Mô hình hóa và mô phỏng số dây chuyền máy may khẩu trang y tế (tt)

Yêu cầu về năng suất của mỗi dây chuyền càng lớn để phục vụ cho nhu cầu của thị trường và xuất khẩu dẫn đến cần năng suất cao hơn, máy móc cần độ chính xác cao, độ cứng vững và tốc độ di

THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Lưu hành nội bộ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯

LÊ KIM HỢI

MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG SỐ DÂY CHUYỀN

MÁY MAY KHẨU TRANG Y TẾ

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí

Mã số: 8520103

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2022

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI HỆ THỐNG

Phản biện 1: TS HOÀNG VĂN THẠNH

Phản biện 2: TS NGUYỄN QUẬN

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

kỹ Thuật cơ Khí họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 26 tháng 06

năm 2022

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

− Thư viện Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, việc nâng cao năng suất, giảm giá thành và giảm các

ô nhiễm là ưu tiên hàng đầu cho các doanh nghiệp sản xuất Trong năm 2020, dịch Covid-19 xuất hiện đe dọa sức khỏe con người Các loại sản phẩm bảo vệ sức khỏe con người như khẩu trang y tế, máy trợ thở, máy tạo oxy… giúp đỡ rất nhiều cho việc bảo vệ và chăm sóc sức khỏe con người

Khi số lượng dây chuyền càng nhiều, một nhà máy sản xuất với

số lượng dây chuyền lớn, yêu cầu về giảm tiền đầu tư, giảm giá thành sản phẩm, đảm bảo giảm ô nhiễm tiếng ồn… thì xilanh khí trong 1 dây chuyền quá nhiều nên tiếng ồn của máy nén khí rất lớn Thực tế cho thấy chi phí cho máy nén khí và hạ tầng khí nén quá lớn, cần phải giảm chi phí này xuống Khi sử dụng động cơ thì không cần sử dụng máy nén khí, giúp giảm tiếng ồn, và giảm tiếng ồn từ xilanh khí nén Yêu cầu về năng suất của mỗi dây chuyền càng lớn để phục vụ cho nhu cầu của thị trường và xuất khẩu dẫn đến cần năng suất cao hơn, máy móc cần độ chính xác cao, độ cứng vững và tốc độ di chuyển nhanh… để nâng cao năng suất của dây chuyền sản xuất Khi sử dụng động cơ thì độ chính xác cao hơn vì sử dụng cấp xung cho động cơ để động cơ hoạt động, tốc độ di chuyển nhanh hơn

Nhu cầu về thiết kế phát triển sản phẩm mới, chép mẫu và thiết

kế lại từ các sản phẩm đã có cũng như nhu cầu về sản xuất, chế tạo các

bộ phận có độ chính xác và độ phức tạp cao là rất lớn Để đáp ứng được yêu cầu trên, ta phải nghiên cứu phát triển, áp dụng các công nghệ mới vào sản xuất nổi bật trong số đó là công nghệ CAD/CAM/CNC/CAE

Với các lý do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Mô hình hóa và

mô phỏng số dây chuyền máy may khẩu trang y tế”

Trong thời gian thực hiện đề tài, em đã tiếp thu và áp dụng các kiến thức được truyền đạt Do hiểu biết và thời gian có hạn, đồng thời dịch bệnh Covid kéo dài nên em không tránh khỏi các sai sót về chuyên môn Em mong quý Thầy thông cảm cho em về các sai sót đó

Em xin chân thành cảm ơn Thầy TS Bùi Hệ Thống đã trực tiếp

hướng dẫn em làm luận văn tốt nghiệp, cùng các Thầy trong khoa Cơ Khí đã nhiệt tình chỉ bảo cho em hoàn thành luận văn này

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 02 tháng 06 năm 2022 Học viên thực hiện

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ DÂY CHUYỀN SẢN XUẤT

KHẨU TRANG Y TẾ

1.1 Lịch sử phát triển

Theo ghi chép của nhà thám hiểm người người Italy là Marco Polo, thì khẩu trang đã xuất hiện từ thời nhà Nguyên ở Trung Quốc.Tuy nhiên đến đầu thế kỷ 17, sau khi chiếc khẩu trang y tế đầu tiên ra đời Collin Mayer bác sĩ người Mỹ đã may một cái túi bằng vải, có khoét 2 lỗ cho

2 con mắt Và trùm cái “khẩu trang” này vào đầu cùng với một cặp kính để khám chữa bệnh thủy đậu

Cho đến năm 1827, bác sĩ người Tây Ban Nha Fernandez Carlos thiết

kế chiếc khẩu trang khác Dựa theo hình dáng của Hijab mà phụ nữ Hồi giáo dùng để che mặt

Ngày nay, với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp vải sợi và ngành công nghiệp may mặc, các sản phẩm khẩu trang y tế đua nhau

ra đời với đa dạng về chủng loại Đặc biệt, trong đại dịch Covid-19, khẩu trang là một phần bắt buộc trong công cuộc chống dịch, vì vậy máy móc, dây chuyền sản xuất khẩu trang y tế cũng phát triển rất mạnh

- Vì đại dịch Covid-19 nên khẩu trang y tế được sử dụng như là vật thiết yếu để đáp ứng công cuộc phòng và chống dịch

1.3 Các dây chuyền trong nước và trên thế giới

- Dây chuyền sản xuất khẩu trang y tế 4 lớp

- Dây chuyền sản xuất khẩu trang N95:

- Dây chuyền sản xuất khẩu trang kf94:

1.4 Các dây chuyền trong nước và trên thế giới

Công nghệ hàn siêu âm

Bộ gấp nếp và gập quai

1.5 Quy trình hàn quai khẩu trang y tế

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MÔ HÌNH HÓA VÀ

MÔ PHỎNG SỐ 2.1 Khái niệm về phương pháp

Phương pháp mô hình hóa được sử dụng rất nhiều trong thiết kế

cơ khí Sử dụng các phần mềm thiết kế 2D, 3D để có thể mô hình ra máy móc, sản phẩm với sự trợ giúp của máy tính, cho biết vị trí trực quan, cấu trúc, cấu tạo của từng cụm lắp, toàn bộ về biểu linh kiện lắp ráp của sản phẩm, máy móc

Có 2 quy trình thiết kế: thuận và nghịch Thiết kế thuận từ ý tưởng để tạo ra sản phẩm thực tiễn Đối với thiết kế nghịch thì từ sản phẩm, chúng ta sẽ tạo ra bản thiết kế đáp ứng rồi cho sản xuất đại trà Mỗi quy trình đều có đặc điểm riêng Tùy vào điều kiện thiết kế của sản phẩm để chọn quy trình phù hợp

Mô hình hóa: Sử dụng phần mềm 3D CAD/CAM để thiết kế các chi tiết, lắp ráp các chi tiết trên máy tính Các quá trình thiết kế được thực hiện thông qua các công cụ hỗ trợ từ máy tính giúp xác định vị trí tương quan, hỗ trợ bản vẽ chế tạo, bản vẽ lắp cho người thiết kế

Mô phỏng số: Thực tế là sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn nhưng

có sự trợ giúp từ máy tính Chia lưới, tính toán ứng suất, thuyết bền, chuyển vị…thực tế trên máy tính, từ đó cho biết các mặt cắt nguy hiểm, hoặc các mặt cắt quá an toàn, cần thay đổi để có thể làm giảm khối lượng, tiết kiệm vật liệu, nâng cao hiệu quả cho thiết kế và gia công

2.2 Phân tích, tính toán động học, động lực học các cơ cấu trong dây chuyền

2.2.1 Cơ cấu cấp phôi

Cơ cấu cấp phôi là cơ cấu để đưa phôi khẩu trang vào vị trí cần hàn quai khẩu trang Sử dụng 1 bộ truyền xích để dẫn khay chứa phôi khẩu trang đến vị trí hàn quai

Cơ cấu cấp phôi bao gồm:

- 4 đĩa xích đôi kiểu xích 35Z33 (gia công theo yêu cầu)

- 2 dây xích kiểu 35 (tiêu chuẩn ANSI)

- Khay chứa phôi

Bộ truyền đai răng là bộ truyền chuyển động và mômen giữa các trục nhờ ăn khớp giữa các răng và được ứng dụng rộng rãi Để giải quyết những yêu cầu kỹ thuật khác nhau người ta dùng bộ truyền đai răng với nhiều loại biên dạng khác nhau

2.2.2 Cơ cấu hàn quai

Cơ cấu hàn quai là cơ cấu dùng để hàn dây thun vào phôi khẩu trang, giúp trở thành 1 khẩu trang hoàn chỉnh

Cơ cấu hàn quai bao gồm: cấp dây thun, cắt dây thun, hàn quai

- Cơ cấu cấp dây thun:

Là cơ cấu dùng để chuẩn bị dây thun trước khi cắt, hàn Dây thun được xếp theo từng cuộn, sau đó cơ cấu này sẽ kẹp đúng yêu cầu chiều dài của dây thun Sử dụng bích xoay để kẹp phôi Chiều dài của dây thun đáp ứng nhu cầu được quấn theo bán kính của bích xoay Sử dụng

bộ kẹp xoay để có thể giữ vị trí của dây thun trên bích xoay

2.3 Mô hình hóa sản phẩm trên Inventor

2.3.1 Mô hình hóa từng chi tiết cụ thể

2.3.2 Ưu điểm khi kết hợp 2 phương pháp thiết kế

Phương pháp thiết kế thuận cho phép người thiết kế sử dụng ý tưởng của chính mình để tạo ra chi tiết, máy… theo số liệu đã đo đạc Sau đó sử dụng các phần mềm để tính toán, phân tích CAD/CAM/CAE Cuối cùng từ những phân tích như vậy để tối ưu hóa thiết kế trước khi đưa ra bản vẽ chế tạo gia công

Phương pháp thiết kế ngược cho phép thiết kế nhanh và chính xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu dạng bề mặt

tự do không xác định được

Phương pháp thiết kế ngược giúp bớt đi 1 khâu sản xuất mẫu thử

Giảm bớt thời gian chế tạo dẫn tới năng suất cao

Khi kết hợp 2 phương pháp này lại, chúng ta có toàn bộ thiết kế trên 3D, sau đó gia công lắp ráp thực tế, tránh tình trạng phải chế tạo thử nghiệm

2.3.3 Ưu điểm khi kết hợp 2 phương pháp thiết kế

Đưa ra kích thước thực tế của sản phẩm thông qua mô hình 3D trên máy tính

Xem xét rõ vị trí tương quan của các chi tiết máy, các cụm lắp ghép

Có thể đưa ra các chi tiết theo dạng: Chi tiết gia công - chi tiết mua hàng Lúc này, với mỗi sản phẩm đều có thể cho ra 1 bộ dữ liệu bao gồm: bản vẽ gia công và biểu linh kiện mua hàng

Nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới

Giáo dục- cho tào đạo, trình chiếu và mô hình hóa thiết kế số hóa

Thời trang và dệt may- thiết kế cho vừa các kích cỡ quần áo và xác định kích thước, và kích cỡ chuẩn

Bảo tàng- lưu trữ các dữ liệu 3D, tập hợp các dữ liệu danh mục cho bảo tàng

2.3.4 Mô hình hóa các chi tiết

2.3.5 Mô hình hóa các cụm

2.4 Lý thuyết về động cơ Servo

2.4.1 Giới thiệu về động cơ Servo

Động cơ servo là những hệ hồi tiếp vòng kín, tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay vận tốc

và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác

2.4.2 Ưu điểm của động cơ Servo

- Tăng tốc độ đáp ứng: Các động cơ bình thường, muốn chuyển

từ tốc độ này sang tốc độ khác thì cần một khoảng thời gian quá độ

- Tăng khả năng đáp ứng: Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần mượt mà, nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số, quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính

- Điều chỉnh được nhiều tốc độ: Động cơ Servo được điều chỉnh bằng số xung, là điều khiển trơn nên giá trị vị trí và tốc độ có thể thay đổi

- Khả năng ổn định tốc độ: Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định

Thông thường, động cơ Servo có tốc độ lớn nhất (quy định) là

3000 vòng/phút

2.4.3 Cấu tạo động cơ Servo

Cấu tạo cơ bản của động cơ servo gồm:- Nam châm vĩnh cữu

- Lõi sắt phần ứng- Bộ encoder- Vỏ- Cuộn dây phần ứng Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng

2.5 Bộ truyền đai răng

2.5.1 Giới thiệu

Bộ truyền đai răng là bộ truyền chuyển động và mômen giữa các trục nhờ ăn khớp giữa các răng và được ứng dụng rộng rãi Để giải quyết những yêu cầu kỹ thuật khác nhau người ta dùng bộ truyền đai răng với nhiều loại biên dạng khác nhau

2.5.2 Các thành phần của đai răng

Thành phần cơ bản của đai răng là vật liệu tổng hợp có độ bền cao được dùng trong kết cấu truyền động đai răng Ba thành phần chính của đai răng đó là:

- Nền cao su neoprene: mặt lưng (2) và mặt răng (3)

- Các dây cáp thép (1)

- Các răng neoprene với lớp mặt là nylon (4)

Chương 3 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ

ĐỘNG 3.1 Phân tích nguyên lý, thời gian của toàn máy

Nguyên lý: Phôi khẩu trang sẽ được đưa vào cụm khay (1), sau

đó cụm khay chuyển động từng bước khay, đưa khẩu trang tại vị trí hàn quai (3) Cụm hàn quai (2) sẽ hàn quai khẩu trang đã được chuẩn

bị trước từ cụm lấy dây (4) đến phôi khẩu trang Tiếp tục hàn ở quai phải (2 quai hàn 2 lần) Sau đó, khẩu trang sẽ được đưa tới cụm gập quai (7), thông qua đầu gập có nhiệt, quai khẩu trang sẽ được gập vào trong phôi khẩu trang để có thể dễ đóng gói Cuối cùng, qua bộ ra (8), khẩu trang sẽ được xếp thành chồng trên băng tải ra hàng Bộ cấp dây (5) sẽ kéo dây cho đủ chiều dài của dây, và dây sẽ được cắt thông qua cụm (6) để chuẩn bị cho khẩu trang tiếp theo

Thông số thiết kế khẩu trang:

- Kích thước phôi khẩu trang: Dài x Rộng = 175 x 95 mm

- Kích thước dây thun quai: chiều dài từ 165 ÷ 175mm

XỬ LÝ SỐ LIỆU

Thời gian Thao tác

Thời gian bước trước

Thời gian thực hiện

Bước 4 Cụm kéo cắt vào + cắt dây 210 150 ms

- Thời gian động cơ đi xuống để hàn: 60 ÷ 80 ms

- Thời gian động cơ xoay kéo dây: 80 ÷ 120 ms

- Thời gian động cơ cụm kéo cắt: 40 ÷ 50 ms

Tổng thời gian thực hiện để hàn 1 khẩu trang từ phôi đến hoàn thiện: 770 ms Vì vậy, năng suất của máy hàn quai: N =1000×60

Phôi khẩu trang sẽ được chứa trên các khay chứa, mỗi khay chứa

1 khẩu trang Có các cách để dẫn động như sau:

- Truyền động bằng băng tải cao su

- Truyền động bằng băng tải dùng xích

Vì lý do băng tải dẫn động này là các khay chứa nên lựa chọn

sử dụng xích để tải Ngoài ra, xích tải mang các khay nên xích sử dụng

là xích có bách dẫn Yêu cầu đặt ra là xích sẽ dẫn hướng nên sử dụng

2 đĩa xích để truyền động và dẫn hướng

Công suất cần truyền: N = P v

1000= 80 0,251000 = 0,02 kw Chọn số răng đĩa xích là Z = 33 răng

= 100,2 mm

Từ các tính toán thiết kế, ta lựa chọn loại xích:

Xích 35 (ANSI), xích ống con lăn

Vì các yêu cầu đó, động cơ cần chọn là động cơ servo Mỗi lần quay để lấy dây, động cơ sẽ quay 1 góc 1800

Tính toán công suất động cơ:

Công suất cần truyền: N = P v

1000=10,1.1,47

1000 = 0,015 kW Hiệu suất của bộ truyền thông qua 1 cặp ổ bi: ηob = 99,5% nên ta có: Nct = ηN

ob=0,0150,995= 0,015 kW Lựa chọn động cơ: Động cơ Servo 200W, ECMA-C20602RS, hãng Delta

3.2.3 Cụm kéo cắt

- Tính toán bộ truyền:

Vì yêu cầu độ chính xác cao, chống rung nên lựa chọn 2 con trượt và thanh trượt bi

Lực chịu tải trên mỗi con trượt:

F = 66/2= 33 N (tải trọng của cụm kéo cắt là 6,6 kg)

Cánh tay đòn từ tâm kéo đến tâm của con trượt: r = 43 mm

Momen xoắn: M = F.r = 33.0,043 = 1,4 N.m

Từ các thông số, ta chọn loại con trượt MGN15C

Yêu cầu của động cơ dẫn kéo bao gồm: Quay được góc chính xác, có thể hãm được khi vận tốc lớn, và có thể tinh chỉnh được vị trí khi hoạt động

Vì các yêu cầu đó, động cơ cần chọn là động cơ servo Mỗi lần quay để lấy dây, động cơ sẽ quay 1 góc 1200

Công suất cần truyền: N = P v

Khoảng cách từ đầu hàn đến đe hàn: h = 76 mm

Thời gian đi xuống để hàn: t = 80 ms

Khoảng cách từ đầu hàn đến đe hàn: h = 20 mm

Thời gian đi xuống để hàn: t = 50 ms

Vì lực gập khá nhỏ nên chọn sơ bộ 2 con trượt bi

Công suất cần truyền: N = P v

1000= 32.0,2

1000 = 0,016 kw Động cơ Servo 100W, ECMA-C20601RS, hãng Delta

Ngoài ra, dưới đầu hàn có 1 đế để giữ khẩu trang trên mặt phẳng

để gập

3.2.6 Cụm ra hàng

Băng tải này hoạt động liên tục Lực ma sát trên đai và khẩu trang là 120N (đo từ thực nghiệm)

Vận tốc của băng tải đưa hàng ra: v = 0,5 m/s

Công suất cần truyền: N = P v

1000= 120.0,5

1000 = 0,06 kw Chọn động cơ: JSCC 80YS25GV22

công suất 25W, số vòng quay: 1200 vòng/phút

Chọn hộp giảm tốc: 80GK5H, tỉ số truyền u = 5

- Tính đường kính puly: số vòng quay khi qua giảm tốc: 240 vòng/phút

d = v 60.1000

240 π =

0,5.60.1000

240 π = 39,98 mm.

Vì vậy chọn đường kính puly đai là: d = 40 mm

3.3 Lắp ráp triển khai tại nhà máy

Chương 4 MÔ PHỎNG SỐ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN

TỬ HỮU HẠN

4.1 Tổng quan về mô phỏng số

4.1.1 Lý thuyết về phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM/Finite Element Method) là một công cụ số mạnh mẽ để giải quyết các phương trình vi phân đạo hàm riêng cũng như là các phương trình tích phân Phương pháp này dựa trên việc rời rạc hóa miền khảo sát thành các miền con,có hình dạng tùy ý, được liên kết thông qua các nút của phần tử

+ Phương pháp phân tích toán học: Có tính khách quan nhất và kết quả chính xác 100% và thường áp dụng cho các bài toán đơn giản,

mô hình không phức tạp

+ Phương pháp phần tử hữu hạn: Áp dụng các quy luật vật

lý, hàm toán học…vào các phần mềm mô phỏng để tính toán Kết quả tính toán xấp xỉ chính xác, phụ thuộc vào khối lượng tính toán và cách xây dựng mô hình tính trên phần mềm

+ Phương pháp thử nghiệm thực tiễn: Thực hiện bằng các phương pháp đo, thử nghiệm, quan sát Kết quả tính toán xấp xỉ chính xác do các yếu tố chủ quan, cách thử nghiệm, thiết bị đo đạc…