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 tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG 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 Đ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG 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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2019

Công trình được hoàn thành tại:

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:

1- PGS.TS Lê Giang Nam 2- TS Bùi quí Lực

Phản biện 1: GS.TSKH.Phạm Văn Lang

Phản biện 2: PGS.TS Tăng Huy

Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Văn Dự

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến

sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội

2 Thư viện Quốc gia Việt Nam

1

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay để nâng cao năng xuất, chất lượng trong các nhà máy, các công đoạn như sản xuất, lắp ráp, kiểm tra phải được tự động hóa cao Để đáp ứng được các nhu cầu về tự động hóa của các khâu trong sản xuất thì một thiết bị không thể thiếu đó là cấp phôi tự động Tuy nhiên các thiết bị cấp phôi thông thường như băng tải, hay robot chỉ thích hợp với các loại phôi có khối lượng

và kích thước lớn Đối với loại phôi rời rạc có kích thước và khối lượng nhỏ cần cấp đúng hướng và phù hợp nhịp cấp với công đoạn tiếp theo của quá trình công nghệ thì băng tải không là phương án phù hợp Trong khi robot hoàn toàn có thể làm được điều này nhưng suất đầu tư ban đầu cao và chi phí lập trình vận hành khi thay đổi đối tượng cao Để giải quyết vấn đề đó người ta đưa ra phương pháp cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Thiết bị cấp phôi theo nguyên lý rung động là một hệ thống được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống, dược phẩm hay các dây chuyền sản xuất lắp ráp Điểm mạnh của thiết bị này là việc điều hướng, phối liệu đúng nhịp, đơn giản và chính xác hơn hẳn các hệ thống truyền dẫn khác Hệ thống cấp phôi này hoạt động tốt nhất ở trạng thái cộng hưởng và kết cấu điều hướng thích hợp cho từng chủng loại phôi khác nhau Việc tính toán thiết kế để chủ động cộng hưởng và chế tạo thiết bị đúng ngay từ lần đầu tiên

là một yêu cầu cấp bách

Những đặc điểm nêu trên là định hướng 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 ưu hóa kết cấu điều hướng trong

hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Các thông số động lực học, kết cấu ảnh hưởng đến năng suất cấp phôi

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán hệ thống cấp phôi

tự động dạng xoắn vít theo nguyên lý rung động

- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm để mô phỏng số hoạt động hệ thống Khảo sát động lực học và tối ưu một số thông số của phễu rung dạng xoắn vít

- Nghiên cứu chế tạo thiết bị thực nghiệm nhằm đánh giá và kiểm chứng mô phỏng số

- Khảo sát động lực học và tối ưu hóa kết cấu điều hướng của hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

5 Nội dung nghiên cứu

- Nghiên cứu tổng quan về hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

- Mô hình hóa, kiểm tra và xác nhận mô phỏng số hệ thống thực nghiệm

- Khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong

hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

6 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết về hệ

thống cấp phôi tự động dạng phễu rung Các thông số động lực học và kết cấu ảnh hưởng đến năng suất cấp phôi, từ đó xác định được mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu mô phỏng: Dựa vào kết quả tính toán thiết

kế hệ thống mô hình hóa và mô phỏng Mô hình mô phỏng được kiểm tra và xác nhận thông qua các dữ liệu thực nghiệm Sử dụng phần mềm mô phỏng động lực học đa vật thể với mô hình số đã

3

xác nhận để đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số động lực học

và kết cấu tới năng suất cấp phôi cũng như xác định tần số dao

động riêng để phục vụ cho thiết kế chủ động cộng hưởng

- Nghiên cứu thực nghiệm: Xác định thuộc tính của phôi

cần cấp và xây dựng dữ liệu quan hệ giữa vận tốc, góc xoay, chuyển vị theo phương đứng với điện áp và chế độ cộng hưởng

của cơ hệ tương ứng với tần số của điện áp đầu vào

- Nghiên cứu tối ƣu: Sử dụng mô hình số đánh giá sự ảnh

hưởng của tần số, biên độ, góc xoay, góc nghiêng rãnh xoắn, hình dáng và thứ tự đến năng suất cấp phôi Tối ưu hóa giá trị góc nghiêng rãnh xoắn và thứ tự kênh phân loại đến năng suất cấp

phôi trong nguyên tắc làm việc chủ động công hưởng

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

a Ý nghĩa khoa học

1 Chỉ ra được bản chất động lực học của quá trình cấp phôi từ

đó chỉ ra đặc điểm của thông số động lực học, kết cấu và ảnh hưởng của nó đến năng suất cấp phôi

2 Bằng lý thuyết và thực nghiệm đã xây dựng được mối quan

hệ giữa một số yếu tố công nghệ : điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn

và vận tốc (năng suất) cấp phôi đồng thời đã xác định được vận tốc cấp phôi lớn nhất khi góc nghiêng  = 1.2560, tại mức điện áp 170V

3 Bằng mô phỏng số đã tối ưu hóa hệ thống bẫy điều hướng

để có năng suất cao nhất cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

b Ý nghĩa thực tiễn

1 Việc áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất giúp giảm thời gian thiết kế, giảm chi phí chế tạo và nâng cao hiệu quả kinh tế trong việc thương mại hóa các hệ thống cấp phôi theo nguyên lý kích rung

- 2 Kết quả của luận án còn để tham khảo trong việc đào tạo cán bộ thiết kế, kỹ thuật, học viên cao học, nghiên cứu sinh của ngành kỹ thuật Cơ khí và Cơ điện tử

8 Những điểm mới của đề tài

1 Đưa ra một quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng

2 Đưa ra mô hình thiết bị trong môi trường số nhằm thử nghiệm, xác nhận tứng xử của phôi và kết cấu phễu rung cấp phôi

3 Áp dụng mô phỏng số để tối ưu hóa quá trình cấp phôi nhằm giảm thời gian thực nghiệm cấp nắp chai vaccien trên máng dẫn hướng

4 Đã xây dựng được phương trình hàm hồi quy thực nghiệm

về mối quan giữa điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn và vận tốc (năng suất) cấp phôi Đồng thời đã xác định được vận tốc cấp phôi lớn nhất khi góc nghiêng  thay đổi từ 1.10 đến 4,50, điện áp Y thay đổi từ 100V đến 170V

5 Bằng mô phỏng số đã tối ưu hóa hệ thống bẫy điều hướng

để có năng suất cao nhất cho quá trình cấp nắp chai vaccien bằng cao su trên thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

9 Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm 142 trang với 29 bảng biểu số liệu, 126 hình ảnh và sơ đồ, gần 80 tài liệu tham khảo Kết cấu bao gồm: mở đầu

06 trang, tổng quan 22 trang, cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế

hệ thống 27 trang, mô hình hóa, kiểm tra xác nhận và mô phỏng số

hệ thống 30 trang, khảo sát động lực học và tối ưu hóa kết cấu điều hướng 21 trang, kết luận và đề xuất 02 trang, tài liệu tham khảo 07 trang, phụ lục 17 trang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ

ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG

Trong chương này tập trung tập trung xem xét, đánh giá các công bố về cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động liên quan đến các nội dung sau:

1 Xu hương nghiên cứu về cấp phôi tự động

2 Các phương pháp sử dụng khi nghiên cứu

3 Ảnh hưởng của các thông số động lực học và kết cấu đến vận tốc và định hướng của phôi trên máng dẫn

Kết luận chương 1

1 Thiết bị cấp phôi theo nguyên lý rung động đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp cả trong và ngoài nước phục vụ cho việc cấp các chi tiết rời rạc

2 Các công trình khoa học trong và ngoài nước thời gian gần đây

đã chỉ ra năng suất cấp phôi phụ thuộc và các yếu tố động lực học

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT

KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ

RUNG ĐỘNG 2.1 Cơ sở lý thuyết

Trong hệ thống này (hình 2.1) thùng phân loại (phễu rung) được gắn lên đế trên Đế trên được lắp lên 3 lò xo lá để tạo rung động, nó thực hiện các chuyển xoay xung quanh trục thẳng đứng

và chuyển động vặn đi vặn khứ hồi nhờ đó mà phôi di chuyển theo máng dẫn Khi phôi di chuyển trên máng dẫn sẽ có trạng thái trượt hoặc nhảy tùy thuộc vào biên độ dao động và góc nghiêng α của các chân Phôi từ thùng phân loại được di chuyển tới vị trí yêu cầu Để cấp phôi đúng nhịp, trên máng dẫn thường được lắp các

cơ cấu định hướng và ngắt phôi Nếu trên máng đã đầy phôi do lực cản các phôi sẽ trượt tương đối trên máng hoặc rơi lại thùng chứa Trong quá trình phân tích trạng thái của phôi trên máng, biên

độ dao động tăng dần từ 0 Khi tần số nhỏ phôi gần như không di chuyển trên máng dẫn do lực quán tính của phôi nhỏ hơn lực ma sát Trên hình 2.5 ta thấy rằng lực quán tính lớn nhất tác dụng lên phôi khi máng dẫn đạt vị trí giới hạn Lực này được chia làm hai thành phần song song và pháp tuyến lần lượt là: mp.a0.2cosψ và

Điều kiện để phôi trượt lên trên là:

mp .a0 .2 .cosψ > mp .a0 .g sinθ + F (2.1)

Trong đó: F = μs.N = μs.[ mp.g.cosθ - mp .a0.2 .sinψ) (2.2)

Với μs là hệ số ma sát tĩnh giữa phôi và máng dẫn

Từ phương trình (2.1) và (2.2) điều kiện để phôi đi lên là:

An là gia tốc pháp tuyến của máng dẫn ( sinψ),

gn gia tốc trọng trường theo phương pháp tuyến (gn=g.cosθ) và g = 9.81m/s2 gia tốc trọng trường Vậy ta có:

2.2 Định hướng và phân loại phôi

Giới thiệu các loại phôi cơ bản, cách định hướng và phân loại ứng với từng loại phôi đó

7

2.3 Phân loại phễu rung

Giới thiệu các loại phễu rung hiện có bao gồm cấu tạo, hình dạng, vật liệu và các kích thước cơ bản

2.4 Tính toán thiết kế hệ thống

2.4.1 Tính toán thiết kế các thông số chính

Với chi tiết cần cấp là nắp chai vaccine như hình 2.16 năng suất 120 chiếc/phút Định hướng theo yêu cầu Kết quả tính toán như sau:

Bảng 2 1 Bảng thông của phễu rung cấp phôi

2.4.2 Thiết kế kênh phân loại cho nắp chai vaccine

a Đối tượng phân loại

Đối tượng nắp chai vaccine có kích thước, hình dạng và trạng thái phôi yêu cầu đầu ra (nằm ngửa) như hình 2.16

Hình 2 16 Hình dạng và kích thước của nắp chai vaccine

b Lựa chọn kênh phân loại

Đối tượng nắp chai vaccine là dạng chi tiết tròn xoay trụ bậc

và miệng vành khăn thuộc nhóm chi tiết loại II có l/d<1 nên được định hướng theo 2 cấp[3][19] Theo nghiên cứu đã công bố trước đây[4] đã đưa ra hệ thống kênh phân loại cho một số chi tiết tương đồng với hình dáng nắp chai vaccine như trên hình 2.22 Cả hai hệ thống kênh phân loại đều sử dụng thanh gạt làm cấp 1 để tách

được nhiều trạng thái phôi đầu vào và sử dụng các bẫy để định hướng các trạng thái phôi còn lại (thường là hai) để đưa ra định hướng phôi yêu cầu Với cơ cấu hình 2.22a, bẫy có hình dạng chữ

M để cho phép phôi ngửa đi qua và loại bỏ phôi nằm úp dạng vành khăn

Hình 2 22 Hệ thống kênh phân loại cho chi tiết dạng (a) vành khăn và (b) trụ

bậc đặc

Cơ cấu hình 2.22b, bẫy gồm vách ngăn, vùng dẫn hướng nhỏ

để trọng tâm phôi nằm úp bên ngoài vùng dẫn hướng và bị loại bỏ; khi này chỉ còn phôi dạng ngửa được định hướng Với chi tiết nắp chai vaccine, định hướng yêu cầu dạng ngửa, có dạng tiếp xúc là đường nên kết hợp tính năng của hai hệ thống kênh phân loại trên thì cấu hình hệ thống kênh phân loại gồm: cấp 1- thanh gạt với nhiệm vụ tách phôi, cấp 2 gồm bẫy (hình 2.22a) và vách ngăn (hình 2.22b) để định hướng trạng thái phôi yêu cầu Cấu hình lựa chọn cho kênh phân loại được thể hiện trên hình 2.23:

Hình 2 23 Cấu hình hệ thống kênh phân loại cho nắp chai vaccien

Kết luận chương 2

1 Nghiên cứu lý thuyết động lực học của phôi cho biết được các lực tác động lên phôi nằm và di chuyển trên đường dẫn hướng Nhờ các lực tác động đó phôi sẽ có trạng thái trượt và nhảy khi di chuyển trên máng dẫn Đồng thời cũng chỉ rõ điều kiện để phôi có thể di chuyển đi lên và đi đúng hướng

9

2 Năng suất cấp phôi, thể hiện qua số lượng phôi đúng ra hướng cấp được phụ thuộc vào góc nghiêng rãnh xoắn, tần số rung, biên độ dao động, hệ số ma sát giữa phôi và kênh dẫn, kết cấu và cấu hình hệ thống bẫy phân loại Từ đó làm cơ sở để xác định bài toán nghiên cứu giới hạn cho phôi là nắp chai thuốc vaccine bằng cao su, ma sát cho cặp vật liệu là cao su và inox, dạng điều khiển theo biên độ, cố định tần số tương ứng với dạng thiết bị làm việc ở chế độ chủ động cộng hưởng

3 Bằng phân tích lý thuyết đã chỉ ra được kết cấu kênh dẫn và các bẫy phân loại phù hợp với đối tượng khảo sát là nắp chai vaccine bằng cao su Làm cơ sở thiết kế phễu rung cấp phôi kiểu xoắn vít

4 Trên cơ sở tính toán thiết kế theo module đã lựa chọn được kết cấu nguồn rung phù hợp cho xây dựng thiết bị rung cấp phôi với kết cấu phễu phù hợp với đối tượng khảo sát là nắp chai thuốc vaccine bằng cao su là tiền đề cho phân tích thực nghiệm và xây dựng mô hình số nhằm khảo sát và nghiên cứu các bài toán tối

ưu

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HÓA, KIỂM TRA XÁC NHẬN VÀ

MÔ PHỎNG SỐ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM

3.1 Mô hình hóa hệ thống cấp phôi

Để mô hình hóa hệ thống tác giả sử dụng hai module của CATIA là: Part Design và Wireframe and Surface Design

Các bước mô hình hóa dựa trên việc phân tích cấu tạo của từng bộ phận như phễu rung, nguồn rung… từ đó chia ra thiết kế các thành phần, sau đó lắp ráp thành một hệ thống hoàn chỉnh trên môi trường CAD (hình 3.16)

3.2 Tự động hóa thiết kế bằng tham số sử dụng catia

Kết quả: Khi cần thay đổi các thông số đầu vào, chỉ cần nhập các thông số thay đổi trong bảng tham số từ Excel và đưa vào trong môi trường Catia Ta sẽ nhận được phễu rung cấp phôi với các thông số hình học đáp ứng yêu cầu đầu vào

Hình 3.16 Kết quả lắp ráp hệ thống rung cấp nắp chai vaccine

3.3 Kiểm tra và xác nhận mô hình số

3.3.1 Xác định tần số dao động riêng

Nghiên cứu này sử dụng module Modal Analysis của phần mềm Ansys Workbench để mô phỏng và phân tích dạng dao động riêng tại các giá trị tần số dao động riêng cơ bản của cơ hệ Qua đó xác định được dạng dao động riêng làm việc thực tế của cơ hệ thông qua mô phỏng Cũng như có phương hướng thiết kế tránh

Hình 3 3 Quy trình thực hiện mô hình

hóa phễu rung

Hình 3 10 Quy trình mô hình hóa

nguồn rung

11

các dạng dao động riêng phương hại đến hoạt động của cơ hệ khi

có phương lực và tần số tác động tương ứng

Kết quả mô phỏng cho thấy hình thái chuyển động tại các tần

số dao động riêng cơ bản có tính tương đồng với công bố của A Kadam và M Pisotre, 2017 [23] Tại tần số dao động riêng 100.92

Hz có hình thái chuyển động xoay quanh trục thẳng đứng với hình thái hoạt động của thiết bị rung cấp phôi Từ đó xác nhận được các thông số kết cấu, vật liệu của thùng phân loại và bích ghép nối giữa thùng phân loại với hệ thống treo sao cho cơ hệ có tần số riêng bằng tần số của lực kích thích và bằng hai lần tần số của dòng điện cấp cho nguồn rung

Hình 3.32 Hình thái chuyển động tại các tần số dao động riêng cơ bản

3.3.2 Xác định hệ số ma sát giữa phôi và phễu

Sử dụng thiết bị đo hệ số ma sát, VF tại Bộ môn Máy và Ma sát học, Viện Cơ khí, Trường ĐHBKHN để xác định được hệ số ma sát giữa phôi (cao su) và phễu (sus304) kết quả là 0.65