Thiết kế máy đúc ép nhựa có độ chính xác điều khiển cao

Ngược lại với xu thế phát triển trên thế giới thì Việt Nam có một vài nghiên cứu về máy đúc ép nhựa nhưng đa phần là tối ưu các tham số của máy đúc ép nhựa đã có để cải thiện chất lượng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO THANH KHÁNH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÁY ĐÚC ÉP NHỰA

CÓ ĐỘ CHÍNH XÁC ĐIỀU KHIỂN CAO

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG – Năm 2022

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CAO THANH KHÁNH

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ MÁY ĐÚC ÉP NHỰA

CÓ ĐỘ CHÍNH XÁC ĐIỀU KHIỂN CAO

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS Hoàng Văn Thạnh

ĐÀ NẴNG – Năm 2022

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 chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào

khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Cao Thanh Khánh

THIẾT KẾ MÁY ĐÚC ÉP NHỰA CÓ ĐỘ CHÍNH XÁC ĐIỀU KHIỂN CAO

Học viên: Cao Thanh Khánh Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí

Mã số: 8520103 Khóa: 41 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Hiện nay trên thế giới đã nghiên cứu và sản xuất nhiều máy đúc ép nhựa phục

vụ cho ngành công nghiệp nhựa Đa số các nghiên cứu và sản xuất về máy đúc ép nhựa đều tập trung ở các nước có nền công nghiệp phát triển Ngược lại với xu thế phát triển trên thế giới thì Việt Nam có một vài nghiên cứu về máy đúc ép nhựa nhưng đa phần là tối ưu các tham số của máy đúc ép nhựa đã có để cải thiện chất lượng sản phẩm chứ chưa trực tiếp nghiên cứu sản xuất máy đúc ép nhựa Mặt khác, hiện nay các tài liệu nghiên cứu về máy đúc ép nhựa điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực, hoặc kết hợp động cơ servo bơm dầu thủy lực được nghiên cứu chủ yếu, chứ chưa có bất kỳ tài liệu nào nghiên cứu về máy đúc ép nhựa điều khiển hoàn toàn bằng điện (dùng động cơ servo) Luận văn này được đề xuất, nhằm mục đích tạo ra một tài liệu nghiên cứu về máy đúc ép nhựa hoàn toàn bằng điện để phục vụ công việc nghiên cứu và sản xuất các máy đúc ép nhựa có công suất nhỏ để sản xuất các thấu kính quang học được dùng trong lĩnh vực chiếu sáng

Từ khóa – Máy đúc ép nhựa; quang học, nhựa, thiết kế, chế tạo

HIGH CONTROL PRECISION PLASTIC INJECTION MOLDING

MACHINE DESIGN Abstract – Currently, the world has researched and produced many plastic injection

molding machines for the plastic industry Most of the research and production on plastic injection molding machines are concentrated in industrialized countries Contrary to the development trend in the world, Vietnam has a few studies on plastic injection molding machines, but most of them are optimizing the parameters of existing plastic injection molding machines to improve product quality, not directly Research and manufacture plastic injection molding machines On the other hand, at present, the research documents

on plastic injection molding machines controlled entirely by hydraulics , or combined with servo motors with hydraulic oil pumps are mainly studied, but there have not been any research documents on this topic fully electric controlled plastic injection molding machine (servo motor) This thesis is proposed, with the aim of creating a research paper on the all-electric plastic injection molding machine to serve the research and production of small capacity plastic injection molding machines for the production of plastic components Optical glasses are used in the field of lighting

Key words – Plastic injection molding machine; optics; plastic; design; manufacturing

MỤC LỤC

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về công nghệ đúc ép 3

1.1.1 Công nghệ đúc ép 3

1.1.2 Nhu cầu thực tế và hiệu quả kinh tế của công nghệ đúc ép 3

1.1.3 Khả năng công nghệ của công nghệ đúc ép 4

1.2 Giới thiệu về máy đúc ép nhựa 4

1.2.1 Phân loại máy đúc ép nhựa 4

1.2.2 Cấu tạo của máy đúc ép nhựa 4

1.3 Khảo sát về nghiên cứu và sản xuất máy đúc ép nhựa 6

1.3.1 Tình hình nghiên cứu, sản xuất ở trong nước 6

1.3.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất ở nước ngoài 7

1.4 Đặt vấn đề 9

1.5 Cấu trúc của luận văn 10

Chương 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐỘNG 11

2.1 Tổng quan các dạng máy đúc ép trên thị trường 11

2.2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế 11

2.2.1 Phân tích ưu nhược điểm của các phương án 11

2.2.2 Lựa chọn phương án 16

2.2.3 Sơ đồ động học cho toàn máy 16

2.2.4 Ưu, nhược điểm của máy đúc ép nhựa bằng điện 17

2.2.5 Chu trình ép một sản phẩm 18

Chương 3 LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ MÁY ĐÚC ÉP NHỰA 20 3.1 Động cơ Servo 20

3.1.1 Giới thiệu về động cơ Servo 20

3.1.2 Sự khác biệt của động cơ servo so với động cơ thường 20

3.1.3 Cấu tạo động cơ servo 21

3.1.4 Sơ đồ động cơ servo biểu diễn trên Matlab 22

3.2 Bộ truyền đai răng 26

3.2.1 Giới thiệu 26

3.2.2 Các thành phần của đai răng 26

3.3 Bộ truyền vít me bi- đai ốc 27

3.3.1 Giới thiệu 27

3.3.2 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán 28

Chương 4 TÍNH TOÁN KẾT CẤU MÁY 29

4.1 Tính toán hệ thống kẹp 29

4.1.1 Giới thiệu 29

4.1.2 Tổng quan về cơ cấu 30

4.1.3 Mô hình tính toán 34

4.2 Tính toán hệ thống phun 40

4.2.1 Định nghĩa và mối quan hệ giữa các thông số 40

4.2.2 Tính toán cụm phun 42

4.2.3 Tính toán bộ truyền đai răng giữa trục vít và động cơ servo 46

4.2.4 Tính toán hệ dẫn động vít me – đai ốc bi 50

4.2.5 Thiết kế bộ truyền đai giữa bộ truyền vít me-đai ốc bi với động cơ Servo 54

Chương 5 MÔ PHỎNG CỤM MÔ HÌNH ĐỂ XÁC ĐỊNH GIÁ TRỊ ĐIỀU KHIỂN 58

5.1 Mô phỏng đáp ứng cho quá trình phun 58

5.1.1 Thông số đầu vào cho quá trình phun 58

5.1.2 Phần mềm mô phỏng đáp ứng 58

5.2 Phương pháp tính toán cho quá trình mô phỏng 60

5.2.1 Phương pháp tính toán 60

5.2.2 Các giá trị đáp ứng theo tính toán 62

5.3 Chế tạo cụm mô hình 66

5.3.1 Chọn cấu kiện 66

5.3.2 Cách thực hiện thực nghiệm 68

Chương 6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 71

6.1 Thiết kế cụm kẹp 71

6.1.1 Cơ cấu kẹp được thiết kế tối ưu 71

6.1.2 Kiểm tra độ bền của cơ cấu kẹp 75

6.2 Thiết kế cụm phun 78

6.2.1 Lý thuyết so sánh vận tốc phun với máy chuẩn Fanuc 78

6.2.2 Thực nghiệm sai lệch giữa vị trí giữa động cơ servo và động cơ thường79 6.2.3 Thực nghiệm xác định giá trị vận tốc phun so với máy chuẩn Fanuc 82

6.3 Thảo luận 85

6.3.1 Thảo luận về cụm kẹp 85

6.3.2 Thảo luận về cụm phun 85

Chương 7 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 86

7.1 Kết luận 86

7.2 Những vấn đề tồn tại 86

7.3 Hướng phát triển đề tài 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….……… ………87

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1.Áp suất phun của một số loại nhựa 51

Bảng 5.1.Khối lệnh cần thực hiện trong mô phỏng 60

Bảng 6.1.Thông số vị trí đo của động cơ thường và động cơ servo 80

Bảng 6.2.Vận tốc phun khi sử dụng động cơ servo 82

Bảng 6.3.Hệ số ma sát của một số polymer tương ứng 84

DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1.Chu trình công nghệ đúc ép nhựa 3

Hình 1.2.Các thành phần cơ bản của máy đúc ép 5

Hình 1.3.Hệ thống kẹp của máy đúc ép nhựa 5

Hình 1.4.Hệ thống phun của máy đúc ép nhựa 6

Hình 1.5.Cấu trúc của luận văn 10

Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý phương án 1 11

Hình 2.2.Sơ đồ nguyên lý phương án 2 12

Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý phương án 3 13

Hình 2.4.Sơ đồ nguyên lý phương án 4 14

Hình 2.5.Sơ đồ nguyên lý phương án 5 15

Hình 2.6.Sơ đồ động học toàn máy 17

Hình 2.7.Sơ đồ quá trình đúc ép phun 18

Hình 3.1.Cấu trúc điều khiển vòng kín 22

Hình 3.2.Sơ đồ điều khiển vòng kín động cơ servo tổng quát 22

Hình 3.3.Sơ đồ điều khiển vòng kín động cơ servo cụ thể 23

Hình 3.4.Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại đến momen động cơ 23

Hình 3.5.Khối điều khiển động cơ Servo 24

Hình 3.6.Giá trị của đường cong đáp ứng tại các thời điểm khác nhau[11] 25

Hình 3.7.Ảnh hưởng của biến điều khiển đến momen động cơ 25

Hình 3.8.Bộ truyền đai răng [59] 26

Hình 3.9.Lực ở các nhánh dẫn phụ thuộc vào lực căng ban đầu 27

Hình 3.10.Bộ truyền vít me bi – đai ốc[60] 28

Hình 4.1.Cơ cấu kẹp chuyển đổi kép năm điểm của máy ép phun 31

Hình 4.2.Biểu đồ lực của cơ cấu kẹp năm điểm kép 31

Hình 4.3.Sơ đồ tính toán chiều dài các khâu của cơ cấu kẹp 33

Hình 4.4.Thiết kế sơ bộ 3D cho cơ cấu kẹp 34

Hình 4.5.So sánh tốc độ khuôn di động (a) và tỷ lệ khuếch đại tốc độ (b) theo mô hình đề xuất [24] và kỹ thuật mô phỏng hiện tại 35

Hình 4.6.Biểu đồ so sánh lực trục khuỷu (a) và tỷ số khuếch đại lực (b) theo mô hình đề xuất [24] và kỹ thuật mô phỏng 36

Hình 4.7.Biểu đồ lực trên cơ cấu kẹp và trục khuỷu (a) và tỷ lệ khuếch đại lực (b) của thiết kế sơ bộ theo mô phỏng động lực học 36

Hình 4.8.Mô hình kiểm tra hội tụ 39

Hình 4.9.Kết quả của nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước mắt lưới đối với ứng suất 39

Hình 4.10.Sơ đồ động học cụm phun 42

Hình 4.11.Trục vít me – đai ốc bi [54] 50

Hình 4.12.Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax [3] 54

Hình 5.1.Giao diện ứng dụng MATLAB SIMULINK 2017 58

Hình 5.2.Thư viện của ứng dụng MATLAB SIMULINK 59

Hình 5.3.Mô hình tính toán cho quá trình phun 61

Hình 5.4.Mô hình động cơ servo tổng quát trong MATLAB 62

Hình 5.5.Sơ đồ đáp ứng của tốc độ động cơ (rad/s) 63

Hình 5.6.Tốc độ quay của động cơ và của trục vít me bi- đai ốc(rpm) 63

Hình 5.7.Hành trình di chuyển của trục vít(m) 64

Hình 5.8.Lưu lượng phun của trục vít phun (m3/s) 65

Hình 5.9.Thể tích phun của trục vít (cm3) 66

Hình 5.10.Bộ truyền vít me – đai ốc bi[56] 67

Hình 5.11.Encoder xác định số vòng quay[55] 67

Hình 5.12.Thước quang Mitutoyo[57] 68

Hình 5.13.Bộ điều khiển PLC FX1N-60MT-001[58] 68

Hình 5.14.Mô hình thực nghiệm thực tế 69

Hình 5.15.Số liệu máy chuẩn Fanuc từ catalog [61] 70

Hình 5.16.Đồ thị vận tốc phun của máy chuẩn Fanuc [61] 70

Hình 5.17.Tải trọng được đặt trên cơ cấu vít me bi- đai ốc 70

Hình 6.1.Lực tối ưu (a) và tỷ lệ khuếch đại lực (b) của cơ cấu kẹp 72

Hình 6.2.Tỉ lệ khuếch đại tốc độ của khuôn di động 72

Hình 6.3 Hành trình của trục khuỷu của thiết kế sơ bộ và tối ưu 73

Hình 6.4.Giá trị của góc sơ bộ và tối ưu hóa 73

Hình 6.5.Mối quan hệ tỉ số giữa độ khuếch đại lực và các góc ban đầu của các liên kết 74

Hình 6.6.Mối quan hệ giữa các góc và hành trình của khuôn chuyển động 75

Hình 6.7.Mối quan hệ giữa lực kẹp và kích thước chính của cơ cấu kẹp 76

Hình 6.8.Ứng suất trên bộ kẹp ở trạng thái khuôn đóng 76

Hình 6.9.Ứng suất trên thanh dẫn hướng của bộ kẹp ở trạng thái khuôn đóng 77

Hình 6.10.Ứng suất trên các liên kết của bộ kẹp ở trạng thái khuôn đóng 77

Hình 6.11.Ứng suất trên tấm di động của bộ kẹp ở trạng thái khuôn đóng 77

Hình 6.12.Mô hình phản hồi vòng kín để xác định giá trị vận tốc phun 78

Hình 6.13.Tốc độ phun của máy thiết kế 79

Hình 6.14.Chênh lệch vị trí giữa hai loại động cơ 81

Hình 6.15.Vận tốc phun của máy sử dụng động cơ servo 82

Hình 6.16.Vận tốc phun giữa thực nghiệm và lý thuyết 83

Hình 6.17.Ảnh hưởng của hệ số ma sát tĩnh đến tốc độ phun của nhựa 84

(5) Tấm khuôn di động được nối với liên kết BC

IA Chiều dài của phần kết nối giữa liên kết ACD với tấm cố định

𝜶𝟏 Góc giữa AC và trục hoành lúc đóng khuôn

𝜶𝟐 Góc giữa BC và trục hoành lúc đóng khuôn

𝜶𝟑 Góc giữa CD và trục tung lúc đóng khuôn

𝜷 Góc giữa DE và trục tung lúc đóng khuôn

Ký hiệu Định nghĩa

L 2 Chiều dài thay đổi lúc đóng khuôn

T 1 Lực trên liên kết ACD theo hướng AC

T 3 Lực trên liên kết ACD theo hướng CD

K v Tỷ lệ khuếch đại tốc độ (giữa khuôn di động và trục khuỷu)

K vmax Tỷ lệ khuếch đại tốc độ ở mức tối đa cục bộ

K vmin Tỷ lệ khuếch đại tốc độ ở mức tối thiểu cục bộ

K d

Tỷ lệ khuếch đại hành trình (giữa khuôn di động và trục

khuỷu)

K d optimal Tỷ lệ khuếch đại hành trình của thiết kế tối ưu

K d preliminary Tỷ lệ khuếch đại hành trình của thiết kế sơ bộ

là kim loại (hay được gọi là đúc áp lực), thủy tinh, vật liệu đàn hồi, vật liệu pha trộn,

và phổ biến nhất là vật liệu nhựa Vật liệu được cho vào một thùng nóng, trộn đều (sử dụng một hệ thống trục vít) và phun vào khuôn, làm nguội và đông đặc thành hình dạng của lòng khuôn Trong quá trình này không có bất kỳ một phản ứng hóa học nào Cùng với sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của vật liệu nhựa cũng như kỹ thuật ép phun, các trang thiết bị máy móc trong lĩnh vực này cũng ngày càng thêm hiện đại và công suất ngày càng lớn

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, trên thế giới hiện nay có rất nhiều công ty chuyên thiết kế và chế tạo máy ép phun phục vụ cho ngành công nghiệp nhựa Qua tìm hiểu, các công ty chuyên sản xuất và chế tạo máy ép phun chủ yếu tập trung

ở những nước có nền công nghiệp phát triển mạnh như Mỹ, Đức, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc,… với các hãng máy ép phun có tên tuổi nổi tiếng phân bố trên thế giới như Fanuc, Sumitomo, Toshiba, Mitsubishi, Kawaguchi, JSW,… Tuy nhiên, ngược lại với sự phát triển ấy thì ở nước ta chưa có hãng máy ép phun nhựa nào mang thương hiệu xuất xứ từ Việt Nam

Cuối cùng điều quan trọng cần nói đến ở đây là chất lượng sản phẩm nhựa sau khi đúc ép phụ thuộc vào lượng nhựa được cấp vào khuôn, lượng nhựa này với dòng máy hiện nay được điều khiển bởi động cơ thủy lực thông qua trục vitme, gây nên sai số điều khiển do quán tính, độ trễ khi đảo chiều

Vậy việc chọn đề tài “Thiết kế máy đúc ép nhựa có độ chính xác điều khiển cao”

là một đề tài cần thiết nhằm mục đích mang lại hiệu quả kinh tế cao, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phong phú của mỗi người

III Mục tiêu nghiên cứu

Tìm hiểu, thiết kế máy đúc ép nhựa

Kiểm soát quá trình phun của máy đúc ép nhựa

Điều kiển động cơ Servo

Xác định sai lệch điều khiển dẫn đến sai lệch lượng nhựa cấp vào

IV Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

a) Đối tượng nghiên cứu

Nghiên cứu theo máy đúc ép Fanuc – 30 Tấn

b) Phạm vi nghiên cứu

So sánh sai lệch giữa điều khiển bằng động cơ thường và động cơ servo, để xác định sai lệch lượng nhựa cấp vào cho máy

V Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và mô hình thực nghiệm

Công nghệ đúc ép tạo ra mọi sản phẩm theo yêu cầu của thị trường, đồng thời nó cũng có thể tái chế sử dụng nhiều lần, là sản phẩm thân thiện với môi trường

b) Ý nghĩa thực tiễn

Công nghệ đúc ép nhựa sử dụng khuôn mẫu chính xác là cách tốt nhất duy trì các

bộ phận nhựa ép ra có hình dáng, kích thước nguyên mẫu

VII Dự kiến kết quả đạt được

Thiết kế được máy đúc ép nhựa có độ chính xác điều khiển cao bằng cách dùng động cơ servo

Xác định được sai số giữa điều khiển bằng thủy lực và điều khiển bằng động cơ servo, từ đó xác định được lượng nhựa đầu vào

Chương 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về công nghệ đúc ép

1.1.1 Công nghệ đúc ép

Ép phun là công nghệ sản xuất sản phẩm bằng cách phun vật liệu nóng chảy vào khuôn đúc Quá trình ép phun có thể thực hiện được trên nhiều loại vật liệu, phần lớn

là kim loại (hay được gọi là đúc áp lực), thủy tinh, vật liệu đàn hồi, vật liệu pha trộn,

và phổ biến nhất là vật liệu nhựa Vật liệu được cho vào một thùng nóng, trộn đều (sử dụng một hệ thống trục vít) và phun vào khuôn, làm nguội và đông đặc thành hình dạng của lòng khuôn Trong quá trình này không có bất kỳ một phản ứng hóa học nào

Hình 1.1.Chu trình công nghệ đúc ép nhựa

1.1.2 Nhu cầu thực tế và hiệu quả kinh tế của công nghệ đúc ép

Ngày nay, chúng ta có thể dễ dàng thấy rằng xung quanh chúng ta luôn hiện hữu rất nhiều sản phẩm nhựa Bất cứ cá nhân, gia đình, hay một tổ chức bất kỳ nào cũng có

sử dụng sản phẩm từ nhựa Từ các sản phẩm phức tạp như các chi tiết dùng trong xe máy, ôtô và máy bay cho đến những sản phẩm gia dụng hay những dụng cụ học tập như: thước, bút, compa hay đồ chơi trẻ em…đều được làm từ nhựa Các sản phẩm từ nhựa xuất hiện với số lượng mẫu mã, màu sắc, kiểu dáng hết sức đa dạng và phong phú đáp ứng được nhu cầu và sở thích của tất cả mọi người Điều này có nghĩa rằng sản phẩm nhựa đã trở thành một phần quan trọng trong đời sống Vật liệu được sử dụng ngày càng nhiều để thay thế một phần các vật liệu như: sắt thép, nhôm, đồng,

gỗ, đá,… bởi vì nó có rất nhiều ưu điểm như: nhẹ, bền, dẻo dai, có thể tái sử dụng hay tái chế dễ dàng, đồng thời nó không xảy ra phản ứng hóa học khi ở trong môi trường không khí với điều kiện bình thường…Mặt khác, trong bối cảnh sản lượng vật liệu kim

loại hay gỗ ngày càng giảm, ta có thể nói rằng nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa sẽ ngày càng tăng trong tương lai

Tóm lại, sự ra đời của công nghệ đúc ép phun và vật liệu nhựa đã mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phong phú của mỗi người Tuy nhiên, bên cạnh việc thỏa mãn nhu cầu của mỗi người, mỗi cá nhân chúng ta cần sử dụng nhựa một cách hợp lý nhất để tránh những hệ lụy không tốt cho môi trường

1.1.3 Khả năng công nghệ của công nghệ đúc ép

- Tạo ra những sản phẩm đa dạng mẫu mã và hình dáng

- Tạo ra được sản phẩm có hình dáng mặt trong và ngoài phức tạp

- Khả năng tự động hóa, tối ưu tốt

- Sản phẩm sau khi ép phun có độ nhẵn bóng bề mặt cao

- Phù hợp cho sản xuất đơn chiếc và hàng khối

1.2 Giới thiệu về máy đúc ép nhựa

Cùng với sự ra đời và phát triển mạnh mẽ của vật liệu nhựa cũng như kỹ thuật ép phun, các trang thiết bị máy móc trong lĩnh vực này cũng ngày càng thêm hiện đại và công suất ngày càng lớn Một trong những loại thiết bị quan trọng trong ngành nhựa là máy ép phun, nó được sản xuất với số lượng và chủng loại lớn nhằm đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng thiết bị máy móc trong ngành nhựa

1.2.1 Phân loại máy đúc ép nhựa

Có thể phân loại máy đúc ép theo nhiều tiêu chí khác nhau như sau:

- Theo lực kẹp khuôn: Có các loại máy với lực kẹp từ 30 đến 8000 tấn

- Theo trọng lượng sản phẩm một lần phun tối đa

- Theo loại piston hay trục vít

- Theo kiểu trục vít

- Theo loại trục vít nằm ngang hay thẳng đứng

1.2.2 Cấu tạo của máy đúc ép nhựa

Một máy ép phun có các bộ phận cơ bản sau:

- Hệ thống kẹp

- Hệ thống phun

- Hệ thống khuôn

- Hệ thống hỗ trợ ép phun

Hình 1.3.Hệ thống kẹp của máy đúc ép nhựa

Hệ thống phun

Hệ thống khuôn

Hệ thống kẹp

Hệ thống điều khiển

Hệ thống hỗ trợ phun

Tấm cố

định

Tấm di động

kẹp Động cơ

Servo

1.2.2.2 Hệ thống phun

Hệ thống phun làm nhiệm vụ phun nhựa nóng chảy vào khuôn, tạo lực nén, khử

rỗ khí Hệ thống này bao gồm các bộ phận: Phễu cấp liệu, khoang chứa liệu, băng gia nhiệt, trục vít, van một chiều, vòi phun

Hình 1.4.Hệ thống phun của máy đúc ép nhựa

1.3 Khảo sát về nghiên cứu và sản xuất máy đúc ép nhựa

1.3.1 Tình hình nghiên cứu, sản xuất ở trong nước

1.3.1.1 Tình hình nghiên cứu

Có rất nhiều nghiên cứu khoa học trong nước công bố về chế tạo, cải thiện và nâng cấp máy đúc ép phun nhựa, nhưng đa phần các công bố này đều dựa vào tối ưu hoá các thông số của máy đúc ép nhựa đã có để cải thiện chất lượng cho sản phẩm thu được

Bài báo của tác giả TS Trần Đình Sơn – TS Hoàng Văn Thạnh với tiêu

đề “Nghiên cứu công nghệ chế tạo chi tiết quang học bằng quá trình đúc ép

phun” Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng Số: 12(61), quyển 2 Trang:

108 - 113 Năm 2012 [6]

Bài báo của tác giả TS Trần Đình Sơn – TS Hoàng Văn Thạnh với tiêu đề

“Nghiên cứu độ cong vênh của lớp nền đĩa CD & DVD cho quá trình đúc ép phun” Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng Số: 12(85) - 2014 Volume

1 Trang: 78 - 80 Năm 2014 [7]

Bài báo của tác giả TS Trần Đình Sơn – TS Hoàng Văn Thạnh, với tiêu đề

“Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm bằng quá trình đúc ép phun” Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí lần thứ 3 - Nhà

xuất bản khoa học và kỹ thuật Số: ISBN: 978-604-67-0061-6 Trang: 590 - 596 Năm

2013 [8]

Bài báo của TS Trần Đình An – Đại Học Nguyễn Tất Thành, với chủ đề “Các

yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm ép phun nhựa nhiệt dẻo” [9] Bài báo này

nói lên các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng ngoại quan của sản phẩm ép phun nhựa nhiệt dẻo từ khuôn mẫu được thiết kế để ép phun Các thông số vận hành máy ép phun

và kể cả hành động phụ trợ liên quan khác như vật liệu nhiễm bẩn, tỷ lệ nhựa tái sinh

sử dụng, vệ sinh khuôn

Năm 2014, PGS.TS Đặng Xuân Phương – Đại Học Nha Trang, với chủ đề

“General frameworks for optimization of plastic injection molding process parameters” [10] Bài báo nói về khuôn khổ chung để tối ưu hoá quá trình ép nhựa,

hai khuôn khổ chung để tối ưu hóa dựa trên mô phỏng của thông số quá trình ép phun, bao gồm tối ưu hóa trực tiếp và tối ưu hóa mô hình hóa

1.3.1.2 Tình hình sản xuất

Qua tìm hiểu, hiện nay trong nước chưa có bất kỳ một công ty nào sản xuất được máy đúc ép nhựa phục vụ cho sản xuất và xuất khẩu Máy đúc ép phun trong nước đa phần được nhập khẩu từ nước ngoài, các công ty ở Việt Nam nhận thông tin đặt hàng rồi chuyển giao lại cho các công ty chính ở nước ngoài sản xuất

1.3.2 Tình hình nghiên cứu, sản xuất ở nước ngoài

1.3.2.1 Tình hình nghiên cứu

Đối với máy đúc ép nhựa thì hiện nay trên thế giới cũng có nhiều nghiên cứu phục

vụ cho việc nghiên cứu học thuật và sản xuất Hiện tại có 3 loại nghiên cứu về máy đúc ép phun nhựa bao gồm: Máy đúc ép phun hoàn toàn bằng thuỷ lực, máy đúc ép dùng động cơ servo để bơm dầu thuỷ lực và máy đúc ép hoàn toàn bằng điện

Trong báo cáo khoa học của mình năm 2019, các tác giả Chun-Ying Lin, Cheng Shen, Huo-Tsai Wu và Huei-Huang Lee No.1, University Road, Taiwan 70101,

Fang-Taiwan [26] với nội dung “Injection Molding Process Control of Servo-Hydraulic

System” đã nêu ra vấn đề kiểm soát hệ thống servo thuỷ lực trong máy đúc ép nhựa

Đây là một quá trình kiểm soát điểm chuyển mạch V-P của quá trình đúc ép nhựa, đồng thời thấy được ưu điểm của việc dùng động cơ servo để bơm dầu thuỷ lực

Vào năm 2021, các tác giả An Yang, Weigang Guo, Tianlong Han, Congrong Zhao, Hongwei Zhou and Jianping Cai Hangzhou Vocational and Technical College,

Hangzhou 310018, China [27] với tiêu đề “Feedback Control of Injection Rate of the

Injection Molding Machine Based on PID Improved by Unsaturated Intelgral” Bài

báo nói về việc kiểm soát tốc độ phản hồi phun của máy ép phun servo-thuỷ lực dựa trên bộ cải tiến PID bằng tích phân không bão hoà

Năm 2018, các tác giả Shengrui Yu, Lanyu Zeng Jingdezhen Ceramic Institute,

Jingdezhen, China [28] đã nghiên cứu về đề tài “Control Strategy of Screw Motion

During Plasticizing Phase for All-Electric Injection Molding Machine” Bài báo nói

về việc kiểm soát trục vít của máy ép phun hoàn toàn bằng điện, bằng cách thiết lập hai quy trình tiêu chuẩn và không tiêu chuẩn kết hợp với nhau để điều khiển trục vít trong quá trình phun

Bài báo của tác giả Shuangcheng và tác giả Wujun Lai, Branch of Mechanical and Electronic engineering Jiangxi Environmental Engineering Vocational college

Ganzhou, Jiangxi, P.R China, 341000 [29], với tiêu đề “Control system software

design of injection molding machine based on neural network” Bài báo nói về thiết

kế phần mềm điều khiển phun dựa trên mạng nơ ron

Bài báo của tác giả Emlyn Garvey, Moldflow Pty Ltd Australia và của tác giả David Kazmer, University of Massachusetts Amherst, United States of America [30],

với tiêu đề “Application of Matlab to Injection Molding Quality Control” Bài báo nói

về ứng dụng của phần mềm Matlab để kiểm soát chất lượng khuôn ép phun

Bài báo của tác giả Tao Liu, Ke Yao và Furong Gao, IEEE transaction on control

system technology, Vol 17, No 06, November 2009 [31], với tiêu đề “Identification

and Autotuning of Temperature – Control system with application to injection molding” Bài báo nói về việc tự động nhận dạng và điều chỉnh nhiệt độ-hệ thống điều

khiển với ứng dụng cho đúc ép phun nhựa

Bài báo của tác giả Benigno Munoz-Barron, Luis Morales-Velazquez, Rene J Romero-Troncoso, Carlos Rodriguez-Donate, Miguel Trejo-Hernandez, Juan P Benitez-Rangel and Roque A Osornio-Rios, HSPdigital-CA Mecatronica, Facultad de Ingenieria, Universidad Autonoma de Queretaro, Campus San Juan del Rio, Rio Moctezuma 249, Col San Cayetano, 76807 San Juan del Rio, Qro [32], với tiêu đề

“FPGA-Based Multiprocessor System for Injection Molding Control” Bài báo nói về

hệ thống đa xử lý dựa trên FPGA để điều khiển ép phun

Bài báo của tác giả Olga Ogorodnyk, Mats Larsen, Kristian Martinsen,Ole Vidar Lyngstad, Norwegian University of Science and Technology, Dep Manufacturing and Civil Engineering, Teknologivegen 22, 2015 Gjovik, Norway [33], với tiêu đề

“Development of Application Programming Interface Prototype for Injection Molding Machines” Bài báo nói về việc phát triển mẫu giao diện lập trình ứng dụng cho máy

Programming” Bài báo nói về việc phát triển ứng dụng tính toán khuôn phun bằng

cách lập trình visual basic

Bài báo của tác giả Dipl.-Ing C Hostert, Prof Dr.-Ing S Maas, Prof.Dr.-Ing A Zurbes,Université du Luxembourg; Prof Dr.-Ing R.Nordmann, TU-Darmstadt [35],

với tiêu đề “Dynamic Simulation of an Injection Molding Machine” Bài báo nói về

việc mô phỏng động học của máy đúc ép phun

Bài báo của tác giả Noriyuki Akasaka, Department of Control and Information Engineering Kurume National College of Technology 1-1-1 Komorino, Kurume-City,

Fukuoka 830-8555, Japan [36], với tiêu đề “Synchronous Positioning Control in

Pressure Control Among Multi-AC Servomotors in Injection Molding Machine” Bài

báo nói về kiểm soát định vị đồng bộ trong kiểm soát áp suất trong số động cơ Servo motor AC trong máy ép phun nhựa

Bài báo của tác giả Nwadinobi, C.P, Ezeaku, I.I and Ugwu, Department of Mechanical Engineering, Abia State University, Uturu, Abia State, Nigeria [37], với

tiêu đề “Design and Fabrication of Mini-Injection Moulding Machine for Small-to

Medium Scale Plastic Processing” Bài báo nói về thiết kế và chế tạo máy ép phun

mini để chế biến nhựa quy mô vừa và nhỏ

1.4 Đặt vấn đề

Qua quá trình khảo sát trên, tôi nhận thấy rằng hiện nay bên lĩnh vực nghiên cứu máy đúc ép nhựa thì các tác giả chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số hoặc tối ưu các tham số để thu được kết quả sản phẩm tốt nhất trong quá trình đúc ép nhựa Còn bên lĩnh vực sản xuất thì chưa có tài liệu nào hướng dẫn chi tiết để sản xuất máy đúc

ép nhựa, mặc dù trên thế giới đã có nhiều công ty sản xuất máy đúc ép nhựa Đặc biệt với máy đúc ép nhựa hoàn toàn bằng điện (dùng động cơ servo) thì chưa có bất cứ tài liệu hướng dẫn nào về thiết kế và chế tạo máy này Cho nên trong luận văn này tôi

muốn lựa chọn đề tài “Thiết kế máy đúc ép nhựa có độ chính xác điều khiển cao” với

mục đích tạo ra một tài liệu hướng dẫn dùng trong việc học tập và nghiên cứu

1.5 Cấu trúc của luận văn

Cấu trúc của luận văn bao gồm 07 chương, cụ thể mỗi chương như sơ đồ bên

dưới

Hình 1.5.Cấu trúc của luận văn

Chương 01 - Giới thiệu tổng quan

Chương 02 - Lý thuyết liên quan thiết kế máy đúc ép nhựa

Chương 03 – Lựa chọn phương án

và thiết kế sơ đồ động

Chương 04 – Tính toán kết cấu máy

Chương 05 – Mô phỏng cụm mô hình

để đo giá trị điều khiển

Chương 06 – Kết quả và thảo luận

Chương 07 – Kết luận &

Hướng phát triển

Chương 2 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ SƠ ĐỒ ĐỘNG

2.1 Tổng quan các dạng máy đúc ép trên thị trường

Hiện nay, với nhu cầu về mẫu mã cũng như độ phức tạp và tinh xảo ngày càng cao của người dùng đối với các sản phẩm nhựa dẫn đến các trang thiết bị trong ngành nhựa cũng phải hiện đại và đa dạng về mẫu mã cũng như chức năng Theo tìm hiểu, trên thị trường máy ép phun trong ngành nhựa hiện tại có nhiều mẫu mã cũng như những khả năng công nghệ đặc thù riêng, các dạng máy này đều hoạt động bằng hệ thống thủy lực, động cơ servo, hoặc kết hợp cả thủy lực và động cơ servo Tóm lại, ta

có thể chia máy ép phun vào hai nhóm lớn là: Máy đúc ép phun điều kiển bằng thủy lực và máy đúc ép phun điều khiển bằng điện

Máy đúc ép phun bằng thủy lực: Là loại máy đúc ép nhựa hoạt động dựa trên hệ thống thủy lực, tạo ra các chuyển động mở, đóng khuôn, ép phun,…Hệ thống này bao gồm: Bơm, van, motor, đường ống dẫn và thùng chứa dầu…Dòng máy này có tốc độ đóng khuôn khá nhanh, giá thành rẻ Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động máy gây ồn

và độ chính xác không quá cao

Máy ép phun bằng điện: Là dòng máy đúc ép nhựa có các chuyển động do động

cơ servo tạo ra Dòng máy này khá tiết kiệm điện năng tiêu thụ, trọng lượng nó thường nhỏ hơn máy đúc ép phun bằng thủy lực cùng kích cỡ và tính năng Tuy nhiên, giá cả của máy ép phun bằng điện cao hơn so với máy ép thủy lực

2.2 Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế

2.2.1 Phân tích ưu nhược điểm của các phương án

Các phương án thiết kế được đưa ra đều dựa trên những chỉ tiêu sau: Giá thành chế tạo, khả năng vận hành, khả năng bảo trì,…

2.2.1.1 Phương án 1

Hình 2.1.Sơ đồ nguyên lý phương án 1

Phương án này cho thấy máy hoạt động chủ yếu dựa vào hệ thống thủy lực Các chuyển động đóng mở khuôn do xy lanh thủy lực cung cấp, thông qua hệ trục thanh truyền để khuếch đại lực Hệ thống phun chỉ sử dụng xy lanh, không có trục vít dẫn nhựa di chuyển dọc xy lanh

Hệ thống sử dụng một bộ nguồn thủy lực để cung cấp cho toàn bộ máy

Đây là thiết bị đúc ép phun đơn giản, xong độ chính xác của nó thấp, ít được sử dụng ngày nay

Ưu điểm của phương án này đó là:

+ Giá thành rẻ

+ Kết cấu đơn giản

+ Dùng để ép sản phẩm nhỏ

+ Áp suất làm việc thấp nên có thể sử dụng bộ nguồn thủy lực nhỏ

Nhược điểm của phương án này đó là:

+ Lượng nhựa phun nhỏ

+ Khả năng khuấy trộn kém, nhiệt độ nóng không đều

+ Thời gian một chu trình lớn

+ Khó gia công các sản phẩm có kích thước lớn

+ Máy hoạt động kém ổn định và cần bảo trì thường xuyên

2.2.1.2 Phương án 2

Hình 2.2.Sơ đồ nguyên lý phương án 2

Nguyên lý hoạt động của phương án này cũng dựa trên một nguồn thủy lực cung cấp cho toàn bộ hệ thống Cụm ép phun được được bố trí xy lanh để tạo lực ép phun

và động cơ thủy lực để quay trục vít Cơ cấu kẹp khuôn ở phương án này là cơ cấu xy

lanh – piston trực tiếp, không thông qua hệ khuếch đại lực nên đòi hỏi xy lanh phải lớn hoặc nhiều xy lanh

Ưu điểm của phương án này đó là:

+ Hiệu suất tốt do lực kẹp khuôn ở giữa

Nhược điểm của phương án này đó là:

+ Kết cấu máy lớn, khối lượng máy lớn

+ Giá thành cao

+ Làm việc ở nhiệt độ cao thì máy sẽ chạy không ổn định

+ Cần lượng lớn dầu thủy lực

2.2.1.3 Phương án 3

Hình 2.3.Sơ đồ nguyên lý phương án 3

Trong phương án này, máy hoạt động tương tự như phương án 2, ngoài ra ở cụm kẹp khuôn được bố trí hệ thống thanh truyền để khuếch đại lực tạo ra

Hệ thống thủy lực cung cấp dầu thủy lực để đẩy các xy lanh và làm quay trục vít máy đúc ép nhựa Trục vít quay đẩy nhựa di chuyển dọc trong cảo trục vít và đồng thời giúp trộn liệu đều hơn

Ưu điểm của phương án này đó là:

+ Nhựa được trộn đều và nóng chảy đều

+ Lực kẹp khuôn có thể tạo ra được là rất lớn

+ Giá thành ở mức trung bình

+ Di chuyển cơ cấu kìm nhanh

+ Áp lực hệ thủy lực không quá lớn

+ Cơ cấu kẹp khuôn có tính tự hãm tốt

Nhược điểm của phương án này đó là:

+ Yêu cầu bảo dưỡng định kỳ

+ Quá trình làm việc gây ra tiếng ồn

+ Lực kẹp khuôn không tập trung chính giữa khuôn

+ Khó điều chỉnh theo độ dày khuôn

+ Độ chính xác không quá cao

2.2.1.4 Phương án 4

Hình 2.4.Sơ đồ nguyên lý phương án 4

Phương án này sử dụng hai bộ nguồn thủy lực truyền năng lượng dầu cho hệ thống máy Một bộ nguồn cung cấp dầu cho cơ cấu ép phun, nguồn còn lại tác động vào cơ cấu kẹp khuôn

Các chuyển động của các thành phần trong máy được tạo ra tương tự ở phương án

số 3

Ưu điểm của phương án này đó là:

+ Lực kẹp khuôn lớn

+ Hiệu suất cao

+ Di chuyển cơ cấu kìm nhanh

+ Cơ cấu kẹp khuôn có tính tự hãm tốt nên giữ khuôn kẹp ổn định

Nhược điểm của phương án này đó là:

+ Chi phí, giá thành cao

+ Xây dựng hệ thống điều khiển phức tạp và khó

+ Bảo dưỡng định kỳ thường xuyên

+ Cần một lượng dầu rất lớn

+ Làm việc ồn ào vì máy bơm phải luôn hoạt động với năng suất tối đa

+ Tiêu tốn nhiều điện năng

2.2.1.5 Phương án 5

Hình 2.5.Sơ đồ nguyên lý phương án 5

Trong phương án này, máy được sử dụng động cơ servo để truyền năng lượng cho

bộ truyền vít me bi – đai ốc, thông qua bộ khuếch đại lực để tạo ra lực kẹp

Đồng thời cũng dùng hai động cơ servo cho cụm phun của máy, một động cơ servo quay để thực hiện việc cấp liệu, một động cơ thực hiện đẩy cả cụm phun tịnh tiến về trước để thực hiện quá trình phun

Ưu điểm của phương án này đó là:

+ Lực kẹp khuôn lớn

+ Hiệu suất cao

+ Di chuyển cơ cấu kìm nhanh

+ Cơ cấu kẹp khuôn có tính tự hãm tốt nên giữ khuôn kẹp ổn định

+ Độ chính xác trong quá trình phun cao

Nhược điểm của phương án này là:

+ Kết cấu phức tạp và kích thước lớn

+ Xây dựng hệ thống điều khiển phức tạp và khó

+ Lực kẹp không tập trung ở giữa dẫn đến tấm đỡ khuôn bị võng

+ Bảo dưỡng định kỳ thường xuyên

2.2.2 Lựa chọn phương án

Dựa trên các tiêu chí về độ chính xác điều khiển, tiết kiệm điện năng tiêu thụ, trọng lượng máy nhỏ gọn nên chọn phương án số 5 làm phương án để thiết kế và chế tạo máy đúc ép phun Phương án này có chi phí chế tạo không quá cao nhưng lại đảm bảo được độ chính xác trong quá trình phun

2.2.3 Sơ đồ động học cho toàn máy

Như đã nói ở trên, đề tài lựa chọn máy đúc ép phun điều kiển bằng động cơ servo

Ở máy đúc ép phun này sẽ bao gồm hai phần điều khiển chính, đó là điều khiển cho cụm kẹp và điều khiển cho cụm phun Ngoài ra, có thể dùng động cơ servo cho cụm đẩy chi tiết sản phẩm

Ở cụm phun sẽ có 2 động cơ servo điều khiển, một động cơ điều khiển trục vít quay để cấp liệu, một động cơ dùng để đẩy toàn bộ cụm phun về phía trước để phun nhựa và khuôn

Ở cụm kẹp sẽ dùng một động cơ servo để thực hiện quá trình đóng mở khuôn thông qua cơ cấu vít me – đai ốc, có thể dùng thêm một động cơ servo cho quá trình đẩy sản phẩm ra khỏi khuôn

Hình 2.6.Sơ đồ động học toàn máy

1: Cơ cấu bánh răng hành tinh

2: Cơ cấu kẹp khuôn

3: Hệ thống khuôn

4: Hệ thống trục vít – nòng cảo

5: Động cơ servo nạp nhựa

6: Động cơ servo ép phun 7: Động cơ di chuyển cụm phun 8: Cơ cấu đẩy sản phẩm

9: Động cơ servo cơ cấu kẹp 10: Driver servo

2.2.4 Ưu, nhược điểm của máy đúc ép nhựa bằng điện

Để nói về ưu nhược điểm của máy đúc ép nhựa bằng điện, ta so sánh với máy đúc

ép nhựa bằng thủy lực về các phương diện sau

Về điện năng tiêu thụ: Máy đúc ép nhựa bằng điện tiết kiệm được 20 – 40% điện năng tiêu thụ so với máy ép nhựa thủy lực Điều này cũng dể hiểu vì máy đúc ép nhựa bằng thủy lực sử dụng hệ thống thủy lực bao gồm các bơm, động cơ để tái chế dầu thủy lực cung cấp cho cả hệ thống ngay cả khi không có nhu cầu Còn máy đúc ép nhựa điều khiển bằng động cơ servo thì chỉ hoạt động và phát sinh hao phí điện năng khi cần đóng,

mở khuôn, di chuyển trục vít,…

Về năng suất làm việc: Máy đúc ép nhựa thủy lực có tốc độ đóng mở khuôn nhanh hơn so với máy đúc ép nhựa điện do hiệu suất của loại động cơ này tại thời điểm hiện tại có tốc độ thấp hơn Đây cũng là một nhược điểm của động cơ điện vì nếu việc đóng

mở mất quá nhiều thời gian sẽ ảnh hưởng đến chu kỳ ép phun Tuy nhiên, nếu những sản phẩm cần nhiều thời gian làm lạnh thì có vẻ sử dụng máy ép phun nhựa bằng điện

Servo 2 Servo 3

8 9

1

10

là một lợi thế Bên cạnh đó, do sử dụng động cơ servo để mở - đóng khuôn và di chuyển trục vít nên khoảng cách di chuyển rất chính xác và an toàn

Về trọng lượng máy: Một lợi thế lớn của máy đúc ép nhựa bằng điện là không

có các bơm thủy lực, các motor bơm, van, đường ống nên nó nhẹ hơn và gọn gàng hơn nhiều so với máy đúc ép bằng thủy lực

Về giá cả: Máy ép nhựa bằng điện là công nghệ tương đối mới, do đó chi phí để

sở hữu loại máy này cũng lớn hơn nhiều so với máy đúc ép nhựa bằng thủy lực

2.2.5 Chu trình ép một sản phẩm

Hình 2.7.Sơ đồ quá trình đúc ép phun

Trong sơ đồ trên nếu kiểm tra chất lượng sản phẩm không đạt thì có thể xử lý phế liệu trở về nguyên liệu ban đầu Điều đáng chú ý ở đây là sản phẩm nhựa đã qua một lần xử lý nhiệt nên phế liệu có thể tái chế được hay không là phụ thuộc vào vật liệu

sử dụng Hiện nay có bảy loại nhựa có thể tái chế được như sau

- Nhựa PETE hoặc PET (Polyethylene Terephthalete): Nhựa này rất an toàn để đựng các loại thực phẩm và có thể tái chế

- Nhựa HDPE (High Density Polyethylene): Nhựa này bề mặt trơn tru, khó tích

tụ vi khuẩn , an toàn với thực phẩm

- Nhựa V hoặc PVC (Vinyl): Nhựa này có giá thành rẻ, độ dẻo cao, nhưng chứa một số chất độc như Phthalat, DEHA có thể gây ảnh hưởng đến sức khỏe

- Nhựa LDPE (Low Desnsity Polyethylene): Nhựa này dùng để sản xuất các loại túi, các loại chai,…

- Nhựa PP (Polypropylene): Đây là loại nhựa được xem thân thiện với con người

Chương 3 LÝ THUYẾT LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ MÁY ĐÚC ÉP NHỰA

3.1 Động cơ Servo

3.1.1 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

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thước, được sử dụng trong nhiều máy móc khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng tay cho đến các mô hình máy bay và xe hơi Hiện nay ứng dụng nhiều nhất của động cơ servo là trong các robot

3.1.2 Sự khác biệt của động cơ servo so với động cơ thường

Về kết cấu và hoạt động của động cơ servo cơ bản giống với các loại động cơ thường khác Nhưng nó được thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần

số cao kiểm soát tốc độ và vị trí của các phương tiện cơ khí

Không phải bất kỳ động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ servo Động cơ servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ Chính vì thế

nó phải được thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển Về cơ bản thì một động cơ servo và một động cơ bình thường giống nhau về mặt cấu tạo và nguyên lý hoạt động (cũng có phần cảm, phần ứng, khe hở từ thông, cách đấu dây,…) Tuy nhiên, tùy theo nhu cầu điều khiển mà động cơ servo có một số cải tiến hơn so với động cơ thường Dưới đây là những nét đặc trưng của động cơ servo

3.1.2.1 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 Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặc đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất

3.1.2.2 Tăng khả năng đáp ứng

Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc cần phải “mềm”, nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số Một số động cơ như trong thang máy hay trong một số băng chuyền đòi hỏi phải đáp ứng tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính Để làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu

3.1.2.3 Mở rộng vùng điều khiển

Một số yêu cầu trong điều khiển, cần điều khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn định mức rất nhiều Động cơ bình thường chỉ cho phép điện áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của động cơ và thông thường không quá lớn so với điện áp định mức

Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế đặc biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bão hòa mạch từ trong động cơ

3.1.2.4 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 Như ta đã biết không có mạch điện hoàn hảo, không có từ trường hoàn hảo trong thực tế Chính vì thế một động cơ quay 1750 rpm không có nghĩa là nó luôn quay ở 1750 rpm, mà nó chỉ dao động quanh giá trị này

Động cơ servo khác biệt với động cơ thường là ở chỗ độ ổn định tốc độ khá cao Các động cơ loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ chính xác (như robot)

3.1.3 Cấu tạo động cơ servo

Cấu tạo cơ bản của động cơ servo gồm:

- Nam châm vĩnh cữu

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

Cấu trúc chung của hệ điều khiển vòng kín như sau

Hình 3.1.Cấu trúc điều khiển vòng kín

Trong đó:

Plant là hệ thống cần được điều khiển

Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống

3.1.4 Sơ đồ động cơ servo biểu diễn trên Matlab

Động cơ servo được biểu diễn trên Matlab bao gồm 3 khối:

Khối giảm nhiễu Gd: Trong thực tế có rất nhiều các thiết bị hoạt động sinh ra

từ trường lớn Chúng sẽ tạo ra một sóng hồi trả về lưới nên dể gây nhiễu cho động

cơ Vì vậy trong động cơ servo cần có khối giảm nhiễu này để điều chỉnh tác nhân gây nhiễu từ bên ngoài

Khối khuếch đại Gc: Biểu thị mức tín hiệu đầu ra của momen

Khối điều khiển Gp: Đây là khối nhận tín hiệu xung và điều khiển tốc độ quay của động cơ theo xung đã cài đặt thông qua encoder

Hình 3.2.Sơ đồ điều khiển vòng kín động cơ servo tổng quát

Hình 3.3.Sơ đồ điều khiển vòng kín động cơ servo cụ thể 3.1.4.1 Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại đến động cơ servo

Độ khuếch đại là hệ số đánh giá định lượng khả năng về tác động tăng công suất hoặc biên độ của tín hiệu từ ngõ vào đến ngõ ra Lần lượt thay đổi giá trị của

hệ số khuếch đại Gc từ 1 đến 3 thì ta có đồ thị như sau

Hình 3.4.Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại đến momen động cơ

Từ đồ thị trên, nhận thấy rằng hệ số khuếch đại càng lớn thì thời gian đáp ứng càng nhanh Theo tìm hiểu [11], tồn tại một giá trị của hệ số khuếch đại là hệ số khuếch đại giới hạn (Kgh) Nếu tăng hệ số khuếch đại K vượt quá Kgh thì sẽ làm mất ổn định của hệ thống

3.1.4.2 Ảnh hưởng của khối điều khiển đến động cơ servo

Khối điều khiển là một hệ thống bậc nhất Về mặt vật lý, hệ thống này đại diện cho một mạch RC

Hình 3.5.Khối điều khiển động cơ Servo

Nó có mối quan hệ đầu ra và đầu vào được cho bởi công thức:

T

C s

s T

Hình 3.6.Giá trị của đường cong đáp ứng tại các thời điểm khác nhau[11]

Lần lượt thay đổi giá trị điều khiển ở toán tử Laplace, giữ nguyên hệ số khuếch đại

và khối giảm nhiễu thì ta có sơ đồ đáp ứng sau:

Hình 3.7.Ảnh hưởng của biến điều khiển đến momen động cơ

Qua đồ thị có nhận xét rằng, giá trị biến điều khiển càng tăng thì quá trình đáp ứng của động cơ càng chậm

3.2 Bộ truyền đai răng

3.2.1 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

Hình 3.8.Bộ truyền đai răng [59]

Bộ truyền đai răng có các răng tương tự bánh răng, ăn khớp vào các rãnh tương ứng trong pulley Khác với hầu hết các đai khác, loại đai này không truyền động thông qua lực kéo dựa trên chiều dày, thay vào đó, đai có cấu trúc bản mỏng, khả năng truyền động là từ các dây cáp thép và các răng có độ dai cao

3.2.2 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

- Các dây cáp thép

- Các răng neoprene với lớp mặt là nylon

Hình 3.9.Lực ở các nhánh dẫn phụ thuộc vào lực căng ban đầu

Trong đó:

Flkb là lực kéo nhánh bị dẫn

Flkd là lực kéo nhánh dẫn

Fwlkd là lực động học nhánh dẫn

Fs là lực kéo dây đai

Fv là lực căng ban đầu

3.3 Bộ truyền vít me bi- đai ốc

3.3.1 Giới thiệu

Truyền động vít me bi – đai ốc là loại truyền động biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến và ngược lại, thường dùng nhất là biến chuyển động quay của trục vitme thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc Loại truyền động này khác với truyền động vít đai ốc ở chỗ có thêm các con lăn là các bi cầu

0 20

Hình 3.10.Bộ truyền vít me bi – đai ốc[60]

3.3.2 Các dạng hỏng và chỉ tiêu tính toán

Trong truyền động vitme –bi, khi làm việc thường gặp một số dạng hỏng sau:

- Biến dạng dư bề mặt làm việc: Do chịu tải trọng va đập hoặc tải trọng tĩnh quá lớn

- Tróc vì mỏi bề mặt làm việc: Do chịu ứng suất tiếp xúc thay đổi, khi số chu

kỳ thay đổi ứng suất đạt tới giá trị đủ lớn, trên bề mặt tiếp xúc (của bi hoặc rãnh lăn trên trục vít và đai ốc) sinh ra những vết nứt rồi phát triển thành tróc

- Mòn rãnh vít và bi: Xảy ra nhiều khi bề mặt làm việc không được bôi trơn và không được giữ sạch

- Vỡ con lăn (là các viên bi): Xảy ra khi bị quá tải do va đập, chấn động

- Trục vitme bị mất ổn định: Xảy ra đối với các trục vít dài, dẫn đến trục vít me

bị uốn làm ảnh hưởng xấu đến sự tiếp xúc của bi và các rãnh lăn

- Biến dạng xoắn hoặc kéo/nén khi chịu tải lớn

Với các dạng hỏng như trên thì để bộ truyền động vitme bi-đai ốc được thiết kế đảm bảo độ bền, ổn định và tuổi thọ cần tính toán về:

- Tính theo khả năng tải động: Nhằm ngăn ngừa các dạng hỏng bề mặt như tróc và mòn

- Độ ổn định: Đề phòng trục mất ổn định gây uốn trục vitme

- Theo khả năng tải tĩnh: Đề phòng biến dạng của con lăn và rãnh lăn