Hệ thống cấp phôi tự động

CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG

KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

1. Khái niệm

Hiện nay, các quá trình sản xuất các sản phẩm trên máy cắt kim loại, các máy gia công bằng áp lực (như cán, uốn , dập, đột…), các quá trình công nghệ lắp ráp sản phẩm cơ khí hay kiểm tra, các hệ thống sản xuất ưong các ngành công nghiệp nói chung như sản xuất phân bón, vật liệu xây dựng, thực phẩm… đều phát triển theo xu hướng tự động hóa ngày càng cao. Để đảm bảo được quá trình sản xuất ổn định thì cần thiết phải có quá trình cung cấp phôi chính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp (cấp đúng lúc) và liên tục theo chu trình hoạt động của máy một cách tin cậy.
Vì thế quá trình cấp phôi là một trong những yêu cầu cần thiết cần phải được nghiên cứu và giải quyết trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm mục đích nâng cao năng suất lao động, sử dụng và khai thác các máy móc, thiết bị một cách có hiệu quả nhất và nâng cao chất lượng sản phẩm.
Nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động là giải quyết từng giai đoạn một cách triệt để ưong tổng thể toàn bộ hệ thống cấp phôi và phải được đặt ưong từng điều kiện làm việc cụ thể của từng máy móc, thiết bị và công đoạn sản xuất. Trong quá trình nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động thì mục tiêu chính cần phải đạt được đó là hệ thống cấp phôi cần phải hoạt động một cách ổn định và tin cậy, có nghĩa là phải cung cấp phôi một cách kịp thời, chính xác về vị trí trong không gian, đủ số lượng theo năng suất yêu cầu có tính đến lượng dự trữ và thu nhận sản phẩm sau khi sản xuất xong một cách an toàn và chính xác.
Trong thực tế hiện nay của các ngành sản xuất nói chung, người ta đang sử dụng khá rộng rãi các cơ cấu cấp phôi bằng cơ khí, hoặc phối hợp cơ khí – điện, cơ khí- khí nén. với sự phát ưiển mạnh của lĩnh vực điều khiển tự động và Robot đã cho phép dựa vào các tay máy, người máy làm việc theo chương trình và dễ dàng thay đổi được chương trình một cách linh hoạt thích ứng với các kiểu phôi liệu khác nhau khi cần thay đổi các sản phẩm. Đây là một trong những tính chất rất quan trọng mà nhờ nó có thể áp dụng công nghệ tiên tiến vào trong quá trình sản xuất dạng loạt nhỏ và loạt vừa mà vẫn có thể mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Có thể thấy rằng, việc nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động có tính bao quát và bao gồm nhiều lĩnh vực và liên quan đến nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Tuy nhiên do giới hạn của giáo trình và thời lượng nên trong tài liệu này chỉ

đề cập đến một số nguyên tắc và nguyên lý cơ bản nhất về sự hoạt động của một số cơ cấu mang tính đặc trưng. Hy vọng rằng từ những cơ sở này, các độc giả có thể phát triển và sáng tạo thêm nhằm nghiên cứu và lựa chọn giải pháp áp dụng đối với môi trường hợp cụ thể trong từng lĩnh vực sản xuất công nghiệp một cách thích hợp. Nội dung chính trong giáo trình này chỉ trình bày những phần tính toán đối với các chi tiết trong gia công cơ khí vì riêng về mức độ đa dạng và phong phú về kích cổ, hình dáng, các đặc điểm về vật liệu và một số tính chất khác cùng đã là quá nhiều. Cũng chính vì thế mà ưong phần này chỉ đi sâu giải quyết cho một số kiểu sản phẩm có tính chất điển hình, ưên cơ sổ đó, người đọc có thể phát ưiển đối với các kiểu chi tiết cụ thể ưong lĩnh vực gia công cơ khí nói riêng và ưong các ngành công nghiệp nói chung.

2. Phân loại

Như đà nói ổ trên, sản phẩm gia công cơ khí rất đa dạng về kích cổ, hình dạng, đặc tính vật liệu và một số tính chất khác. Các phôi liệu về cơ bản cùng có hình dạng và kích thước gần giống với chi tiết, vì vậy nó cùng rất đa dạng. Trong lĩnh vực gia công cơ khí thì các phôi liệu thường được chế tạo bằng cách đúc, rèn, dập, cán , hàn, cắt bằng khí đốt….Do vậy trước hết phải căn cứ vào dạng phôi để phân loại các kiểu hệ thống cấp phôi tự động. Theo đó, có thể phân thành 3 kiểu cấp phôi cơ bản sau đây:
– Cấp phôi dạng cuôn
-Cấp phôi dạng thanh hoặc tấm
-Cấp phôi dạng rồi từng chiếc
Mồi kiểu cấp phôi trên mang tính đặc thù riêng và bản thân trong mỗi kiều cùng đã bao hàm rất nhiều dạng khác nhau. Tuỳ theo công nghệ sản xuất mà nguôi ta có thể bố trí các hệ thống cấp phôi liên tục, cấp phôi gián đoạn theo chu kỳ hoặc cấp phôi theo lệnh.

3. Ý nghĩa của cấp phôi tự động

Hệ thống cấp phôi tự động trước hết phải nằm trong các hệ thống sản xuất mang tính tự động từng phần hay toàn phẳn và không thể có hệ thống sản xuất tự động mà không có quá trình cấp phôi tự động. Quá trình cấp phôi tự động có những ưu điểm sau:
Nâng cao năng suất do giảm thời gian phụ (là thời gian gá đặt phôi và tháo sản phẩm sau khi gia công).
Đảm bảo được năng suất gia công theo tính toán vì nó đảm bảo được chu kỳ cấp phôi chính xác, không bị ảnh hưởng đến các yếu tố về khách quan như tình trạng tâm sinh lý và trạng thái sức khoẻ của con người.

Đảm bảo độ chính xác gá đặt cao vì trước khi phôi đến vị ưí để cấp cho máy công tác thì nó đã được định hướng chính xác ưong không gian và đúng tọa độ theo yêu cầu, đồng thời tốc độ di chuyển của phôi đà được điều chỉnh để phù hợp với cơ cấu gá đặt.
Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân: Giải phóng cho con người trong các công việc lao động phổ thông nhàm chán (như lặp đi lặp lại một động tác có tính đôn giản); Trong các công việc nặng nhọc (như di chuyển và gá đặt các phôi có kích thước lớn, khối lượng lón); Các công việc có thể gây ra nguy hại cho sức khoẻ của ngũòi công nhân như các phôi liệu có thể có các cạnh sắc, ví dụ các bavia, rìa mép của các phôi dập, rèn, đúc…; Các công việc gây sự mỏi mệt cho công nhân như phải tập trung chú ý để tìm, chọn, phân loại và định hướng (nhất là các chi tiết có hình dạng gần giống nhau hoặc khó phân biệt về hướng).
Đảm bảo an toàn cho ngũòi sử dụng và các máy móc thiết bị như: Có thể loại khỏi dây chuyền sản xuất các phôi có nhiều sai số và khuyết tật để đảm bảo sự làm việc ổn định cho thiết bị; Tránh tình trạng máy bị quá tải do lượng dư quá lớn hoặc không đều; Tránh được sự rung động và các tải trọng động có biên độ lớn trong quá trình gia công do các khuyết tật trên phôi.

HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG

1. Các thành phần chủ yếu của hệ thống cấp phôi tự động

Đẽ đảm bảo yêu cầu của một hệ thống cấp phôi tự động, có nghĩa là phải đảm bảo được việc cung cấp đủ về số lượng phôi cho máy công tác để hệ thống hoạt động một cách liên tục có tính đến lượng dự trữ, cấp phôi đúng thời điểm với độ chính xác về vị trí và định hướng trong không gian với độ tin cậy cao. Hệ thống cấp phôi đầy đủ cần phải có các thành phẳn sau đây:
– Phễu chứa phôi hoặc ổ chứa phôi
– Máng dần phôi
– Cơ cấu định hướng phôi
– Cơ cấu phân chia phôi
– Cơ cấu điều chỉnh tốc độ phôi
– Cơ cấu bắt – nắm phôi khi gá đặt và tháo chi tiết sau khi gia công xong.
Mỗi một thành phần trong hệ thống có một chức năng và nhiệm vụ nhất định và phải được bố trí đồng bộ vổi nhau trong một thể thống nhất về mặt không gian và thời gian. Tuy vậy cũng cần thấy rằng không nhất thiết lúc nào cùng phải có mặt đầy đủ các thành phần của nó mà tuỳ thuộc vào từng trường hợp cụ thể mà chỉ cần một số trong chúng. Việc phân chia hệ thống thành các thành phần như trên cũng chỉ là tương đối vì người ta có thể kết hợp một số thành phẳn trong chúng lại vổi nhau theo đặc điểm về hình dáng, kích thước của phôi để giảm được kích thước khuôn khổ của hệ thống, làm cho việc thiết kế và chế tạo và lắp đặt đơn giản hơn…

Mặc dầu vậy, đề thuận lợi cho quá trình phân tích về mặt nguyên lý hoạt động của hệ thống cấp phôi, trong giáo trình này vẫn phân tích sự hoạt động của các thành phần một cách riêng rẽ để từ đó bạn đọc có thể có được một cái nhìn rõ ràng hơn nhằm phân tích và lựa chọn trong quá trình ứng dụng cụ thể cho từng đối tượng một cách thích hợp.

2. Phễu chứa phôi

Phễu chứa phôi là thành phẳn đẩu tiên trong hệ thống cấp phôi tự động có mục đích để chứa và dự trữ một lượng phôi cần thiết nhằm đảm bảo cho hệ thống làm việc một cách liên tục và ổn định. Đồng thời phễu chứa phôi phải thực hiện được nhiệm vụ định hướng phôi cấp I (định hưóng sơ bộ) để cung cấp cho máng chuyển phôi thực hiện được quá trình lưu thông và di chuyển phôi đều đặn.
Do mục đích của phều chứa phôi được đặt ra là quan trọng và cần thiết như vậy nên thường hiện nay người ta sử dụng chủ yếu các kiểu phễu kép mà trong đó phều thứ nhất được dùng để chứa các phôi được cấp vào (có thể gián đoạn bằng tay theo chu kỳ, có thể liên tục nhỏ băng tải, gàu tải) và dự trữ phôi. Phễu thứ hai làm nhiệm vụ định hướng cấp I và cung cấp phôi cho máng chuyển một cách đều đặn và liên tục, tránh tình trạng hoặc phôi bị kẹt không chuyển vào máng dẫn được hoặc bị dồn quá nhiều trên máng làm cho máng chuyển phôi không thực hiện được chức năng và nhiệm vụ của mình.

2-1. Ổ cắp phôi thanh hoặc phôi cuộn

Đối với dạng phôi là dạng thanh hay dạng cuộn thường được sử dụng trong công nghệ gia công bằng biến dạng dẻo như dập, cắt, đột lồ, cuốn ổng, các hệ thống sản xuất que hàn, sản xuất bulong hoặc đinh vít, đinh tán rive, đinh đóng gỗ hoặc đinh đóng tường…Còn trong quá trình gia công cắt gọt, kiều phều này thường được sử dụng để cấp phôi thanh (có tiết diện tròn) cho các máy tiện tự động.
Đối vổi phôi cuộn như các cuộn tole mỏng, thông thường người ta gá nó lên trên các trục được đặt trên các con lăn hay gói đổ và có thể tự quay dưới tác dụng của lực kéo của hệ thống công tác như hệ thống trục cán hoặc của cơ cấu kéo phôi được trang bị trên các máy cắt, máy dập … để tháo dần từng lớp một. Với kiểu cấp phôi loại này, nguôi ta thường trang bị thêm một hệ thống phanh để ưánh ảnh hưởng do lực quán tính có thể gây ra tình trạng phôi bị gập hoặc bị nhăn do tốc độ cấp phôi và tốc độ công tác không đồng bộ.

Đối với các loại phôi dây có đường kính từ 0,2mm đến 8mm thường được cuộn thành từng cuộn có kích thước và khối lượng theo yêu cầu, người ta sử dụng các tang có trục quay đặt nằm ngang hoặc thẳng đứng và qua một hệ thống kéo cưỡng bức phôi di qua một hệ thống các con lăn để nắn thẳng phôi trước khi đi vào máy công tác như trong hệ thống sản xuất que hàn, sản xuất đinh, bulong….
Đối với các loại phôi thanh có tiết diện ngang là hình tròn và có kích thước từ 10mm đển 30mm với chiều dài mỗi thanh là có thể 6m hoặc 9m được cán với độ chính xác khá cao như về dung sai của đường kính, độ chính xác về hình dáng hình học, về độ thẳng được dùng để cấp phôi cho các máy tiện tự động hoặc bán tự động. Các ổ chứa phôi thường được bố trí ổ phía sau đuôi của trục chính của máy sao cho đường tâm của phôi khi ổ ưong ồ chứa phôi trùng vổi đường tâm quay của trục chính. Người ta có thể xếp các phôi thanh vào một dàn nằm ổ phía trên cơ cấu định vị phôi và cung cấp lần lượt từng thanh một vào cơ cấu này khi có tín hiệu thông báo đã hết phôi trên cơ cấu định vị. Trên hệ thống định vị phôi có bố trí một cơ cấu bắt giữ phôi để đẩy phôi di chuyển theo chiều dọc trục của nó một hành trình bằng độ dài của phôi cần cấp mỗi một lần hay kết hợp với cơ cấu cữ chặn phôi được bố trí trên đầu Rơvonve mỗi khi trục chính dừng và cơ cấu gá đặt phôi đã mở ra. Sau khi cấp phôi xong (gọi là cơ cấu phóng phôi) thì bộ phận gá đặt phôi kẹp lại (thường sử dụng các loại mâm cặp khí nén, thuỷ lực hoặc các kiểu ống kẹp đàn hồi tác động bằng cơ khí) thì cơ cấu bắt giữ phôi được mở ra và dịch chuyển trở về vị trí ban đẩu và nằm chờ ở đó để thực hiện một chu trình tiếp theo.

Cần chú ý là khi máy làm việc thì trục chính mang luôn cả phôi quay nên ổ chúa phôi phải có kết cấu thích hợp để thanh phôi có thể quay nhẹ nhàng và không dể xảy ra tình trạng rung, lắc và đặc biệt là không được vung phôi gây nguy hiểm.

Hình 12-3, 12-4, 12-5 mô tả một số kiểu kết cấu của hệ thống cấp phôi thanh trong các máy tiện tự động điều khiển bằng cơ khí

2. Phều chứa phôi rời

Dạng phôi rồi là phổ biến nhất đồng thời được sử dụng rộng rãi nhất ưong các hệ thống sản xuất tự động. Theo quan điểm cấp phôi tự động thì đây cũng chính là vấn đề nghiên cứu chủ yếu vì các loại phôi rời trong gia công cơ khí rất khác nhau về kiểu dáng và kích thước. Vì thế cần phải có sự nghiên cứu và phân tích một cách tỷ mỹ đối với mỗi một loại phôi cụ thể để từ đó lựa chọn kiểu phều cấp phôi cho phù hợp và chỉ khi làm được điều này, phễu cấp phôi được thiết kế mới đạt được mục tiêu theo yêu cầu.
Để có cơ sở phân tích và lựa chọn phương án, trước hết người ta cần phân biệt một số khái niệm cơ bản sau đây:

Đối với mỗi một kiểu phôi theo quan điểm phân tích và đánh giá của người thiết kế hệ thống cấp phôi tự động thì phôi đó phải được xác định chính xác vị trí của nó trong một hệ toạ độ và cần phải được định hướng một cách chính xác, hay nói một cách khác cần phải xác định vị ưí cần định hướng của nó trong không gian. Trên cơ sở hình dáng của phôi là một tập hợp các bề mặt cơ bản hình thành nên, người ta có thể phân loại chúng như sau:
Phôi có các bề mặt dạng tròn xoay trong và ngoài
Phôi có các dạng bề mặt là mặt phẳng
Phôi có hình dạng phức tạp, là tập hợp của các bề mặt tròn xoay trong, ngoài, mặt phẳng và các bề mặt định hình.

Việc phân chia các loại như ưên cũng chỉ là tương đối vì chúng ta biết rằng, các chi tiết cơ khí thường ít khi có kiểu dáng đơn giản mà chủ yếu vẫn là kiểu dáng phức tạp từ việc tổ hợp một số bề mặt theo một quan hệ nào đó. Do việc nghiên cứu quá trình cấp phôi là quan tâm đến việc định hướng chúng như thế nào và bằng cách gì để sau khi các phôi di chuyển đến khu vực của cơ cấu nắm bắt phôi thì vị trí của nó ưong không gian là đà được tự động sắp xếp một cách chính xác, không có sự nhằm lẫn hoặc sai sót nào xây ra (nếu có một số phôi bị định hưổng sai thì sẽ được đũa ra khỏi vị trí đó một cách hoàn toàn tự động). Do vậy người ta phân thành các dạng phôi có bề mặt cần định hưổng khi di chuyển là bề mặt tròn xoay và dạng bề mặt phẳng.
a. Dạng phôi có hề mặt định hướng khi di chuyến lừ tròn xoay:
Trước hết, người ta quan tâm đến các thông số cơ bản về khả năng tự định hưổng tự nhiên của vật thể như về tỷ lệ của các kích thước, sự phân bố khối lượng, số các mặt phẳng và các trục đối xứng của chúng. Theo quan điểm đó, ngũòi ta có thể phân chia thành một sổ dạng cơ bản như sau:
Loại O: Loại phôi có 1 tâm đối xứng như bi cầu. Với loại này, vị trí của nó dà dược định hướng tự nhiên, có nghĩa là khả năng định hướng của nó theo các mặt phẳng hoặc các trục đối xứng là hoàn toàn như nhau. Vì thế ưong hệ thống cấp phôi nói chung và phều cấp phôi nói riêng không cần phải định hưổng cho chúng.
Loại I: Phôi có một trục quay và một mặt phẳng đối xứng vuông góc với trục quay đó. Với loại này, vị trí định hướng tự nhiên là hoàn toàn phụ thuộc vào tỹ lệ giữa các kích thước của chúng.

Trên hình 12 -7 giới thiệu một số phôi loại I với các thông số tỹ lệ của đường kính và chiều dài khác nhau có vị trí định hướng tự nhiên khác nhau. Trong hình a, khi tỷ số 1/d >1 thì vị trí định hướng tự nhiên là theo đường sinh là thuận lợi hơn và tỷ số này càng lớn thì khả năng định hướng tự nhiên của nó gần như hoàn toàn là theo đường sinh. Khi tỹ số 1/d <1 thi khả năng định hướng theo mặt phẳng của mặt đầu thuận lợi hơn và cùng tương tự khi tỹ số này càng nhỏ thì khả năng định hướng tự nhiên chắc chắn là theo mặt phẳng đầu.

Trong trường hợp khi tỷ số 1/d =1 thi khả năng định hưổng tự nhiên là không rõ ràng, có nghĩa là có thể theo đường sinh hoặc có thể theo mặt phẳng dầu.
Trong trường hợp này, cần thiết phải có thêm một cơ cấu định hướng nữa để có thể xác định vị trí dịnh hướng cho nó theo mong muốn.
Loại II: Loại này vật thể chỉ có 1 trục quay, do vậy vị trí định hưóng tự nhiên của nó có rất nhiều dạng khác nhau, với loại này cần phải định hướng theo 2 cấp. Đầu tiên là định hưóng cấp I là theo phương trục quay, tiếp sau là định hướng cấp II là theo phương của véc tơ pháp tuyến với mặt phăng vuông góc vối trục quay dó. (định hưóng theo phương và hưống).
Loại III: Vật thể có 2 mặt phẳng đối xứng mà trong đó một mặt phẳng (gọi là mặt phăng thứ 1) chứa đường tâm trục và một mặt phẳng vuông góc với đường tâm trục đó (mặt phăng thứ 2). với loại này cũng yêu cầu định hướng theo 2 cấp, trước hết là định hướng cấp I theo phương của trục, tiếp theo là định hướng cấp III là định hướng về góc xoay ở trong mặt phẳng thứ 2.

Loại IV: Vật thể có một mặt phẳng đối xứng và chứa đường tâm trục. Với loại này thì việc định hưổng phức tạp hơn, trước hết là định hưóng cấp I (theo phương trục), tiếp sau là định hướng cấp II tức là theo véc tơ pháp tuyến với mặt phăng vuông góc với trục và cuối cùng là định hưổng cấp III là về góc xoay của phôi trong mặt phăng vuông góc vổi trục.
Như vậy tuỳ thuộc từng kiểu dáng phôi mà việc định hưống có thể được tiến hành hoặc đơn giản hoặc phức tạp như dà phân tích. Đây chính là nội dung cơ bản nhất trong quá trình tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi tự động mà việc lựa chọn các cơ cấu, các chi tiết định hưổng cần phải được phân tích một cách kỹ lưỡng cũng như cần xác định các thông số kích thước quan trọng như về góc nghiêng, chiều rộng máng dẫn, hình thức và tổ chức di chuyển phôi, lựa chọn vật liệu theo hệ số ma sát, về kết cấu và hình dáng của các bộ phận trong hệ thống để tránh tình trạng mất định hưóng và bị kẹt phôi trong quá trình di chuyển.
Các loại chi tiết dạng tròn xoay được giới thiệu trong bảng 121.

b. Dạng  phôi có bề mặt định hưóng khi di chuyển là mặt phẳng

Các phôi dạng này thường được cung cấp cho các loại máy công tác như máy khoan, khoét, doa hoặc máy phay…. Chúng bao gồm rất nhiều kiểu khác nhau như dạng hình khối hộp, dạng định hình như chữ L, chữ V, chữ U, T, H…Với loại này, người ta cũng căn cứ vào khả năng định hướng tự nhiên của nó trong không gian, tức là dựa vào kích thước của các bề mặt và sự phân bố khối lượng trên từng phần của vật thể để tìm ra phương pháp định hướng thuận lợi nhất cho nó nhằm làm cho cơ cấu hoặc chi tiết định hướng đơn giản hơn và giảm được kích thước khuôn khổ của chúng.

c. Dạng các phôi có hình dáng bề mặt phức tạp
Dạng phôi này thường được cung cấp cho các hệ thống sản xuất và lắp ráp các loại sản phẩm trong các ngành công nghiệp sản xuất giày dép, may mặc … như các loại khóa kéo trong dây chuyền sản xuất dây khoá kéo. Đây là kiểu phôi mà gây khó khăn nhất cho việc lựa chọn phương pháp định hướng trong các hệ thống cấp phôi tự động. Hầu hết chúng đều trải qua việc định hưóng theo cả 3 cấp là phương, chiều, góc xoay (là định hưóng theo mặt trên hoặc mặt dưới). Đối với các loại này thì người ta cũng căn cứ vào khả năng định hưóng tự nhiên của nó hoặc xét đến bề mặt mà có khả năng giữ ổn định vật thể nhất khi di chuyển như các bề mặt có kích thước lón, sự phân bố khối tâm của chúng nằm ỏ vị trí thấp v.v… Nói chung với loại này cần thiết phải có sự nghiên cứu tỷ mỹ và cụ thể đối với từng kiểu phôi một mới có thể thiết kế được cơ cấu định hướng cho nó một cách tin cậy.