn mẫu chai PET, kết quả tính toán và thiết kế được kiểm nghiệm và đánh giá bằng phần mềm FlexSIM 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Định nghĩa chai PET Chai nhựa PET (Poly ethylene terephthalate) là nhựa nhiệt dẻo, thuộc loại nhựa polyester và được dùng trong tổng hợp xơ sợi, vật đựng đồ uống, thức ăn và các loại chất lỏng, có thể ép phun để tạo hình, và trong kỹ nghệ thường kết hợp với xơ thủy tinh. 2.2. Các dạng chai PET Chai PET dung trong ngành thực phẩm gồm có các dạng sau: Dạng chai 330ml Dạng chai 500ml Dạng chai 1500ml Theo [14], từ việc lựa chọn nước giải khát của khách hàng cho thấy loại chai nhựa 500ml Revive, Pepsi, 7up của hãng Pepsico được sử dụng nhiều nhất. Do vậy tác giả chọn chai Revive là chai sẽ được nghiên cứu và thiết kế hệ thống sản xuất linh hoạt FMS để gia công khuôn mẫu. 2.3. Khuôn mẫu chai PET 2.3.1. Chức năng Để tạo ra những chi tiết, những sản phẩm bằng chất dẻo có thành mỏng như các loại chai, lọ và thùng chứa. 2.3.2. Yêu cầu chung - Độ chính xác là cấp 3 - Cấp độ bóng là 9 (Ra = 3.2 μm) - Dung sai nhỏ nhất là 0,01 (mm) - Đảm bảo độ chính xác về kích thước, hình dáng, biên dạng của sản phẩm - Đảm bảo độ chính xác về vị trí tương quan giữa hai nửa khuôn - Đảm bảo lấy được sản phẩm ra khỏi khuôn một cách dễ dàng Trang 2
3. - Vật liệu chế tạo khuôn phải có tính chống mòn cao và dễ gia công - Khuôn phải đảm bảo độ cứng vững khi làm việc, tất cả các bộ phận của khuôn không được biến dạng hay lệch khỏi vị trí cần thiết khi chịu lực ép lớn - Sản phẩm thổi ra không bị thủng, không bị khuyết tật - Sai lệch về thể tích 1% Trên cơ sở các yêu cầu chung của một bộ khuôn, khuôn mẫu chai Revive dung tích 500ml đã được thiết kế để làm cơ sở cho việc nghiên cứu quy trình công nghệ và xây dựng hệ thống FMS Hình 2.1: Bản vẽ kết cấu khuôn chai nhựa Revive 2.4. Xây dựng hệ thống sản xuất linh hoạt 2.4.1. Yêu cầu thiết kế - Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS có thể gia công khuôn mẫu chai 500ml Revive - Kích thước chi tiết tấm khuôn : + Tấm lòng khuôn trái và phải 300x260x60.4 (mm) + Tấm lòng khuôn đáy 200x120x39.4 (mm) - Năng suất 100 (bộ/ năm) - Hệ thống làm việc 1 ca/ngày, mỗi ca 8 giờ - Hệ số sử dụng máy K =0.9 - Dạng sản xuất: hàng loạt vừa - Phôi thép C45 hoặc SKD 11 - Tỉ lệ phế phẩm 3 – 5 % 2.4.2. Quy trình công nghệ gia công khuôn mẫu chai PET a. Quy trình công nghệ gia công lòng khuôn trái và phải Phay mặt phẳng Phay rãnh Phay lòng khuôn Khoan khoét lỗ Nguội Trang 3
4. b. Quy trình công nghệ gia công lòng khuôn đáy Phay mặt phẳng Phay lòng khuôn Khoan khoét lỗ Nguội 2.4.3. Phác thảo sơ bộ bố trí mặt bằng hệ thống sản xuất FMS: Căn cứ vào yêu cầu thiết kế, hệ thống sản xuất linh hoạt FMS có thể gia công chai nhựa Revive và các chủng loại chai PET tương tự. Ta chọn kiểu bố trí sơ bộ hệ thống FMS theo dạng sau. Hình 2.2: Sơ đồ bố trí sơ bộ mặt bằng FMS Hệ thống FMS trong hình 2.2 được chọn sơ bộ gồm các thành phần sau: 1. Kho chứa phôi 2. Xe tự hành AGV 3. Băng tải 4. Robot Cấp và tháo phôi 5. Cụm máy gia công CNC 6. Máy đo CMM 7. Kho chứa thành phẩm 8. Kho chứa phế phẩm 2.4.4. Tính toán và lựa chọn các thành phần cho hệ thống FMS a. Trạm gia công trong hệ thống FMS Tính toán thiết kế trạm gia công [11] bao gồm các thông số sau: - Thời gian thực tế của 1 máy trong 1 năm với chế độ 1 ca của dây chuyền: F1,1 = [(365-104) – n].8.k = [(365-104) – 8].8.0,97 = 1963 (giờ) - Nhịp sản xuất của dây chuyền thay đổi gia công nhiều loại chi tiết tn = = = 365.1 (phút) - Số lượng máy sử dụng trong hệ thống FMS Trang 4
5. 134 Số máy phay đứng CNC : n 0.38 Chọn n 1 (máy) t1 365.1 t1 133 Số máy phay ngang CNC : n 0.34 Chọn n 1 (máy) t2 365.1 t2 250 Số máy trung tâm gia công CNC : n 0.68 Chọn n 1 (máy) t3 365.1 t3 Bảng 3.1: thời gian gia công của mỗi chủng loại đối với từng máy gia công T/g gia công của mỗi T/g gia công Số máy gia công Máy làm việc chủng loại(phút) trung bình ttb trong FMS I II III (phút) ntính Chọn Máy phay đứng CNC 152.5 150 100 134 0.38 1 Máy phay ngang CNC 150 150 100 133 0.34 1 TT gia công CNC 300 300 150 250 0.68 1 - Bố trí mặt bằng máy gia công + Kích thước a + Kích thước b b. Trạm kiểm tra chi tiết Tính toán thiết kế trạm kiểm tra chi tiết [11] bao gồm các thông số sau: - Số vị trí gá chi tiết : n 3 n = 1 3 K K 1.1 1 2 - Số chi tiết cần thiết kiểm tra trong một tháng Kt = = = 25 (chi tiết) - Số vị trí cần thiết để kiểm tra trong hệ thống FMS tk .KT nk= = (vị trí)  v .60 - Bố trí mặt bằng máy CMM + Kích thước c Trang 5
6. c. Robot cấp phôi (chi tiết) và tháo phôi (chi tiết) Tính toán thiết kế robot cấp và tháo phôi [11] bao gồm các thông số sau: - Số chi tiết K0 thuộc nhiều chủng loại khác nhau có thể gia công trên hệ thống FMS.  .n 169.4 K t m 12.3 0 t .N 2,2 .25 0 t - Số chi tiết đi qua vị trí trong 1 tháng Kc = K0 .Nt = 13 x 25 = 307 (chi tiết) - Số vị trí cấp phôi và tháo phôi nv t.K 2 5 307 n = C 0.3 v  .60 169 60 V - Bố trí robot cấp và tháo phôi + Kích thước d, e, f, g d. Hệ thống băng tải Tính toán thiết kế hệ thống băng tải [11] bao gồm các thông số sau: - Chiều dài băng tải L = M1 + M2 + M3+ M4 + k1 + k2 + k3 + a + b =12590 (mm) - Chiều rộng băng tải W = P + c + d = 260 + 50 + 50 = 360 (mm) - Chiều cao băng tải Chọn chiều cao băng tải H = 150 (mm) - Bố trí hệ thống băng tải: + Kích thước h e. Kho chứa phôi và kho chứa thành phẩm Tính toán thiết kế kho chứa phôi [11] bao gồm các thông số sau: - Chiều cao của kho : H = (h + b2 + b4).Ny + b5 = (60.4 + 200 + 50)10 + 200 = 3304 (mm) - Chiều dài của kho Lt = (n.w + (n +1).b1+ b3).Nx = (1.300 + (1 + 1).50 + 50)10 = 4500 (mm) - Chiều rộng của kho. B = nB.(x + 100) = 1(260 + 100) = 360 (mm) - Khả năng chứa của kho T = ny x nz= 100 (khoang chứa) - Bố trí kho chứa phôi: Trang 6
7. + Kích thước i + Kích thước j f. Kho chứa phế phẩm Tính toán tương tự như kho chứa phôi - Bố trí kho chứa phế phẩm + Kích thước m + Kích thước n g. Xe tự hành AGV Tính toán thiết kế xe AGV [11] bao gồm các thông số sau: - Thời gian thực hiện một hành trình L L T d T e = 1.4 (phút) v V h V c c - Số chuyến đối với một xe trong một giờ: 60 F C t = 40.7 (chuyến) T v - Tổng số xe yêu cầu: H T 0.61 (xe) C - Bố trí xe tự hành + Kích thước o + Kích thước p 2.4.5. Sơ đồ thiết kế mặt bằng xưởng sản xuất Mặt bằng xưởng sản xuất sau khi thiết kế xong phải thể hiện đầy đủ kích thước để tiến hành việc lắp đặt và vận hành chạy thử. Hình 2.3: Sơ đồ thiết kế mặt bằng xưởng sản xuất Trang 7
8. 2.5. Mô phỏng đánh giá hệ thống FMS 2.4.1. Phân tích đường đi linh hoạt của sản phẩm Hệ thống FMS sẽ thực hiện quá trình gia công các chủng loại sản phẩm khác nhau có quy trình công nghệ gia công gần tương tự nhau. Do đó việc phân tích đường đi của các chủng loại sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong việc thể hiện tính linh hoạt trong quá trình sản xuất. (I) Lòng khuôn trái (II), Lòng khuôn phải, (III) Lòng khuôn đáy Hình 2.4: Sơ đồ đường đi linh hoạt của sản phẩm 2.4.2. Xây dựng lưu đồ điều khiển các quá trình gia công trong hệ thống FMS Yêu cầu hoạt động: Quá trình gia công phôi I, II, III được thực hiện đúng với quy trình gia công khuôn mẫu đã thiết kế. Bên cạnh đó các thành phần thiết bị phải hoạt động đúng với chức năng đã đề ra. Hình 2.5: Lưu đồ điều khiển quá trình gia công phôi I, II, III Trang 8
9. 2.4.3. Viết chương trình mô phỏng điều khiển quá trình sản xuất linh hoạt Căn cứ vào lưu đồ thuật toán đã xây dựng điều khiển quá trình hoạt động của hệ thống FMS ta dùng ngôn ngữ lập trình C++ để viết chương trình mô phỏng cho hệ thống. [PL 13] thoả mãn tính linh hoạt trong quá trình gia công chai Revive. 2.4.4. Mô phỏng quá trình gia công linh hoạt Sau khi xây dựng lưu đồ, viết và chỉnh sửa chương trình mô phỏng điều khiển xong ta tiến hành mô phỏng quá trình sản xuất. Việc mô phỏng này giúp ta phát hiện được những sai sót trong quá trình thiết kế khoảng cách giữa các thiết bị và minh hoạ được quá trình sản xuất linh hoạt. Hình 2.6: Mô phỏng quá trình sản xuất linh hoạt 2.4.5. Kết luận Hệ thống sản xuất linh hoạt này có nhiều ưu điểm hơn so với công nghệ gia công khuôn mẫu theo hướng thủ công như hiện nay sẽ giải quyết được vấn đề về: độ chính xác, giá cả cạnh tranh, thời gian giao hàng và năng suất. Hệ thống sản xuất linh hoạt gia công khuôn mẫu chai Revive đã được tính toán toán và thiết kế mặt bằng xưởng hợp lý với việc dùng phần mềm Flexsim để mô phỏng. Kết quả mô phỏng cho thấy: - Xây dựng được hệ thống FMS gia công nhóm khuôn chai PET - Các thành phần thiết bị được lựa chọn hoạt động tốt - Các kích thước bố trí mặt bằng đã được kiểm tra và điều chỉnh - Hệ thống FMS gia công chai Revive hoàn chỉnh được thể hiện như sau Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế mặt bằng xưởng sản xuất hoàn chỉnh Trang 9
10. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Tá phước, Đinh Văn Chiến (HD),Trần Văn Địch (HD), Nghiên cứu thiết kế hệ thống sản xuất linh hoạt để gia công một số loại chi tiết điển hình, LVTN Thạc sĩ, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, 2010 [2] Nguyễn Tấn Đệ, Nguyễn Cảnh Quang, Lê Trung Thực (HD), Ứng dụng Pro/Engineer để thiết kế khuôn thổi chai Nhớt và dùng Blowview 8.0 để tối ưu hoá chất lượng sản phẩm, ĐATN, Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh, 2010 [3] Võ Ngọc Ẩn, Huỳnh Trọng Nghĩa, Nguyễn Văn Sơn (HD), Thiết kế và gia công khuôn thổi chai nước 330 ml, ĐATN, Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, 2012 [4] Trần Văn Địch, Thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy, NXB KHKT, Hà Nội 2008 [5] Phí Trọng Hảo, Hoàng Tùng, Trần Xuân Việt, Lê Văn Vĩnh, Thiết kế và qui hoạch công trình công nghiệp cơ khí, NXB KHKT, Hà Nội 2004 [6] Vũ Hoài Ân, Thiết kế khuôn cho sản phẩm nhựa, Viện máy ứng dụng và công nghiệp, 1994 [7] Nguyễn Đắc Lộc, Lê văn Tiến, Ninh Đức Tốn, Trần Xuân Việt, Sổ tay Công nghệ chế tạo máy 1, NXB KHKT, Hà Nội 2003 [8] Peter Kostal, Karol Velisek, Flexible manufacturing system, World Academy Of Science, Engineering And Technology 2011 [9] Peter KOSTAL, Andrea MUDRIKOVA, Radovan HOLUBEK, Layout design of flexible manufacturing system, Acta Technica Corviniensis – Bulletin Of Engineering Tome V 2012 [10] William W. Luggen, Flexible manufacturing cells and systems, Prentice Hall 1991 [11] H.K. Shivanand, MM Benal, V. Koti, Flexible manufacturing system, New Age International 2006 [12] P. Radhakrishnan, S. Subramanyan, V. Rayu, Cad/Cam/Cim, New Age International 2008 [13] Andrew Kusiak, Computational intelligence in design and manufacturing, John Willey and Sons, Inc 2000 [14] Thị trường nước giải khát mùa hè, link nay-se-ra-sao/50/8221204.epi, 2012 [15] Flexsim 6, Flexsim Users Manual, link 2012 [16] Learning to use Flexsim and create simulation models, Version 6.0 Tutorials, link. 2012 Trang 10
11. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.