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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN CHIẾN TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HỌAT FMS GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN CHIẾN

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HỌAT FMS GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI PET

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

S KC 0 0 4 0 4 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN CHIẾN

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HỌAT FMS

GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI PET

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH



LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN VĂN CHIẾN

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HỌAT FMS

GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI PET

NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204

Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS.ĐẶNG THIỆN NGÔN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 309/39 - Võ Văn Ngân - Linh Chiểu - Quận Thủ Đức - TPHCM

Fax:

E-mail: vanchien0209@gmail.com

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp :

Nơi học (trường, thành phố): TRUNG TÂM VIỆT ĐỨC (ĐHSP KỸ THUẬT) Ngành học: KHAI THÁC & SỬA CHỮA CÁC THIẾT BỊ CƠ KHÍ

2 Đại học:

Nơi học (trường, thành phố): ĐHSP KỸ THUẬT TPHCM

Ngành học: CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 04 năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Chiến

CẢM TẠ

Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp một cách hoàn chỉnh, bên cạnh sự nỗ lực, cố gắng của bản thân còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của gia đình và đồng nghiệp trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.Hồ Chí Minh đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS Đặng Thiện Ngôn và

PGS-TS Nguyễn Ngọc Phương, dù rất bận rộn với công việc giảng dạy nhưng Thầy

vẫn luôn dành thời gian quan tâm, hướng dẫn, chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

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 luận văn tốt nghiệp “ Tính toán thiết kế hệ thống sản xuất linh hoạt FMS gia công khuôn mẫu chai PET” tác giả sẽ trình bày:

- Phương án, các giải pháp công nghệ để gia công khuôn mẫu chai Revive và tính toán chế độ cắt gọt cho từng nguyên công

- Tính toán số lượng, cách lựa chọn các thành phần thiết bị trong hệ thống sản xuất linh hoạt, và bố trí mặt bằng xưởng sản xuất

- Xây dựng lưu đồ điều khiển hệ thống FMS, kiểm định giá trị kích thước đã thiết kế được mô phỏng bằng phần mềm Flexsim

ABSTRACT

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

Master thesis” Calculation and Design Flexible Manufacturing System-FMS for mold machining of PET bottle”, I will present:

- Project and solution of technology to machine a molding of Revive-Bottle and calculate characteristic of machine for every step of manufacturing process

- Calculate the quantity and the way of chose equipment in Flexible Manufacturing System and the way of set up layout for factory

- Set up control flowchart to control FMS, testing and judgment value of design dimension which is designed and simulated by Flexsim program

MỤC LỤC

TRANG TỰA Trang QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH xv

DANH SÁCH CÁC BẢNG xviii

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiển của đề tài 2

1.4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 3

1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 3

1.6 Phương pháp nghiên cứu 3

1.7 Kết cấu của luận văn tốt nghiệp 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 5

2.1 Định nghĩa chai nhựa PET 5

2.2 Đặt điểm, hình dạng, kết cấu chai PET 5

2.3 Thị trường chai nhựa PET tại Việt Nam 5

2.3.1 Chai PET của công ty URC Việt Nam 6

2.3.2 Chai PET của công ty Tân Hiệp Phát 6

2.3.3 Chai PET của công ty Pepsico Việt Nam 6

2.3.4 Chai PET của công ty CocacolaViệt Nam 6

2.3.5 Chai PET của công ty PepsicoViệt Nam 7

2.3.6 So sánh các loại chai PET 7

2.4 Công nghệ chế tạo chai PET 7

2.4.1 Phương pháp thổi (blowing molding) 8

2.4.1.1 Phương pháp đùn – thổi (extrusion blow molding) 8

2.4.1.2 Phương pháp thổi (injection blow molding) 9

2.4.2 Phương pháp quay (rotation molding) 10

2.4.3 Khảo sát bộ khuôn mẫu chai PET 11

2.4.4 Các yêu cầu kỹ thuật đối với một bộ khuôn 12

2.5 Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS 13

2.5.1 Lịch sử phát triển 13

2.5.2 Định nghĩa hệ thống sản xuất linh hoạt 13

2.5.3 Đặc điểm và ứng dụng của công nghệ FMS 13

2.5.4 Những khái niệm cơ bản 14

2.5.4.1 Tự động hóa sản xuất 14

2.5.4.2 Máy tự động công nghệ 14

2.5.4.3 Tính linh hoạt của hệ thống sản xuất 14

2.5.4.4 Tự động hóa sản xuất linh hoạt 15

2.5.4.5 Hệ thống sản xuất linh hoạt 16

2.5.4.6 Môđun sản xuất linh hoạt 16

2.5.4.7 Rôbốt công nghiệp 16

2.5.4.8 Tổ hợp rôbốt công nghệ 17

2.5.4.9 Dây chuyền tự động linh hoạt 17

2.5.4.10 Công đoạn tự động hóa linh hoạt 18

2.5.4.11 Phân xưởng tự động hóa linh hoạt 18

2.5.4.12 Nhà máy tự động hóa linh hoạt 18

2.5.4.13 Cấu trúc của FMS 18

2.5.4.14 Sự tích hợp của FMS với các hệ thống tự động hóa 19

2.5.4.15 Nguyên tắc thiết lập FMS 19

2.6 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 19

2.6.1 Trong nước 19

2.6.2 Ngoài nước 23

2.6.3 Nhận xét 25

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 26

3.1 Khuôn mẫu chai PET 26

3.1.1 Các thông số kỹ thuật của chai trà xanh Revive 26

3.1.2 Chọn sơ bộ kết cấu khuôn 26

3.1.3 Tiêu chí để chọn kết cấu khuôn 27

3.2 Tính toán chế độ công nghệ gia công khuôn mẫu chai PET 27

3.2.1 Xác định dạng sản xuất 28

3.2.2 Xác định vận tốc cắt : 28

3.2.3 Tính tốc độ vòng quay trục chính 28

3.2.4 Lượng chạy dao vòng 28

3.2.5 Lượng chạy dao phút 29

3.2.6 Tốc độ tiến dao 29

3.2.7 Lực cắt 29

3.2.8 Công suất 29

3.2.9 Thời gian nguyên công 29

3.3 Hệ thống sản xuất linh hoạt 30

3.3.1 Định nghĩa 30

3.3.2 Phân loại 30

3.3.3 Tiêu chí chọn hệ thống sản xuất linh hoạt 32

3.4 Trạm gia công trong FMS 32

3.4.1 Các dạng máy gia công trong FMS 32

3.4.2 Tiêu chí chọn máy gia công đối với FMS 33

3.4.3 Tính toán số lượng máy gia công trong FMS 33

3.5 Trạm vận chuyển chi tiết trong hệ thống FMS 36

3.5.1 Hệ thống băng tải 36

3.5.1.1 Giới thiệu chung về băng tải 36

3.5.1.2 Phân loại các loại băng tải 37

3.5.1.3 Tiêu chí chọn băng tải: 38

3.5.1.4 Tính toán kích thước băng tải 39

3.5.2 Xe tự hành 40

3.5.2.1 Phân loại: 40

3.5.2.2 Tiêu chí chọn xe tự hành 41

3.5.2.3 Cách tính số lượng xe tự hành 41

3.5.3 Giá đỡ chi tiết 42

3.5.3.1 Phân loại 42

3.5.3.2 Tiêu chí chọn 43

3.5.3.3 Cách tính toán số chi tiết chứa trong giá đỡ 43

3.5.4 Cấp phôi (chi tiết) và tháo phôi (chi tiết) 44

3.5.4.1 Phân loại 44

3.5.4.2 Tiêu chí chọn thiết bị cấp phôi và tháo phôi 44

3.5.4.3 Tính toán số vị trí cấp phôi và tháo phôi 45

3.6 Trạm kiểm tra trong FMS 45

3.6.1 Các dạng máy đo tọa độ CMM 45

3.6.2 Tiêu chí lựa chọn 46

3.6.3 Cách tính toán số vị trí để kiểm tra 47

3.7 Kho chứa tự động trong hệ thống FMS 47

3.7.1 Các dạng kho chứa tự động 48

3.7.2 Tiêu chí lựa chọn 49

3.7.3 Cách tính toán kích thước kho chứa 49

3.8 Hệ thống robot công nghiệp 52

3.8.1 Các dạng di động của thân rôbốt 53

3.8.2 Trọng tải của rôbốt 54

3.8.3 Tiêu chí lựa chọn robot công nghiệp 54

3.8.4 Bậc tự do và không gian làm việc của robot 54

3.9 Tổ chức điều khiển FMS 56

3.9.1 Phần cứng trong hệ thống FMS 57

3.9.2 Phần mềm trong hệ thống FMS 57

3.10 Bố trí mặt bằng cho hệ thống sản xuất linh hoạt 58

3.10.1 Các dạng mặt bằng sản xuất 58

3.10.2 Tiêu chí chọn mặt bằng sản xuất 60

3.10.3 Bố trí mặt bằng cho hệ thống sản xuất 61

CHƯƠNG 4 CÔNG NGHỆ GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI PET 64

4.1 Phân tích bộ khuôn mẫu chai Revive 64

4.1.1 Bản vẽ chi tiết chai Revive 64

4.1.2 Bộ khuôn chai nhựa Revive 65

4.2 Phân tích bản vẽ chi tiết gia công 66

4.2.1 Bản vẽ chi tiết lòng khuôn phải và trái 67

4.2.2 Bản vẽ chi tiết lòng khuôn đáy 68

4.3 Phân tích gia công chi tiết và xác định dạng sản xuất 68

4.3.1 Công dụng của chi tiết 68

4.3.2 Xác định dạng sản xuất 70

4.4 Phương án gia công tấm lòng khuôn chai Revive 70

4.4.1 Phương án gia công lòng khuôn phải 70

4.4.1.1 Thiết kế nguyên công 70

4.4.1.2 Trình tự các bước trình tự gia công 71

4.4.2 Phương án gia công tấm đáy 77

4.4.2.1 Xác định lượng dư phôi 77

4.4.2.2 Thiết kế nguyên công 78

4.4.2.3 Trình tự các bước gia công 78

4.5 Giải pháp gia công linh hoạt cho khuôn mẫu chai Revive 82

4.5.1 Giải pháp 1 82

4.5.2 Giải pháp 2 83

4.5.3 Giải pháp 3 83

4.5.4 Lựa chọn giải pháp 84

4.6 Tính toán chế độ công nghệ gia công lòng khuôn Revive (tấm phải) 84

4.6.1 Nguyên công 1: Phay mặt phẳng 85

4.6.2 Nguyên công 2: Phay rãnh 85

4.6.3 Nguyên công 3: Phay lòng khuôn 85

4.6.4 Nguyên công 4: Khoan, khoét, khoét 86

4.6.5 Nguyên công 5: khoan, khoét lỗ số 17, 18, đạt kích thước

Ø10 +0.01 sâu 25 mm 87

4.6.6 Nguyên công 6: Tarô 87

4.6.7 Nguyên công 7: Nguội 87

4.7 Tính toán chế độ công nghệ gia công lòng khuôn Revive (tấm trái) 88

4.8 Tính toán chế độ công nghệ gia công lòng khuôn Revive (tấm đáy) 88

4.8.1 Nguyên công 1: Phay mặt phẳng 88

4.8.2 Nguyên công 2: Phay lòng khuôn 88

4.8.3 Nguyên công 3: Khoan, khoét, doa lỗ số 8, 9, đạt kích thước Ø 10 +0.01 sâu 39 mm ………89

4.8.4 Nguyên công 5: Nguội 89

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG LINH HOẠT GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI REVIVE 90

5.1 Yêu cầu đặt ra: 90

5.2 Phác thảo sơ bộ bố trí mặt bằng hệ thống sản xuất FMS: 90

5.3 Tính toán và lựa chọn các thành phần cho hệ thống sản xuất linh hoạt FMS để gia công chai Revive 91

5.3.1 Trạm gia công trong hệ thống FMS 91

5.3.1.1 Tính toán số lượng máy gia công 92

5.3.1.2 Lựa chọn máy gia công: 93

5.3.1.3 Bố trí mặt bằng máy gia công 95

5.3.2 Trạm kiểm tra chi tiết 95

5.3.2.1 Tính toán số lượng máy CMM 95

5.3.2.2 Lựa chọn máy CMM 96

5.3.2.3 Bố trí mặt bằng máy CMM 97

5.3.3 Trạm vận chuyển chi tiết trong hệ thống FMS 97

5.3.3.1 Robot cấp phôi (chi tiết) và tháo phôi (chi tiết) 98

5.3.3.2 Hệ thống băng tải 100

5.3.3.3 Kho chứa phôi 102

5.3.3.4 Kho chứa thành phẩm 104

5.3.3.5 Kho chứa phế phẩm 106

5.3.4 Xe tự hành AGV 107

5.3.4.1 Tính toán thông số xe AGV 107

5.3.4.2 Lựa chọn dạng xe tự hành 108

5.3.4.3 Bố trí xe tự hành 109

5.4 Hoàn chỉnh thiết kế mặt bằng xưởng sản xuất 109

5.4.1 Bảng tổng hợp thông số bố trí các thành phần thiết bị trong FMS 109

5.4.2 Sơ đồ thiết kế mặt bằng xưởng sản xuất hoàn chỉnh 110

CHƯƠNG 6 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG SẢN XUẤT LINH HOẠT GIA CÔNG KHUÔN MẪU CHAI REVIVE 112

6.1 Yêu cầu đặt ra 112

6.1.1 Yêu cầu về các thành phần thiết bị 112

6.1.2 Yêu cầu về hoạt động 112

6.2 Sơ đồ bố trí thành phần thiết bị trong hệ thống FMS 112

6.3 Phân tích đường đi linh hoạt của sản phẩm 113

6.4 Cập nhật các thông số kỹ thuật và kết nối các thành phần thiết bị trong hệ thống FMS 115

6.4.1 Cập nhật các thông số kỹ thuật của thiết bị 115

6.4.2 Kết nối các thành phần thiết bị trong hệ thống FMS 116

6.5 Mô phỏng hệ thống sản xuất linh hoạt khuôn mẫu chai Revive 116

6.5.1 Xây dựng lưu đồ điều khiển các quá trình gia công trong

hệ thống FMS 116

6.5.1.1 Xây dựng lưu đồ điều khiển quá trình gia công Phôi I (Khuôn trái) 117

6.5.1.2 Xây dựng lưu đồ điều khiển quá trình gia công Phôi II (Khuôn đáy) 119

6.5.1.3 Xây dựng lưu đồ điều khiển quá trình gia công Phôi III (Khuôn phải) 121

6.5.1.4 Xây dựng lưu đồ điều khiển quá trình gia công Phôi I, II và III 123

6.5.2 Viết chương trình mô phỏng điều khiển quá trình sản xuất linh hoạt 127

6.5.3 Mô phỏng quá trình gia công linh hoạt 127

6.5.4 Kiểm định các giá trị đã lựa chọn và thiết kế 127

6.6 Sơ đồ bố trí hoàn chỉnh các thành phần thiết bị trong hệ thống FMS 130

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.2: Quy trình công nghệ ép thổi 8

Hình 2.3: Quá trình ép thổi phương pháp thổi đùn 9

Hình 2.4: Quá trình ép thổi phương pháp quay 11

Hình 2.5: Kết cấu bộ khuôn thổi chai PET 12

Hình 2.6: Vị trí tương đối của FMS trong các hệ thống sản xuất 14

Hình 2.7: Mô đun sản xuất linh hoạt 16

Hình 2.8: Tổ hợp robot công nghệ 17

Hình 2.9: Dây chuyền sản xuất tự động linh hoạt 18

Hình 2.10: Sơ đồ phân bố trên hệ thống FMS 19

Hình 2.11: Bộ khuôn thổi chai nhớt 21

Hình 2.12: Bộ khuôn thổi chai nước 22

Hình 2.13: Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS để gia công 1 số chi tiết điển hình 23

Hình 2.14: Đường đi của sản phẩm qua các trạm gia công và trạm xử lý 24

Hình 3.1: bản vẽ chai Revive 26

Hình 3.2: Kết cấu khuôn chai PET 27

Hình 3.3: Tế bào sản xuất với một máy trung tâm gia công CNC 31

Hình 3.4: Cụm sản xuất linh hoạt với ba máy CNC 31

Hình 3.5: Các thành phần thiết bị của hệ thống sản xuất linh hoạt 32

Hình 3.6: Băng tải xích 37

Hình 3.7: Băng tải đai 37

Hình 3.8: Băng tải con lăn 38

Hình 3.9: Xe tự hành AGV 40

Hình 3.10: Giá đỡ một hàng 42

Hình 3.11: Giá đỡ hai hàng 43

Hình 3.12: Giá đỡ chi tiết trong hệ thống FMS 44

Hình 3.13: Robot cấp và tháo phôi 44

Hình 3.14: Bàn quay cấp và tháo phôi 44

Hình 3.15: Máy đo tọa độ CMM dạng đứng 46