Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƯU KẾT CẤU ĐIỀU HƯỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƯU KẾT CẤU ĐIỀU HƯỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG Ngành : Kỹ thuật cơ khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. LÊ GIANG NAM 2. TS. BÙI QUÍ LỰC Hà Nội – 2019 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh sự cố gắng của bản thân, Tôi đã nhận đƣợc sự động viên và giúp đỡ của rất nhiều Thầy Cô giáo, các nhà Khoa học, các đồng nghiệp và bạn bè. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Lê Giang Nam và TS. Bùi Quí Lực, Bộ môn Máy và Ma sát, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, là những ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng, đào tạo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô giáo ở Bộ môn Máy và Ma sát học Trƣờng ĐHBKHN đã giảng dạy, chỉ bảo và tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong thời gian làm nghiên cứu và hoàn thành luận án. Xin cảm ơn các đồng nghiệp trong Khoa Cơ khí, lãnh đạo trƣờng Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ về thời gian và ủng hộ để tôi hoàn thành luận án này. Xin cảm ơn các nhà Khoa học, các bạn tại Viện Ứng dụng Công nghệ, Bộ Khoa học Công nghệ, Viện Nghiên cứu Cơ Khí, Bộ Công thƣơng… đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ sự kính trọng, biết ơn và lòng yêu thƣơng tới đại gia đình, bạn bè đã thực sự động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian tôi học tập tại Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Mùi i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Công trình đƣợc thực hiện tại Bộ môn Máy và Ma sát học - Viện Cơ khí, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội dƣới sự hƣớng dẫn của PGS.TS. Lê Giang Nam và TS. Bùi Quí Lực. Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kì công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 THAY MẶT TẬP THỂ HƢỚNG DẪN Ngƣời cam đoan PGS.TS. Lê Giang Nam Nguyễn Văn Mùi ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................. i LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ......................................................................... xi PHẦN MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................. 1 2. Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................... 3 3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 4 4. Mục đích nghiên cứu ...................................................................................... 4 5. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 4 6. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 4 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................ 5 8. Những điểm mới của đề tài ............................................................................ 5 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG ............................................................................................................ 7 1.1. Thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động ....................................... 7 1.1.1. Thiết bị cấp phôi dạng phễu rung có đƣờng xoắn vít .............................. 7 1.1.2. Thiết bị cấp phôi theo phƣơng thẳng ....................................................... 9 1.2. Xu hƣớng nghiên cứu hiện nay trên thế giới .............................................. 10 1.3. Phƣơng pháp thực hiện ............................................................................... 10 1.4. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ................................................. 11 1.4.1.Tình hình nghiên cứu nƣớc ngoài ........................................................... 11 1.4.1.1. Ảnh hƣởng biên độ rung đến tốc độ di chuyển của phôi................. 11 1.4.1.2. Ảnh hƣởng của biên độ rung đến định hƣớng phôi ......................... 14 iii 1.4.1.3. Ảnh hƣởng của các thông số động lực học khác ............................. 17 1.4.1.4. Các nghiên cứu khác ....................................................................... 20 1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc ........................................................... 25 Kết luận chƣơng 1. ................................................................................................ 28 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG ......................................... 29 2.1. Cơ sở lý thuyết về cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. .................. 29 2.1.1. Phân tích các lực tác dụng lên phôi ....................................................... 29 2.2.2. Các thông số ảnh hƣởng đến quá quá trình di chuyển của phôi ............ 31 2.2.2.1. Ảnh hƣởng của thông số kết cấu (góc nghiêng rãnh xoắn θ) [4] ... 31 2.2.2.2. Ảnh hƣởng của các thông số động lực học ..................................... 32 2.2. Định hƣớng và phân loại phôi ....................................................................... 35 2.2.1. Phân loại phôi ........................................................................................ 35 2.2.2. Phôi có các bề mặt là mặt tròn xoay trong và ngoài .............................. 35 2.2.3. Phôi có các bề mặt là mặt phẳng ........................................................... 37 2.2.4. Phôi có hình dạng phức tạp, tập hợp của các bề mặt tròn xoay trong, ngoài, mặt phẳng và các bề mặt định hình. .............................................................. 37 2.3. Phân loại thiết bị cấp phôi dạng phễu rung.................................................... 39 2.4. Tính toán thiết kế thiết bị cấp phôi dạng phễu rung. ..................................... 41 2.4.1. Tính toán thiết kế các thông số của thiết bị. .......................................... 41 2.4.1.1. Phân tích sản phẩm .......................................................................... 41 2.4.1.2. Chọn vật liệu làm phễu .................................................................... 41 2.4.1.3. Cân bằng năng suất của cơ cấu cấp phôi rung động ....................... 42 2.4.1.4. Xác định các thông số hình học của phễu rung ............................... 42 2.4.1.5. Xác định kích thƣớc của đế máy rung ............................................. 44 2.4.1.6. Xác định thông số cho nhíp đàn hồi ................................................ 46 2.4.1.7. Xác định biên độ rung động ............................................................ 47 2.4.1.8. Tính nam châm điện ........................................................................ 49 2.4.1.9. Xác định kích thƣớc của giảm chấn cao su [3] ............................... 51 iv 2.4.2. Thiết kế cấu hình kênh phân loại ........................................................... 53 2.4.2.1.Phân tích đối tƣợng và yêu cầu định hƣớng ..................................... 53 2.4.2.2. Lựa chọn cấu hình hệ thống kênh phân loại .................................... 54 Kết luận chƣơng 2. ................................................................................................ 56 CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA, KIỂM TRA VÀ XÁC NHẬN MÔ PHỎNG SỐ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM ....................................................................................... 58 3.1. Mô hình hóa thiết bị cấp phôi dạng phễu rung .............................................. 58 3.1.1. Công cụ thực hiện mô hình hóa ............................................................. 58 3.1.2. Mô hình hóa phễu rung .......................................................................... 59 3.1.2.1. Thông số thiết kế phễu rung theo tính toán (bảng 2.4) ................... 59 3.1.2.2. Quy trình thực hiện .......................................................................... 60 3.1.2.3. Kết quả............................................................................................. 60 3.1.3. Mô hình hóa các chi tiết của nguồn rung ............................................... 61 3.1.3.1. Quy trình thực hiện .......................................................................... 61 3.1.3.2. Công cụ thiết kế và kết quả mô hình hóa ........................................ 61 3.1.4. Lắp ráp hệ thống .................................................................................... 62 3.1.4.1. Quy trình lắp ráp .............................................................................. 62 3.1.4.2. Tiến hành lắp ráp ............................................................................. 63 3.1.4.3. Kết quả lắp ráp................................................................................. 64 3.2. Tự động hóa thiết kế bằng tham số sử dụng catia ......................................... 64 3.2.1. Xây dựng liên kết giữa các tham số bằng hàm số ................................. 64 3.2.1.1. Tham số cho phễu chứa ................................................................... 64 3.2.1.2. Tham số cho đế đỡ phễu chứa ......................................................... 65 3.2.1.3. Tham số cho đế trên nhíp đàn hồi ................................................... 65 3.2.1.4. Tham số cho nhíp đàn hồi ............................................................... 65 3.2.1.5. Tham số cho đế máy rung ............................................................... 65 3.2.2. Thiết kế theo tham số bằng phần mềm Catia......................................... 66 3.2.2.1. Sơ đồ quá trình tự động hóa thiết kế bằng tham số ......................... 66 3.2.2.2. Quá trình thực hiện tham số hóa trong Catia................................... 66 v 3.3. Kiểm tra và xác nhận mô hình số .................................................................. 68 3.3.1. Xác định tần số dao động riêng ............................................................. 68 3.3.1.1. Công cụ mô phỏng số ...................................................................... 68 3.3.1.2. Quy trình mô phỏng......................................................................... 69 3.3.1.3. Kết quả mô phỏng ........................................................................... 73 3.3.2. Xác định hệ số ma sát giữa phôi và phễu .............................................. 75 3.3.2.1. Sơ đồ thí nghiệm đo: Máy pháp VF. ............................................... 75 3.3.2.2. Phƣơng pháp đo lực ma sát trên máy VF ........................................ 75 3.3.2.3 Các số liệu trên máy VF ................................................................... 76 3.3.2.4. Thông số cơ bản của máy đo hệ số ma sát VF .............................. 76 3.3.2.5. Trình tự thí nghiệm: ...................................................................... 76 3.3.3. Xác định tần số dao động của hệ thống ............................................ 77 3.3.3.1. Thiết bị Detector III của FAG ......................................................... 77 3.3.3.2. Thiết bị đo của Nacentech ............................................................... 79 3.3.4. Xác định biên độ dao động và xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng hệ thống…. .......................................................................................................... 80 3.3.4.1. Sơ đồ và thiết bị đo .......................................................................... 81 3.3.4.2. Kết quả và xử lý số liệu ................................................................... 82 3.3.4.3. Xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng cho chuyển động của phễu 82 3.4. Mô phỏng số thiết bị ................................................................................... 84 3.4.1. Công cụ mô phỏng [42] ......................................................................... 84 3.4.2. Quy trình mô phỏng trên MSC ADAMS ................................................ 85 3.4.2.1. Xác định nguyên lý làm việc của quá trình mô phỏng .................... 85 3.4.2.2. Các thông số thực hiện mô phỏng ................................................... 86 3.4.2.3. Kết quả mô phỏng trên MSC ADAMS ........................................... 87 Kết luận chƣơng 3 ................................................................................................. 88 CHƢƠNG 4. KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU KẾT CẤU ĐIỀU HƢỚNG TRONG PHỄU CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG ....................................................................................................................... 89 vi 4.1. Đánh giá sự ảnh hƣởng của góc nghiêng rãnh xoắn đến năng suất cấp phôi 89 4.1.1. Trình tự thực hiện .................................................................................. 89 4.1.2. Xử lý số liệu và kết quả ......................................................................... 89 4.2. Đánh giá sự ảnh hƣởng của điện áp đến năng suất cấp phôi ...................... 93 4.2.1. Quy trình thực hiện ........................................................................... 93 4.2.2. Xử lý số liệu và kết quả .................................................................... 94 4.3. Tối ƣu hóa điện áp và góc nghiêng rãnh xoắn đến năng suất cấp phôi ...... 95 4.3.1. Quy trình tối ƣu................................................................................. 96 4.3.2. Các đại lƣợng đầu vào ...................................................................... 96 4.3.3. Các đại lƣợng đầu ra ......................................................................... 96 4.3.4. Các đại lƣợng cố định ....................................................................... 96 4.3.5. Xây dựng quy hoạch thực nghiệm. ................................................... 97 4.3.5.1. Quy trình lấy số liệu mô phỏng số ................................................ 97 4.3.5.2. Số liệu mô phỏng số ...................................................................... 97 4.3.5.3. Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm [39,40,41] ............................... 99 4.3.5.4. Tìm hàm hồi quy ......................................................................... 101 4.3.5.5. Tối ƣu hóa hàm mục tiêu ............................................................ 102 4.3.6. Thực nghiệm, kiểm tra và so sánh với mô hình số ......................... 103 4.4 Tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng phôi đến năng suất cấp phôi ....................... 105 4.4.1. Kết cấu và cấu hình hệ thông điều hƣớng ...................................... 105 4.4.2. Năng suất cấp phôi .......................................................................... 106 4.4.3. Các đại lƣợng cố định ..................................................................... 107 4.4.4. Mô phỏng số kết cấu điều hƣớng.................................................... 108 Kết luận chƣơng 4 ............................................................................................... 110 KẾT L UẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 111 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ........................... 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 114 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 120 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT 1 Ký hiệu, viết tắt Đơn vị Automatic Dynamic Analysis of Mechanical ADAMS 2 AW 3 b 4 Bowl Ý nghĩa System (mô phỏng động lực học đa vật thể) Ansys Workbench mm Chiều rộng lò xo lá Phễu 5 Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application (xử lý tƣơng tác trong không gian ba CATIA chiều có sự trợ giúp của máy tính) 6 D mm Đƣờng kính phễu 7 Dd mm Đƣờng kính đế 8 E Pa module đàn hồi 9 f Hz Tần số rung 10 fr Hz Tần số dao động riêng của cơ hệ 11 H mm Chiều cao phễu 12 h mm Chiều cao chi tiết 13 NX 14 l mm 15  α Độ Góc nghiêng của rãnh xoắn Độ Độ Góc nghiêng của lò xo lá Góc của lực quán tính và mặt phẳng nghiêng mm Nm Hệ số ma sát giữa phôi và rãnh Bƣớc xoắn Mô men xoắn 16 17 18 19 20  μs t T 21 22 Track 23 24  SUS 304 25 Vct Phần mềm NX Chiều dài lò xo lá Máng dẫn hƣớng Hệ số tần suất  Hệ số hấp thụ Inox 304 cm/s Vận tốc của phôi viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Thống kê phƣơng pháp thực hiện trên thế giới trong khoảng 20 năm gần đây ............................................................................................................................ 11 Bảng 1. 2. Thống kê các nghiên cứu đánh giá sự ảnh hƣởng của biên độ rung đến vận tốc phôi .............................................................................................................. 12 Bảng 1. 3. Thông kê các nghiên cứu đánh giá sự ảnh hƣởng của biên độ rung đến định hƣớng phôi ........................................................................................................ 14 Bảng 1. 4. Thống kê các nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng của tần số rung .............. 17 Bảng 2. 1. Phân loại các loại phôi ............................................................................ 36 Bảng 2. 2. Kích thƣớc của phễu trụ thẳng[3]. ......................................................... 40 Bảng 2. 3. Kích thƣớc phễu côn bậc[3]. .................................................................. 40 Bảng 2. 4. Bảng thông của phễu rung cấp phôi ........................................................ 52 Bảng 2. 5. Đặc điểm của các bẫy đối với phôi là nắp chai vaccine ......................... 54 Bảng 3. 1. Thông số cơ bản của phễu phôi............................................................... 59 Bảng 3. 2. Thông số cơ bản của các chi tiết còn lại ................................................. 62 Bảng 3. 3. Thông số đặc tính vật liệu đƣợc sử dụng ................................................ 70 Bảng 3. 4. Thông số hiệu chỉnh sensor ..................................................................... 76 Bảng 3. 5. Kết quả đo từ máy đo ma sát động.......................................................... 77 Bảng 3. 6. Bảng thông số thiết bị đo của hãng FAG ................................................ 78 Bảng 3. 7. Bảng thông số và thiết bị đo của NACENTECH .................................... 80 Bảng 3. 8. Bảng thông số thiết bị đo VIBROPOST 80 ............................................ 81 Bảng 3. 9. Bảng giá trị biên độ tịnh tiến, góc xoay và hàm động học tƣơng đƣơngxác định bằng thực nghiệm ............................................................................ 84 Bảng 3. 10. Thông số vật liệu ................................................................................... 86 Bảng 4. 1. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 92 Bảng 4. 2. Vận tốc của phôi phụ thuộc vào điện áp ................................................. 94 Bảng 4. 3. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 99 Bảng 4. 4. Bảng giá trị hệ số của hàm hồi quy ....................................................... 102 Bảng 4. 5. Giá trị vận tốc xác định bằng thực nghiệm ........................................... 103 Bảng 4. 6. Vận tốc của phôi xác định bằng mô phỏng số ...................................... 103 Bảng 4. 7. Bảng so sánh vận tốc bằng thực nghiệm và bằng mô phỏng số ........... 104 Bảng 4. 8. Các cấu hình điều hƣớng....................................................................... 106 ix Bảng 4. 9. Kết quả mô phỏng đánh giá các cấu hình điều hƣớng sau 30s đầu tiên 109 Bảng 4. 10. Kết quả mô phỏng đánh giá tổng thời gian cấp phôi ......................... 109 x DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1. 1.Cơ cấu cấp phôi rung sử dụng bánh lệch tâm [3] ....................................... 7 Hình 1. 2. Cơ cấu cấp phôi rung có nam châm điện [3] ............................................. 8 Hình 1. 3. Sơ đồ lực tác dụng khi nam châm đặt tại tâm[3] ....................................... 8 Hình 1. 4. Sơ đồ lực tác dụng khi nam châm đặt vị trí đối diện lò xo lá [3] .............. 9 Hình 1. 5. Thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động ................................ 9 Hình 1. 6. Cơ cấu cấp phôi rung động thẳng ............................................................ 10 Hình 1. 7. Kết quả thực nghiệm với một phôi duy nhất ........................................... 12 Hình 1. 8. Kết quả thực nghiệm với 200, 400, 800 phôi .......................................... 13 Hình 1. 9. Mô hình phân tích lực của phễu cấp phôi rung ....................................... 13 Hình 1. 10. So sánh chuyển vị theo phƣơng X của phôi giữa lý thuyết và mô phỏng số ............................................................................................................................... 14 Hình 1. 11. Mối quan hệ giữa biên độ rung và tốc độ di chuyển của phôi .............. 14 Hình 1. 12. Sáu trạng thái của phôi khi thực nghiệm ............................................... 15 Hình 1. 13. Kết quả với phôi theo chiều nằm (LT) .................................................. 15 Hình 1. 14. Kết quả với phôi theo chiều đứng (UT) ................................................ 15 Hình 1. 15. Kết quả với phôi theo chiều ngang (CT) ............................................... 16 Hình 1. 16. Kết quả mô phỏng ................................................................................. 16 Hình 1. 17. Kết quả so sánh sự giữa mô phỏng và thực nghiệm .............................. 17 Hình 1. 18. Hình thái dao động của phễu bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn ....... 18 Hình 1. 19. Hình thái dao động của phễu bằng mô hình số ..................................... 18 Hình 1. 20. Ảnh hƣởng của tần số rung đến dịch chuyển của khối.......................... 19 Hình 1. 21. Ảnh hƣởng của tần số rung động đến gia tốc của khối ......................... 19 Hình 1. 22. Các hình thái dao động trên môi trƣờng số ........................................... 20 Hình 1. 23. Tần số dao động riêng xác nhận bằng thực nghiệm .............................. 20 Hình 1. 24. Sự phụ thuộc của vận tốc phôi vào bán kính phễu ................................ 20 Hình 1. 25. Điều hƣớng, (a)sử dụng kết cấu cơ khí, (b) sử dụng khí nén ................ 21 Hình 1. 26. Mô hình thực nghiệm ............................................................................ 21 Hình 1. 27. Biểu đồ Bode ......................................................................................... 22 Hình 1. 28. Mô hình với nam châm theo phƣơng tiếp tuyến (a) và thẳng đứng (b) 22 Hình 1. 29. Gia tốc của các chi tiết khi nam châm đặt theo phƣơng tiếp tuyến (a), dọc trục (b), xuyên tâm (c) ....................................................................................... 23 xi Hình 1. 30. Module hệ thống băng tải rung.............................................................. 23 Hình 1. 31. So sánh tốc độ di chuyển giữa mô phỏng và thực nghiệm khi hệ số ma sát là 0,25 .................................................................................................................. 24 Hình 1. 32. So sánh tốc độ di chuyển giữa mô phỏng và thực nghiệm khi hệ số ma sát thay đổi ................................................................................................................ 24 Hình 1. 33.Vận tốc của các phôi theo phƣơng Z ...................................................... 24 Hình 1. 34. Lực tác dụng khi phôi nằm trên máng dẫn ............................................ 25 Hình 1. 35. Sơ đồ tác dụng lực của nam châm điện ................................................. 26 Hình 1. 36. Đồ thị lực kéo của nam châm điện khi cấp dòng điện hình sin[3] ........ 26 Hình 1. 37. Sơ đồ kết cấu của phễu cấp phôi kiểu rung động có bộ tạo rung đặt thẳng đứng[19] ......................................................................................................... 27 Hình 1. 38. Một số kết cấu định hƣớng phôi trên rãnh xoắn[19] ............................. 27 Hình 2. 1. Thiết bị cấp phôi rung dạng phễu có máng dẫn dạng xoắn vít[3], [4],[23] .................................................................................................................................. 29 Hình 2. 2. Sơ đồ lực tác dụng lên phôi và rãnh xoắn trong phễu[2], [4], [19][20] .. 30 Hình 2. 3. Ảnh hƣởng của góc nghiêng rãnh xoắn θ tới vận tốc vận chuyển phôi[4] .................................................................................................................................. 31 Hình 2. 4. Ảnh hƣởng của góc ψ, tỷ số gia tốc, tần số f, góc nghiêng θ, hệ số ma sát lên vận tốc vận chuyển của phôi [4] ......................................................................... 32 Hình 2. 5. Cơ cấu rung điện từ a) một nhịp; b) hai nhịp[3]...................................... 33 Hình 2. 6. Ảnh hƣởng của góc rung động ψ và hệ số ma sát µs[4] .......................... 34 Hình 2. 7. Ảnh hƣởng của hệ số ma sát đến góc rung động tối ƣu [4]..................... 34 Hình 2. 8. Ảnh hƣởng của hệ số ma sát tới vận tốc vận chuyển phôi[4] ................. 34 Hình 2. 9. Cơ cấu định hƣớng cho phôi đáy phẳng[3] ............................................. 38 Hình 2. 10. Cơ cấu định hƣớng cho phôi tròn đáy phẳng[3] .................................... 38 Hình 2. 11. Cơ cấu định hƣớng cho phôi dạng trụ tròn[3] ....................................... 38 Hình 2. 12. Cơ cấu định hƣớng cho phôi dạng trụ trơn[3] ....................................... 39 Hình 2. 13. Kích thƣớc của phễu trụ thẳng ............................................................. 39 Hình 2. 14. Kích thƣớc của phễu côn bậc ............................................................... 41 Hình 2. 16. Hình dạng và kích thƣớc của nắp chai vaccine .................................... 41 Hình 2. 17. Thông số hình học của phễu rung ......................................................... 43 Hình 2. 18. Chuyển động của phôi bị ném lên ......................................................... 47 Hình 2. 19. Lực tác dụng lên lò xo lá [3] ................................................................. 49 xii Hình 2. 20. Hình dạng và kích thƣớc của nắp chai vaccine ..................................... 53 Hình 2. 21. Trạng thái phôi trƣớc định hƣớng và trạng thái phôi yêu cầu ............... 53 Hình 2. 22. Hệ thống kênh phân loại cho phôi dạng (a) vành khăn và (b) trụ bậc đặc .................................................................................................................................. 54 Hình 2. 23. Cấu hình hệ thống kênh phân loại cho nắp chai vaccine....................... 56 Hình 3.1. Hệ thống cấp nắp chai vaccine ................................................................. 59 Hình 3. 2. Phễu rung cấp nắp chai cao su ................................................................. 59 Hình 3. 3. Quá trình thực hiện mô hình hóa phễu rung ............................................ 60 Hình 3. 4. Mô hình hóa phễu rung............................................................................ 60 Hình 3.5. Các bƣớc mô hình hóa nguồn rung .......................................................... 61 Hình 3.6. Đế gá phễu rung........................................................................................ 62 Hình 3.7. Đế trên lò xo lá ......................................................................................... 62 Hình 3.8. Lò xo lá ..................................................................................................... 62 Hình 3.9. Đế máy...................................................................................................... 62 Hình 3.10. Tấm giảm chấn ....................................................................................... 62 Hình 3.11. Các bƣớc lắp ráp hệ thống ...................................................................... 63 Hình 3.12. Phễu rung và đế gá ................................................................................. 63 Hình 3.13. Cụm phễu rung ....................................................................................... 63 Hình 3.14. Cụm nguồn rung ..................................................................................... 64 Hình 3.15. Cụm điều khiển....................................................................................... 64 Hình 3.16. Kết quả lắp ráp hệ thống rung cấp nắp chai vaccine .............................. 64 Hình 3. 17. Quy trình tham số hóa ........................................................................... 66 Hình 3. 18. Quá trình đƣa liên kết tham số từ Exel vào Catia.................................. 67 Hình 3. 19. Cây thƣ mục các hàm số của từng tham số ........................................... 68 Hình 3. 20. Quy trình phân tích hình thái trên Ansys Workbench ........................... 69 Hình 3. 21. Module Modal ...................................................................................... 69 Hình 3. 22. Tên vật liệu đƣợc khởi tạo .................................................................... 70 Hình 3. 23. Cây thƣ mục toolbox ............................................................................. 70 Hình 3. 24. Thông số vật liệu SUS 304 .................................................................... 71 Hình 3. 25. Cây thƣ mục Geometry ......................................................................... 71 Hình 3. 26. Gán vật liệu cho phễu rung cấp phôi ..................................................... 71 Hình 3. 27.Gán liên kết đế gá phễu và đế trên lò xo lá ............................................ 72 Hình 3. 28. Mô hình phần tử .................................................................................... 72 xiii Hình 3. 29. Ngàm đế dƣới lò xo lá ........................................................................... 73 Hình 3. 30. Thiết lập các Mode và phạm vi phân tích ............................................. 73 Hình 3. 31. Bảng giá trị các tần số dao động riêng cơ bản ....................................... 74 Hình 3. 32. Hình thái chuyển động tại các tần số dao động riêng cơ bản ................ 74 Hình 3. 33. Máy đo hệ số ma sát trƣợt VF ............................................................... 75 Hình 3. 34. Mẫu thử và thí nghiệm xác định hệ số ma sát giữa cao su và SUS304 . 76 Hình 3. 35. Thiết bị đo dao động theo phƣơng ngang bằng thiết bị hãng FAG ....... 77 Hình 3. 36. Thiết bị đo dao động theo phƣơng thẳng đứng ..................................... 78 Hình 3. 37. Kết quả đƣợc xử lý trên phần mềm Trendline....................................... 79 Hình 3. 38. Thiết đo của Viện ứng dụng công nghệ (Nacentech) ............................ 79 Hình 3. 39. Kết quả đo đƣợc xử lý trên phần mềm của NI ...................................... 80 Hình 3. 40. Thiết bị đo VIBROPOST 80 ................................................................. 81 Hình 3. 41. Kết quả đo đƣợc xử lý trên phần mềm ReX .......................................... 82 Hình 3. 42. Sơ đồ tính góc xoay ............................................................................... 83 Hình 3. 43. Quy trình mô phỏng trên MSC ADAMS .............................................. 85 Hình 3. 44. Giao diện gán các thông số về vật liệu trên MSC ADAMS .................. 86 Hình 3. 45. Giao diện gắn liên kết giữa phễu và phôi .............................................. 87 Hình 3. 46. Cửa sổ Function Builder để gắn hàm động học ................................... 87 Hình 3. 47. So sánh giá trị vận tốc mô phỏng và vận tốc trên mô hình thực .......... 88 Hình 4. 1. Quá trình tìm giá trị góc nghiêng rãnh xoắn tối ƣu bằng mô phỏng ....... 90 Hình 4. 2. Tham số hóa giá trị trong CATIA ........................................................... 91 Hình 4. 3. Biểu đồ vị trí theo thời gian trong MSC ADAMS .................................. 91 Hình 4. 4. Sơ đồ tính vận tốc bằng mô phỏng số ..................................................... 91 Hình 4. 5. Biểu đồ sự phụ thuộc giá trị vận tốc – nghiêng rãnh xoắn với điện áp 160V ......................................................................................................................... 93 Hình 4. 6. Quy trình đánh giá sự ảnh hƣởng của điện áp đến vận tốc phôi ............. 93 Hình 4. 7. Biểu đồ vận tốc phụ thuộc điện áp với góc nghiêng rãnh xoắn 2,50 ....... 94 Hình 4. 8. Sơ đồ quá trình tối ƣu hóa ....................................................................... 96 Hình 4. 9. Quy trình lấy số liệu mô phỏng ............................................................... 98 Hình 4. 10. Biểu đồ các điểm rời rạc từ số liệu thực nghiệm ................................... 99 Hình 4. 11. Kết quả tìm hàm hồi quy trên MATLAB ............................................ 101 Hình 4. 12. Đồ thị kết quả tối ƣu ............................................................................ 102 Hình 4. 13. Biểu đồ vận tốc phụ thuộc vào điện áp với góc nghiêng 1,30 ............. 104 xiv Hình 4. 14. Quy trình tối ƣu hóa cơ cấu điều hƣớng .............................................. 105 Hình 4. 15. Ba bẫy và các tham số hình học ảnh hƣởng đến chức năng của chúng ................................................................................................................................ 106 Hình 4. 16. Trạng thái phôi trƣớc định hƣớng và định hƣớng phôi yêu cầu .......... 107 Hình 4. 17. Quá trình mô phỏng số đánh giá cấu hình điều hƣớng........................ 108 Hình 4. 18. Cơ cấu điều hƣớng thiết bị cấp phôi dạng rung .................................. 109 xv PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong sản xuất hiện đại ngày nay, các công đoạn nhƣ gia công, lắp ráp, kiểm tra đã đƣợc tự động hóa nâng cao năng suất của quá trình. Để đáp ứng đƣợc các nhu cầu đó thì một thiết bị tự động cấp phôi liệu cho quá trình trên là cần thiết. Đến nay, hiện đã có nhiều loại thiết bị phục vụ cho quá trình cấp phôi liệu khác nhau. Kết cấu của các cơ cấu cấp phôi này rất khác nhau, chúng phụ thuộc vào dạng phôi, năng suất và cấu trúc của máy [3]. Theo đó, có thể phân thành các kiểu cấp phôi cơ bản sau đây: cấp phôi dạng cuộn, cấp phôi dạng thanh hoặc tấm, cấp phôi dạng lỏng, bột, khí, cấp phôi dạng rời từng chiếc. Mỗi kiểu cấp phôi trên mang tính đặc thù riêng và bản thân trong mỗi kiểu cũng đã bao hàm rất nhiều dạng khác nhau. Tuỳ theo công nghệ sản xuất mà ngƣời ta có thể bố trí các hệ thống cấp phôi liên tục, cấp phôi gián đoạn theo chu kỳ hoặc cấp phôi theo lệnh [19]. Với các loại phôi dạng rời có thể sử dụng loại thiết bị cấp phôi bao gồm: băng tải cấp phôi, robot cấp phôi, cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Với robot và băng tải thƣờng sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất, lắp ráp các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao. Nhƣng cả hai loại thiết bị trên có nhƣợc điểm là giá thành lắp đặt và vận hành thiết bị tƣơng đối cao. Diện tích nhà xƣởng để lắp đặt đòi hỏi phải rộng. Tuy nhiên hai phƣơng pháp cấp phôi trên không phù hợp cho các loại phôi có khối lƣợng và kích thƣớc nhỏ. Để giải quyết vấn đề trên, phƣơng pháp cấp phôi theo nguyên lý rung động là một lựa chọn phù hợp. Thiết bị cấp phôi trên nguyên lý rung động là một hệ thống đƣợc sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống, dƣợc phẩm hay các dây chuyền sản xuất lắp ráp. Tại các nhà máy sản xuất dƣợc phẩm, điều kiện để chiết xuất và đóng chai thuốc vaccine là môi trƣờng sản xuất phải vô khuẩn. Hạn chế sự tiếp xúc của con ngƣời với nguyên liệu, vật liệu sản phẩm[1]. Vì vậy, việc lựa chọn phƣơng pháp cấp phôi tự động theo nguyên lý kích rung là cần thiết khi cấp nắp chai cao su cho lọ vaccine là cần thiết. Từ thập niên 90 của thế kỷ trƣớc đến những năm gần đây do đặc điểm giá rẻ của nhân công lao động nên hệ thống này chỉ đƣợc sử dụng trong các công ty liên doanh. Ngày nay, giá nhân công ngày một tăng, để họ bắt nhịp đƣợc với công việc phải mất thời gian đào tạo. Tính ổn định của công nhân hiện nay thấp, nhất là những công việc có tính lặp lại. 1 Điểm mạnh của thiết bị cấp phôi là việc điều hƣớng, phối liệu đúng nhịp, đơn giản và chính xác hơn hẳn các hệ thống truyền dẫn khác. Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị này vẫn chƣa đƣợc quan tâm tại Việt Nam hiện nay. Hệ thống cấp phôi tự động bao gồm, một phễu rung (bên trong có chứa các máng dẫn) đƣợc lắp vào đế trên, đế trên kết nối với đế đế dƣới thông qua các lò xo lá. Các lò xo lá tạo ra các chuyển động theo phƣơng thẳng đứng của phôi và đồng thời là chuyển động quay xung quanh trục thẳng đứng. Các nam châm điện tạo ra lực tác dụng điều khiển chuyển động của phễu. Thông thƣờng, đó là các lực dọc trục hoặc lực pháp tuyến giữa đế và phễu. Mỗi nam châm điện có hai phần, một phần lắp trên đế dƣới đƣợc cung cấp nguồn bởi các nguồn điện, phần còn lại đƣợc lắp cố định vào đế trên và di chuyển cùng với phễu. Trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động, phôi di chuyển trên đƣờng dẫn hƣớng (track) với chế độ trƣợt hoặc nhảy. Trong chế độ trƣợt, chuyển động đƣợc tạo ra từ ma sát giữa phôi và máng dẫn. Trong chế độ nhảy, phôi nhảy lên khỏi đƣờng dẫn theo mỗi chu kỳ và phôi sẽ rơi tự do sau đó rơi lại máng. Trong quá trình nhảy lên và rơi xuống này, chuyển động tịnh tiến đƣợc hình thành và phôi di chuyển lên phía trƣớc một khoảng so với vị trí cũ trên máng. Việc tính toán, thiết kế hệ thống cấp phôi tự động cho sản phẩm là lắp chai thuốc vaccine bằng cao su nhằm chế tạo thiết bị phục vụ cho quá trình thực nghiệm cần phải đƣợc tiến hành. Với các loại phôi khác nhau công việc thiết kế có sự khác nhau nhằm đƣa ra các kết quả thiết kế tối ƣu nhất cho sản phẩm. Thiết kế thiết bị rung cấp phôi là qui trình phức tạp và có tính quyết định. Công việc này thƣờng đƣợc bắt đầu bằng việc xác định nhu cầu dạng phôi cần cấp và năng suất cấp. Do làm việc theo rung động nên cần một kết cấu nguyên khối để tránh tự tháo lỏng và phân rã. Mặt khác, mỗi thiết bị cấp phôi chỉ cấp cho một loại và một phạm vi công suất nên thiết kế chế tạo gần nhƣ là đơn chiếc. Vì vậy việc công việc này phải giảm thiểu thời gian thiết kế chế tạo và điều chỉnh. Hiện nay một phƣơng pháp thiết kế đƣợc áp dụng cho số đông bài toán là thiết kế theo module. Để giảm thời gian sử dụng hệ thống treo tiêu chuẩn có sẵn (nguồn rung, nam châm điện…) và các chi tiết đƣợc chế tạo theo kết quả tính toán (phễu, có cấu điều hƣớng, lò xo lá…). Kết quả của quá trình này là một hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý kích rung đƣợc hình thành. Có ba giai đoạn chính trong thiết kế, đó là nghiên cứu lên phƣơng án và tìm phƣơng án khả thi, các thiết kế sơ bộ và thiết kế chi tiết. Trong quá trình nghiên cứu 2 lên phƣơng án các giải pháp thiết kế đƣợc đƣa ra và có thể tính toán đến chi phí chế tạo. Các quy trình công nghệ và phƣơng án gia công đƣợc đƣa ra trong quá trình thiết kế sơ bộ. Cuối cùng, các bản vẽ chi tiết, yêu cầu kỹ thuật và đặc tính đƣợc thể hiện trong thiết kế chi tiết. Dựa vào thiết kế đã đƣa ra, tiến hành chế tạo hệ thống cấp phôi. Công việc chế tạo này dựa vào sự kết hợp giữa các chi tiết tiêu chuẩn (nguồn rung, nam châm điện…) và các chi tiết đƣợc chế tạo theo kết quả tính toán (phễu, có cấu điều hƣớng, lò xo lá…). Kết quả của quá trình này là một hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý kích rung đƣợc hình thành. Đây là một hệ thống thích hợp, ngoài ghép nối về mặt cơ học mà còn phải làm việc ở chế độ cộng hƣởng. Do đó phải điều chỉnh các thông số động lực học để nó làm việc ở chế độ cộng hƣởng. Quá trình thực nghiệm nhằm mục đích điều chỉnh thiết bị tìm ra các thông số tối ƣu cho hệ thống. Tuy nhiên hệ thống này hoạt động nhờ lực kích rung ở chế độ cộng hƣởng, phễu cấp là một khối thống nhất (các cơ cấu dẫn hƣớng và phân loại đƣợc gắn cứng lên phễu). Với mỗi loại phôi khác nhau thì phễu cũng nhau. Khi muốn thay đổi kết cấu trong quá trình thực nghiệm gần nhƣ phải chế tạo mới dẫn đến không đảm bảo kịp sản xuất cũng nhƣ tiêu phí về thời gian và tiền bạc. Vì vậy, xây dựng một quy trình thiết kế hệ thống đúng ngay từ lần đầu tiên nhằm giảm thời gian thiết kế, chế tạo và điều chỉnh. Để đạt đƣợc mục đích trên việc nghiên cứu bản chất của quá trình động lực học của quá trình cấp phôi từ đó chỉ ra các đặc điểm về thông số kết cấu và ảnh hƣởng của nó đến quá trình cấp phôi, qua đó đƣa ra đƣợc phƣơng án và qui trình thiết kế, kiểm định cho chế tạo cho loại phôi đƣợc nghiên cứu và một quy trình thiết kế chế tạo theo phƣơng án chủ động cộng hƣởng cho các dạng phôi khác. Những đặc điểm nêu trên là định hƣớng cho việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động” 2. Đối tƣợng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu, khảo sát động lực học quá trình di chuyển của phôi trên phễu. Tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. 3