Xây Dựng Mô Hình Hệ Thống Tự Động Xác Định Hình Dạng Kích Thước Khúc Gỗ Trong Dây Chuyền Xẻ Gỗ Tự Động

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết

quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình

nào khác.

Nếu nội dung nghiên cứu của tôi trùng lặp với bất kỳ công trình nghiên cứu

nào đã công bố, tôi xin hoàn toàn chụi trách nhiệm và tuân thủ kết luận đánh giá

luận văn của Hội đồng khoa học

Biên Hòa, ngày 15 tháng 5 năm 2017

Người cam đoan

Nguyễn Quang Vinh

ii

LỜI CẢM ƠN

Nhân dịp hoàn thành luận văn này cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn

chân thành và sâu sắc tới Thầy giáo hướng dẫn khoa học PGS.TS. Dương Văn Tài,

đã dành rất nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Trân trọng cảm ơn lãnh đạo nhà trường, phòng sau Đại học, khoa Cơ điện và

Công trình trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi

hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu của mình.

Trân trọng cảm ơn Ban giám đốc, phòng Khoa học công nghệ và hợp tác

quốc tế Phân hiệu Trường Đại học Lâm nghiệp Miền Nam đã giúp đỡ, tạo điều kiện

thuận lợi cho tôi hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu của mình

Trân trọng cảm ơn lãnh đạo Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Đồng Nai đã tạo

mọi điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành khóa học và luận văn tốt nghiệp này.

Trân trọng cảm ơn các Nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp đã đóng góp

nhiều ý kiến quý báu trong suốt quá trình làm và hoàn chỉnh luận văn.

Biên Hòa, ngày 15 tháng 5 năm 2017

Tác giả luận văn

Nguyễn Quang Vinh

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... i

LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii

MỤC LỤC................................................................................................................ iii

DANH MỤC BẢNG................................................................................................ vi

DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. vii

MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1

1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu................................................................... 1

2. Mục tiêu nghiên cứu............................................................................................. 3

3. Phạm vi nghiên cứu.............................................................................................. 3

3.1 .Thiết bị nghiên cứu ........................................................................................... 3

3.2 . Đối tượng nghiên cứu....................................................................................... 3

4. Nội dung nghiên cứu............................................................................................ 3

4.1.Nghiên cứu lý thuyết:......................................................................................... 3

4.2.Nghiên cứu thực nghiệm:................................................................................... 3

Chương 1.................................................................................................................. 4

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.......................................................... 4

1.1. Khái quát về tình hình chế biến gỗ ở Việt Nam................................................ 4

1.2. Khái quát về dây chuyền xẻ gỗ tự động........................................................... 6

1.3. Tổng quan về các công trình nghiên cứu về dây chuyền xẻ gỗ tự động........... 11

1.3.1. Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài ....................................................... 11

1.3.2. Các công trình nghiên cứu ở trong nước về dây chuyền xẻ gỗ tự động ........ 13

1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến hệ thống tự động xác định

hình dạng và kích thước khúc gỗ ............................................................................. 15

Chương 2.................................................................................................................. 17

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 17

2.1. Đối tượng của quá trình đo ............................................................................... 17

2.1.1. Nguyên liệu gỗ nhập khẩu.............................................................................. 17

iv

2.1.2. Nguyên liệu gỗ từ rừng trồng......................................................................... 18

2.2. Thiết bị nghiên cứu ........................................................................................... 19

2.3. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................. 19

2.4.1. Phương pháp thu thập vàxử lý thông tin........................................................ 19

2.4.2. Phương pháp tham khảo ý kiến các chuyên gia............................................. 19

2.4.3. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết ................................................................ 20

2.4.4. Phương pháp đồng dạng và mô phỏng........................................................... 20

Chương 3.................................................................................................................. 21

XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TỰ ĐỘNG TÍNH TOÁN XÁC ĐỊNH HÌNH

DẠNG VÀ KÍCH THƯỚC KHÚC GỖ TRONG.................................................... 21

DÂY CHUYỀN XẺ GỖ TỰ ĐỘNG ....................................................................... 21

3.1. Phân tích lựa chọn phương án quét hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc

gỗ.............................................................................................................................. 21

3.1.1. Phương án đo tiếp xúc.................................................................................... 21

3.1.2. Phương án không tiếp xúc.............................................................................. 23

3.1.3. Ứng dụng đo không tiếp xúc trong việc xác định kích thước vật thể ............ 25

3.1.4. Lựa chọn hệ thống quét hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc gỗ......... 33

3.2. Đề xuất phương án thiết kế hệ thống quét hình dạng, kích thước mặt cắt ngang

khúc gỗ sử dụng tia Laser ........................................................................................ 34

3.2.1. Cơ sở xác định đường kính khúc gỗ .............................................................. 34

3.2.2. Đề xuất phương án xác định đường kính khúc gỗ ......................................... 35

3.3. Xây dựng chương trình cho PLC để đo kích thước .......................................... 44

3.3.1. Kết nối phần cứng PLC.................................................................................. 44

3.3.2. Xây dựng lưu đồ thuật toán............................................................................ 48

3.4. Xây dựng cấu trúc truyền thông dữ liệu giữa máy tính và PLC ....................... 54

3.4.1. Khởi động chương trình truyền thông............................................................ 55

3.4.2. Thiết lập truyền thông .................................................................................... 55

3.4.3. Thiết lập cấu trúc vùng nhớ ........................................................................... 58

3.5. Xây dựng giao diện giám sát và hiển thị dữ liệu............................................... 59

v

3.5.1. Thiết lập Module trong nghiên cứu................................................................ 59

3.5.2. Xây dựng giao diện hiển thị cho Module - MAIN......................................... 61

3.5.4. Thiết kế, xây dựng giao diện cho Module - BÁO CÁO ................................ 65

Chương 4.................................................................................................................. 66

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM............................................................................ 66

4.1. Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm............................................................. 66

4.2. Nội dung của nghiên cứu thực nghiệm ............................................................. 66

4.3. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................... 66

4.3.1. Thiết bị thí nghiệm......................................................................................... 66

4.3.2. Tổ chức thí nghiệm ........................................................................................ 67

4.3.3. Kết quả thí nghiệm......................................................................................... 67

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................. 70

1. Kết luận ............................................................................................................... 70

2 . Kiến nghị............................................................................................................. 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 1

vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Bảng tóm tắt thông số của RS485 .......................................................... 44

Bảng 3.2: Các Module được thiết lập cho nghiên cứu............................................. 59

Bảng 4.1 : Kết quả xác định đường kính xẻ............................................................. 69

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1. Mô hình dây chuyền thiết bị xẻ gỗ tự động ............................................. 7

Hình 1.2. Mô hình dây chuyền xẻ gỗ tự động đề tài đề xuất thiết kế chế tạo.......... 7

Hình 1.3. Hệ thống rọc rìa trong dây chuyền xẻ gỗ tự động.................................... 10

Hình 1.4: Dây chuyền xẻ gỗ tự động do Italia chế tạo............................................. 12

Hình 2.1: Gỗ tròn nhập khẩu từ nước ngoài ............................................................ 17

Hình 2.2: Nguyên liệu gỗ tròn đưa vào xẻ từ gỗ rừng trồng.................................... 18

Hình 3.1: Kết cấu thước cặp dùng để đo bề mặt ngoài, bề mặt trong và chiều sâu. 21

Hình 3.2: Kết cấu đầu dò đo đường kinh và xác định mặt cắt ngang vật thể

[12]

..... 22

Hình 3.3: Hệ thống Laser kiểm tra độ kín trong đóng gói sản phẩm....................... 24

Hình 3.4: Hệ thống sensor E3Z-B của hãng Omron................................................ 24

Hình 3.5: Cảm biến E3S-CL, phát hiện miếng bánh trên dây chuyền..................... 25

Hình 3.6: Sóng được phát và phản xạ lại từ vật....................................................... 28

Hình 3.7:TOF tính theo biên độ lớn nhất của tín hiệu phản xạ để tăng độ chính xác 29

Hình 3.8: Nguyên lý đo chiều dày vật thể sử dụng tia laser .................................... 31

Hình 3.9:Bộ thu phát Laser IL-600 hãng Keyence .................................................. 32

Hình 3.10:Bộ thu phát Laser Seri IG hãng Keyence................................................ 32

Hình 3.11: Dải đo của Laser Seri IG[22]

................................................................... 33

Hình 3.12: Nguyên lý đo đường kính vật thể tròn bằng sử dụng Laser................... 35

Hình 3.13: Nguyên lý đo đường kính vật thể tròn bằng Laser với việc lấy mẫu tín

hiệu tốc độ chuyển động của vật.............................................................................. 36

Hình 3.14: Cấu tạo hệ thống quét hình dạng, kích thước mặt cắt ngang khúc gỗ ... 36

Hình 3.15: Mặt cắt theo hình chiếu đứng................................................................. 37

Hình 3.16: Mặt cắt theo hình chiếu cạnh ................................................................. 37

Hình 3.17: Mặt cắt ngang khúc gỗ........................................................................... 38

Hình 3.18:Hệ thống thu thập, xử lý và hiển thị dữ liệu ........................................... 38

Hình 3.19: Bộ thu phát Laser LV-S71 ..................................................................... 39

Hình 3.20: Cấu tạo giá lắp và phụ kiện.................................................................... 40

Hình 3.21: PLC FX3G 24MR/ES-A........................................................................ 40

viii

Hình 3.22: Màn hình hiển thị HMI-MT8102iE ....................................................... 42

Hình 3.23:Mức điện áp của RS-422......................................................................... 43

Hình 3.24: IC giao tiếp của chuẩn RS-422 .............................................................. 43

Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán chương trình chính.................................................... 49

Hình 3.26: Lưu đồ thuật toán kiểm tra điều kiện đầu vào ....................................... 50

Hình 3.27: Lưu đồ thuật toán tính bán kính khúc gỗ ............................................... 51

Hình 3.28: Kết nối truyền thông giữa PC và PLC ................................................... 54

Hình 3.29: Kết nối truyền thông giữa PC và PLC trong phòng thí nghiệm ............ 54

Hình 3.30: Giao diện thiết lập truyền thông............................................................. 55

Hình 3.31: Thiết lập Port truyền thông .................................................................... 55

Hình 3.32: Thiết lập thiết bị truyền thông................................................................ 56

Hình 3.33: Thiết lập giao thức truyền thông............................................................ 57

Hình 3.34: Kết quả sau khi thiết lập cấu trúc vùng nhớ........................................... 58

Hình 3.35: Kết quả thiết lập các Module ................................................................. 60

Hình 3.36: Giao diện lập bản đồ xẻ tối ưu ............................................................... 60

Hình 3.37: Giao diện lập bản đồ xẻ tối ưu ............................................................... 61

Hình 3.38: Panel hiển thị của Modul-MAIN ........................................................... 62

Hình 3.39: Thuật toán vẽ 3D mô phỏng biên dạng khúc gỗ .................................... 63

Hình 3.40: Thiết kế hiển thị cho điểm đo thứ nhất .................................................. 64

Hình 3.41: Kết quả hiển thị cho các điểm đo........................................................... 64

Hình 3.42: Bảng cơ sở dữ liệu về kích thước khúc gỗ được xây dựng.................... 65

Hình 4.1: Thiết bị thí nghiệm................................................................................... 66

Hình 4.2: Quá trình thí nghiệm ................................................................................ 67

Hình 4.3: Quá trình đo bằng hệ thống laser và kiểm tra bằng thước kẹp ................ 68

Hình 4.4: Kết quả đo được hiển thị trên màn hình................................................... 69

1

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu.

Việt Nam là nước có nền công nghiệp chế biến gỗ đang phát triển, năm 2016

tổng kim ngạch xuất khẩu gỗ và sản phẩm gỗ của Việt Nam đạt gần 7 tỷ USD, tăng

1,1% so với năm 2015, đứng thứ 7 trong nhóm các mặt hàng, ngành hàng xuất khẩu

hàng đầu của Việt Nam.Trong đó, kim ngạch xuất khẩu sản phẩm từ gỗ đạt 5,12 tỷ

USD, tăng 7,1% so với năm 2015, chiếm 73,6% tổng kim ngạch xuất khẩu gỗ và

sản phẩm gỗ của toàn ngành trong năm 2016.

- Xuất khẩu của khối doanh nghiệp FDI

Năm 2016, kim ngạch xuất khẩu G&SPG của các doanh nghiệp FDI đạt 3,3 tỷ USD,

xấp xỉ năm ngoái, chiếm 47,36% tổng kim ngạch xuất khẩu G&SPG của cả nước

(tỷ lệ này của năm 2015 là 47,84%).Trong đó, xuất khẩu sản phẩm gỗ đạt gần 3 tỷ

USD, xấp xỉ năm 2015, chiếm 58,44% tổng kim ngạch xuất khẩu sản phẩm gỗ của

cả nước.

- Thị trường xuất khẩu

Năm 2016, Hoa Kỳ tiếp tục là thị trường xuất khẩu G&SPG lớn nhất của Việt Nam,

đạt trên 2,8 tỷ USD, tăng 6,93% so với năm 2015, chiếm tới 41% tổng kim ngạch

xuất khẩu G&SPG của cả nước. Tiếp đến là thị trường Trung Quốc, đạt trên 1 tỷ

USD, tăng 3,82% so với năm 2015, chiếm 15% tổng kim ngạch xuất khẩu.

Bên cạnh đó, xuất khẩu G&SPG sang thị trường Hàn Quốc, Anh và Australia tăng

trưởng khá, với mức tăng lần lượt 16,06%; 6,97% và 7,6% so với năm 2015.

Từ đó đã tạo ra hàng triệu việc làm cho xã hội, góp phần giải quyết lao động trong

nông nghiệp và nông thôn.

Hiện nay việc áp dụng cơ giới hóa trong chế biến lâm sản nói chung và trong

sản xuất đồ mộc là rất cao, tỷ lệ áp dụng cơ giới hóa vào trong sản xuất đồ mộc ở

một số cơ sở sản xuất đạt 90-95%, hầu hết các khâu sản xuất quan trọng, mặng nhọc

điều đã áp dụng cơ giới hóa như khâu xẻ ván, xẻ thanh, khâu bào, đục mộng, đánh

nhẵm, sơn phủ...

2

Tuy nhiên việc áp dụng các thiết bị cơ giới hóa trong chế biến gỗ ở Việt Nam

còn nhiều hạn chế, thiết bị có năng suất và chất lượng thấp tiêu tốn nhiều điện năng,

tốn nhiều công lao động, nhiều thiết bị máy móc chưa phù hợp với đối tường

Năn 2016 Bộ khoa học và Công nghệ đã giao cho trường Đại học Lâm

nghiệp chủ trì đề tài cấp quốc gia về "Nghiên cứu thiết kế chế tạo dây chuyền thiết

bị xẻ gỗ tự động" nhằm nâng cao năng suất và chất lượng ván xẻ, nâng cao tỷ lệ

thành khí và giảm chi phí lao động.

Trong dây chuyền xẻ gỗ tự động khâu đầu tiên rất quan trọng đó là phải xác

định được hình dạng khích thước khúc gỗ trước khi đưa vào xẻ, các cây gỗ khác

nhau có kích thước và hình dạng khác nhau do vậy mỗi cây gỗ trước khi đưa vào xẻ

cần phải xác định hình dạng, độ thót ngọn, độ cong và đường kính thân cây.

Trong công nghệ xẻ gỗ tự động thì trước khi tiến hành xẻ gỗ thì cần thiết

phải lập bản đồ xẻ tối ưu, muốn lập bản đồ xẻ tối ưu được thì cần thiết phải xác định

hình dạng và kích thước khúc gỗ đưa vào xẻ. Hiện nay ở Việt Nam việc xác định

hình dạng và kích thước khác gỗ chủ yếu bằng thước mét, đo bằng thủ công từng

cây một, nên không đáp ứng được yêu cầu xẻ gỗ tự động, mặt khác các cây gỗ khác

nhau có kích thước và hình dạng khác nhau do vậy mỗi cây gỗ trước khi đưa vào xẻ

cần phải xác định hình dạng, độ thót ngọn, độ cong và đường kính thân cây. Do vậy

việc xác định hình dạng kích thước khúc gỗ phải được thực hiện bằng tự động hóa,

số liệu sau khi xác định được là đầu vào cho phần mềm tự động tính toán lập bản đồ

xẻ tối ưu.

Việc nghiên cứu hệ thống tự động đo, tính toán xác định hình dạng, kích

thước khác gỗ là rất cần thiết nhằm nâng cao tỷ lệ thành khí trong công nghệ xẻ gỗ,

hiện nay chưa có công trình nghiên cứu vấn đề này được công bố ở Việt Nam.

Xuất phát từ lý do nêu trên tác giả đã chọn và thực hiện đề tài: “Xây dựng

mô hình hệ thống tự động xác định hình dạng, kích thước khúc gỗ trong dây

chuyền xẻ gỗ tự động”