Nghiên Cứu Ứng Dụng Mô Phỏng Số Để Khảo Sát Động Lực Học Và Tối Ưu Kết Cấu Điều Hướng Trong Hệ Thống

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2019

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

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 được 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, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, là những người đã tận tình hướng dẫn, định hướng, 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 Trường 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 trường 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 thương… đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận án này

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ sự kính trọng, biết ơn và lòng yêu thương tới đại gia đình, bạn bè đã thực sự động viên, giúp đỡ trong suốt thời gian tôi học tập tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Văn Mùi

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Công trình được thực hiện tại Bộ môn Máy và Ma sát học - Viện Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng 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 chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Hà Nội, ngày tháng năm 2019

THAY MẶT TẬP THỂ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Lê Giang Nam

Người cam đoan

Nguyễn Văn Mùi

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 tượng nghiên cứu 3

3 Phạm vi nghiên cứu 4

4 Mục đích nghiên cứu 4

5 Nội dung nghiên cứu 4

6 Phương pháp nghiên cứu 4

7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5

8 Những điểm mới của đề tài 5

CHƯƠNG 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 đường xoắn vít 7

1.1.2 Thiết bị cấp phôi theo phương thẳng 9

1.2 Xu hướng nghiên cứu hiện nay trên thế giới 10

1.3 Phương pháp thực hiện 10

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11

1.4.1.Tình hình nghiên cứu nước ngoài 11

1.4.1.1 Ảnh hưởng biên độ rung đến tốc độ di chuyển của phôi 11

1.4.1.2 Ảnh hưởng của biên độ rung đến định hướng phôi 14

1.4.1.3 Ảnh hưởng 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 nước 25

Kết luận chương 1 28

CHƯƠNG 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 hưởng đến quá quá trình di chuyển của phôi 31

2.2.2.1 Ảnh hưởng của thông số kết cấu (góc nghiêng rãnh xoắn θ) [4] 31

2.2.2.2 Ảnh hưởng của các thông số động lực học 32

2.2 Định hướng 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 thước 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 thước của giảm chấn cao su [3] 51

2.4.2 Thiết kế cấu hình kênh phân loại 53

2.4.2.1.Phân tích đối tượng và yêu cầu định hướng 53

2.4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống kênh phân loại 54

Kết luận chương 2 56

CHƯƠNG 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

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 Phương 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 tương đương 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 tương đương 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 chương 3 88

CHƯƠNG 4 KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƯU KẾT CẤU ĐIỀU HƯỚNG TRONG PHỄU CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 89

4.1 Đánh giá sự ảnh hưởng 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 hưởng 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 ưu hóa điện áp và góc nghiêng rãnh xoắn đến năng suất cấp phôi 95

4.3.1 Quy trình tối ưu 96

4.3.2 Các đại lượng đầu vào 96

4.3.3 Các đại lượng đầu ra 96

4.3.4 Các đại lượng 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 ưu hóa hàm mục tiêu 102

4.3.6 Thực nghiệm, kiểm tra và so sánh với mô hình số 103

4.4 Tối ưu hóa kết cấu điều hướng phôi đến năng suất cấp phôi 105

4.4.1 Kết cấu và cấu hình hệ thông điều hướng 105

4.4.2 Năng suất cấp phôi 106

4.4.3 Các đại lượng cố định 107

4.4.4 Mô phỏng số kết cấu điều hướng 108

Kết luận chương 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

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1

ADAMS Automatic Dynamic Analysis of Mechanical

System (mô phỏng động lực học đa vật thể)

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Thống kê phương 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 hưởng của biên độ rung đến vận tốc phôi 12

Bảng 1 3 Thông kê các nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của biên độ rung đến định hướng phôi 14

Bảng 1 4 Thống kê các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tần số rung 17

Bảng 2 1 Phân loại các loại phôi 36

Bảng 2 2 Kích thước của phễu trụ thẳng[3] 40

Bảng 2 3 Kích thước 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 được 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 tương đươngxác 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 hướng 106

Bảng 4 9 Kết quả mô phỏng đánh giá các cấu hình điều hướng sau 30s đầu tiên 109Bảng 4 10 Kết quả mô phỏng đánh giá tổng thời gian cấp phôi 109

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 phương 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 phương pháp phần tử hữu hạn 18

Hình 1 19 Hình thái dao động của phễu bằng mô hình số 18

Hình 1 20 Ảnh hưởng của tần số rung đến dịch chuyển của khối 19

Hình 1 21 Ảnh hưởng của tần số rung động đến gia tốc của khối 19

Hình 1 22 Các hình thái dao động trên môi trường 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 hướng, (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 phương tiếp tuyến (a) và thẳng đứng (b) 22 Hình 1 29 Gia tốc của các chi tiết khi nam châm đặt theo phương tiếp tuyến (a), dọc trục (b), xuyên tâm (c) 23

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 phương 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 hướng 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 hưởng của góc nghiêng rãnh xoắn θ tới vận tốc vận chuyển phôi[4] 31

Hình 2 4 Ảnh hưởng 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 hưởng của góc rung động ψ và hệ số ma sát µs[4] 34

Hình 2 7 Ảnh hưởng của hệ số ma sát đến góc rung động tối ưu [4] 34

Hình 2 8 Ảnh hưởng của hệ số ma sát tới vận tốc vận chuyển phôi[4] 34

Hình 2 9 Cơ cấu định hướng cho phôi đáy phẳng[3] 38

Hình 2 10 Cơ cấu định hướng cho phôi tròn đáy phẳng[3] 38

Hình 2 11 Cơ cấu định hướng cho phôi dạng trụ tròn[3] 38

Hình 2 12 Cơ cấu định hướng cho phôi dạng trụ trơn[3] 39

Hình 2 13 Kích thước của phễu trụ thẳng 39

Hình 2 14 Kích thước của phễu côn bậc 41

Hình 2 16 Hình dạng và kích thước 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

Hình 2 20 Hình dạng và kích thước của nắp chai vaccine 53

Hình 2 21 Trạng thái phôi trước định hướng 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 bước 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 bước 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 đưa liên kết tham số từ Exel vào Catia 67

Hình 3 19 Cây thư 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 được khởi tạo 70

Hình 3 23 Cây thư mục toolbox 70

Hình 3 24 Thông số vật liệu SUS 304 71

Hình 3 25 Cây thư 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

Hình 3 29 Ngàm đế dưới 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 trượt 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 phương ngang bằng thiết bị hãng FAG 77

Hình 3 36 Thiết bị đo dao động theo phương thẳng đứng 78

Hình 3 37 Kết quả được 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 được xử lý trên phần mềm của NI 80

Hình 3 40 Thiết bị đo VIBROPOST 80 81

Hình 3 41 Kết quả đo được 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 ưu 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 hưởng 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 ưu 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 ưu 102

Hình 4 13 Biểu đồ vận tốc phụ thuộc vào điện áp với góc nghiêng 1,30 104

Hình 4 14 Quy trình tối ưu hóa cơ cấu điều hướng 105

Hình 4 15 Ba bẫy và các tham số hình học ảnh hưởng đến chức năng của chúng 106

Hình 4 16 Trạng thái phôi trước định hướng và định hướng phôi yêu cầu 107

Hình 4 17 Quá trình mô phỏng số đánh giá cấu hình điều hướng 108

Hình 4 18 Cơ cấu điều hướng thiết bị cấp phôi dạng rung 109

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong sản xuất hiện đại ngày nay, các công đoạn như gia công, lắp ráp, kiểm tra

đã được tự động hóa nâng cao năng suất của quá trình Để đáp ứng được 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 người 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 thường sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất, lắp ráp các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao Nhưng cả hai loại thiết bị trên có nhược điểm là giá thành lắp đặt và vận hành thiết bị tương đối cao Diện tích nhà xưởng để lắp đặt đòi hỏi phải rộng Tuy nhiên hai phương pháp cấp phôi trên không phù hợp cho các loại phôi có khối lượng và kích thước nhỏ Để giải quyết vấn đề trên, phương 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 được sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống, dược phẩm hay các dây chuyền sản xuất lắp ráp

Tại các nhà máy sản xuất dược phẩm, điều kiện để chiết xuất và đóng chai thuốc vaccine là môi trường sản xuất phải vô khuẩn Hạn chế sự tiếp xúc của con người với nguyên liệu, vật liệu sản phẩm[1] Vì vậy, việc lựa chọn phương 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 trước đến những năm gần đây do đặc điểm giá rẻ của nhân công lao động nên hệ thống này chỉ được sử dụng trong các công ty liên doanh Ngày nay, giá nhân công ngày một tăng, để họ bắt nhịp được 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

Điểm mạnh của thiết bị cấp phôi là việc điều hướng, 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 chưa được 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) được lắp vào đế trên, đế trên kết nối với đế đế dưới thông qua các lò xo

lá Các lò xo lá tạo ra các chuyển động theo phương 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 thường, 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 dưới được cung cấp nguồn bởi các nguồn điện, phần còn lại được 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 đường dẫn hướng (track) với chế độ trượt hoặc nhảy Trong chế độ trượt, chuyển động được tạo ra từ ma sát giữa phôi và máng dẫn Trong chế độ nhảy, phôi nhảy lên khỏi đường 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 được hình thành và phôi

di chuyển lên phía trước 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 được tiến hành Với các loại phôi khác nhau công việc thiết kế có sự khác nhau nhằm đưa ra các kết quả thiết kế tối ưu nhất cho sản phẩm

Thiết kế thiết bị rung cấp phôi là qui trình phức tạp và có tính quyết định Công việc này thường được 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 như là đơn chiếc Vì vậy việc công việc này phải giảm thiểu thời gian thiết kế chế tạo và điều chỉnh

Hiện nay một phương pháp thiết kế được 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 được chế tạo theo kết quả tính toán (phễu,

có cấu điều hướng, lò xo lá…) Kết quả của quá trình này là một hệ thống cấp phôi

tự động theo nguyên lý kích rung được hình thành

Có ba giai đoạn chính trong thiết kế, đó là nghiên cứu lên phương án và tìm phương án khả thi, các thiết kế sơ bộ và thiết kế chi tiết Trong quá trình nghiên cứu

lên phương án các giải pháp thiết kế được đưa ra và có thể tính toán đến chi phí chế tạo Các quy trình công nghệ và phương án gia công được đưa ra trong quá trình thiết kế sơ bộ Cuối cùng, các bản vẽ chi tiết, yêu cầu kỹ thuật và đặc tính được thể hiện trong thiết kế chi tiết

Dựa vào thiết kế đã đưa 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 được chế tạo theo kết quả tính toán (phễu, có cấu điều hướng,

lò xo lá…) Kết quả của quá trình này là một hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên

lý kích rung được 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 hưởng Do đó phải điều chỉnh các thông số động lực học để nó làm việc ở chế độ cộng hưởng Quá trình thực nghiệm nhằm mục đích điều chỉnh thiết bị tìm ra các thông số tối ưu cho hệ thống Tuy nhiên hệ thống này hoạt động nhờ lực kích rung ở chế độ cộng hưởng, phễu cấp là một khối thống nhất (các cơ cấu dẫn hướng và phân loại được 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 như phải chế tạo mới dẫn đến không đảm bảo kịp sản xuất cũng như 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 được 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 hưởng của nó đến quá trình cấp phôi, qua đó đưa ra được phương án và qui trình thiết kế, kiểm định cho chế tạo cho loại phôi được nghiên cứu và một quy trình thiết kế chế tạo theo phương án chủ động cộng hưởng cho các dạng phôi khác

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”

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

- Xây dựng một mô hình thiết bị trong môi trường số nhằm thử, xác nhận ứng

xử của phôi và kết cấu phễu rung cấp phôi

- Đưa ra một quy trình thiết kế, hiệu chỉnh, kiểm nghiệm thiết bị để hệ thống sau khi chế tạo đưa vào sản xuất đúng ngay từ lần đầu tiên

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

- 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 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 ưu: 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 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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO

NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 1.1 Thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

1.1.1 Thiết bị cấp phôi dạng phễu rung có đường xoắn vít

Cơ cấu cấp phôi rung dạng phễu có máng dẫn hình xoắn vít được sử dụng cấp các loại phôi rời có trọng lượng và kích thước nhỏ[2][3] Hệ thống này có thể

sử dụng cho các máy riêng biệt hoặc các dây chuyền sản xuất tự động

Tùy thuộc vào độ ổn định trên máng dẫn phôi được chia ra làm ba nhóm [3]

- Phôi có bề mặt phẳng (vòng đệm, nút chai cao su, tấm…) các phôi này trượt trên máng dẫn khi di chuyển

- Phôi hình trụ Các phôi này có thể trượt hoặc lăn trên máng dẫn

- Phôi hình cầu hoặc hình trụ có bán kính cầu ở đầu, các phôi này thường lăn khi di chuyển trên máng dẫn

Các loại phôi thuộc nhóm thứ nhất và thứ hai khi di chuyển có tính ổn định cao hơn nhóm thứ 3

Hình 1 1.Cơ cấu cấp phôi rung sử dụng bánh lệch tâm [3]

Trong hệ thống này (hình 1.1) phễu rung 2 được gắn động cơ có bánh lệch tâm tạo ra lực ly tâm Phễu 2 được lắp lên chân 1 (lò xo lá), nó thực hiện các chuyển động xoay (xung quanh trục thẳng đứng) và chuyển động tịnh tiến khứ hồi nhờ đó

mà phôi di chuyển theo máng dẫn dạng xoắn vít 3 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 phễu 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 đáy phễu

Hình 1 2 Cơ cấu cấp phôi rung có nam châm điện [3]

Hình 1.2 là cơ cấu cấp phôi rung động dạng phễu rung có sử dụng nam châm điện để tạo rung động Phễu rung 2 được lắp lên chân 3 (lò xo lá) Ở tâm của đáy phễu được lắp phần ứng từ 4 của nam châm điện, trên đế 5 được lắp phần cảm từ 6 của nam châm điện Để điều chỉnh lực kích rung ta có thể thay đổi khe hở giữa phần lõi 6 và phần ứng từ 4 có thể được điều chỉnh nhờ vít 7 và bốn đế cao su số 8 Các

lò xo lá số 3 được đặt trên tấm đế 9 Để quá trình hoạt động của thiết bị này không ảnh hưởng đến các máy khác, hệ thống này có sử dụng ba giảm chấn số 10

Chuyển phôi từ phễu đến máng tiếp nhận (máng chứa) được thực hiện trên phần thẳng của máng chứa Máng chứa này được nối tiếp với máng xoắn vít Quá trình kích rung được thực hiện nhờ nguồn rung 1

Hình 1 3 Sơ đồ lực tác dụng khi nam châm đặt tại tâm[3]

Ở các hệ thống trên lực quán tính và nam châm điện tỷ lệ với góc nghiêng α của lò xo lá [3]: góc α càng lớn thì lực tác dụng P1 càng lớn và ngược lại Các lực

này sẽ tác dụng tại các vị trí có độ cứng vững thấp nhất vì vậy hệ thống có tuổi thọ không cao và thường được áp dụng cho hệ thống có kích thước phễu nhỏ[3]

Với các hệ thống có kích thước phễu lớn (0.3-1m), sử dụng một nam châm ít được dùng Với kết cấu này, lực kéo phải lớn hơn vì vậy mà thường sử dụng ba nam châm điện gắn ở vị trí đối diện với các lò xo lá

Hình 1 4 Sơ đồ lực tác dụng khi nam châm đặt vị trí đối diện lò xo lá [3]

Hình 1 5 Thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

Trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Phôi được chứa trong phễu rung (bowl), khi có lực tác động từ nam châm điện, nhờ 03 lò xo lá được

bố trí theo góc 1200, phễu sẽ di chuyển lên xuống và xoay quanh trục thẳng đứng Nhờ chuyển động này phôi sẽ di chuyển trên máng dẫn dạng xoắn vít Đế máy có tác dụng để lắp các lò xo lá, nam châm điện và hệ thống giảm chấn Giảm chấn có tác dụng cản trở rung động lan truyền đến các hệ thống máy khác Nguồn điện cung cấp điện áp cho các nam châm để tạo rung động[4]

1.1.2 Thiết bị cấp phôi theo phương thẳng

Loại này là phần tiếp theo của quá trình cấp phôi theo máng dẫn dạng xoắn vít Khi phôi đã được định hướng thì máng rung thẳng có nhiệm vụ vận chuyển phôi

ra phía đầu và cung cấp cho các máy khác hoạt động

Hình 1 6 Cơ cấu cấp phôi rung động thẳng

Nguyên lý hoạt động: Khi có dòng điện chạy qua thì nam châm điện hút đẩy phần ứng tạo ra rung động cung cấp cho máng Khi đạt tần số thích hợp thì lực quán tính của phôi lớn hơn lực ma sát giữa phôi và máng thì phôi sẽ di chuyển lên phía trên và cung cấp cho máy khác hoạt động

Các phần tử chính của máy cấp phôi thẳng:

+Lò xo lá có tác dụng đỡ tấm đế lắp đặt máng và có tác dụng tạo ra dao động

cộng hưởng

+Nam châm điện có tác dụng tạo ra rung động cung cấp cho máng hoạt động +Đế có tác dụng để gắn các giá treo lên trên

+Bộ giảm chấn có tác dụng giảm rung động tránh lan truyền sang các máy khác

Các nhà khoa học và chuyên gia công nghệ trên thế giới đã chỉ ra được lợi ích của cấp phôi tự động Và việc cấp phôi tự động phụ thuộc vào điều kiện làm việc của từng máy móc, thiết bị và công đoạn sản xuất Việc lựa chọn loại hình cấp phôi là công việc tất yếu Cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động được nghiên cứu từ lâu trên thế giới Các nhà khoa học trong và ngoài nước đã có rất nhiều các công trình khoa học nghiên cứu đến cấp phôi tự động nói chung và cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động nói riêng (phụ lục 1)

Có rất nhiều các công trình nghiên cứu hệ thống cấp phôi tự động nói chung

và cấp phôi rung động nói riêng Bằng cách phương pháp khác nhau, các nghiên cứu này đã chỉ ra sự ảnh hưởng của các thông số động lực học cũng như định hướng phôi trong quá trình cấp phôi rung

Để thực hiện các nghiên cứu trên các nhà khoa học trong và ngoài nước đã

sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để cho ra được các kết quả nghiên cứu Xu

hướng là sử dụng phương pháp mô phỏng số kết hợp với xác nhận bằng thực nghiệm nhằm thay các thử nghiệm trên mô hình thực nghiệm mà kết quả vẫn tương đồng Các năm gần đây, nhờ sự tiến bộ và hỗ trợ của máy tính ngoài thực nghiệm các tác giả còn sử dụng các phần mềm mô phỏng số để để xác định kết quả nghiêm cứu

Bảng 1 1 Thống kê phương pháp thực hiện trên thế giới trong khoảng 20 năm gần đây

2 Mô phỏng (MP) 06 1996, 2005, 2009,

2010, 2011, 2017

[22], [34], [18], [72], [73], [61]

2004, 2005, 2007,

2013, 2014, 2016, 2017,2018

[38], [7], [31], [12], [14], [50], [55], [59], [62-67], [70]

2003, 2010, 2011,

2012

[15], [29], [45], [47], [54], [56], [69], [74]

2005, 2010, 2011,2012, 2013,

2015, 2017

[11], [5], [9], [20], [35], [37], [10], [13], [23], [68], [71]

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.4.1.Tình hình nghiên cứu nước ngoài

1.4.1.1 Ảnh hưởng biên độ rung đến tốc độ di chuyển của phôi

Có rất nhiều các thông số động lực học ảnh hưởng đến quá trình di chuyển của phôi trong phễu, một trong những thông số ảnh hưởng lớn nhất đó là biên độ rung

Bảng 1 2 Thống kê các nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của biên độ rung đến vận tốc

phôi

(mm)

Vận tốc (m/s)

Tài liệu tham

Hình 1 7 Kết quả thực nghiệm với một phôi duy nhất

Theo kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, vận tốc của phôi ở trạng thái chuyển động hỗn loạn ít phụ thuộc vào các thông số điều khiển  là các trạng thái khác Với mô hình thực nghiệm này, Han và Lee cũng đã làm thực nghiệm với số lượng phôi nhiều hơn (200, 400, 800 phôi) và cũng cho kết quả tương tự (hình 1.8)

Hình 1 8 Kết quả thực nghiệm với 200, 400, 800 phôi

Năm 2013, H Ashrafizadeh, S Ziaei-Rad[7] dựa và lý thuyết tính toán, xây dựng mô hình 2D để mô phỏng chuyển động của phôi bằng phương pháp phần tử rời rạc

Hình 1 9 Mô hình phân tích lực của phễu cấp phôi rung

Với các thông số động lực học: khối lượng riêng ρ = 7800kg/m3, tần số rung động 60Hz, hệ số ma sát μ=0.5, góc nghiêng rãnh xoắn θ=50, góc rung động ψ=180, tác giả đã làm thí nghiệm so sánh giữa mô phỏng (phần mềm DEM) và lý thuyết Kết quả cho thấy sai lệch giữa hai phương pháp này là 10% (hình 1.10)



Hình 1 10 So sánh chuyển vị theo phương X của phôi giữa lý thuyết và mô phỏng số

Khi biên độ thay đổi trạng thái của phôi cũng thay đổi theo Nghiên cứu được tiến hành với sự thay đổi biên độ từ 1a0max đến 4a0max và kết quả cho thấy tương đồng với các nghiên cứu trước đây (hình 1.11) Từ A1 đến A2 tốc độ tăng tuyến tính với độ dốc giảm nhẹ Từ A2 đến A3 tốc độ tăng với độ dốc lớn khi biên độ tăng Từ

A3 đến A4 độ dốc tăng nhẹ Sau A4 độ dốc có thiên hướng giảm

Hình 1 11 Mối quan hệ giữa biên độ rung và tốc độ di chuyển của phôi

1.4.1.2 Ảnh hưởng của biên độ rung đến định hướng phôi

Biên độ là một trong những thông số động lực học quan trọng có tính quyết định đến năng xuất cấp phôi, ngoài vận tốc nó còn ảnh hưởng đến quá trình định hướng phôi Có rất nhiều các công trình nghiên cứu đến yếu tố này

Bảng 1 3 Thông kê các nghiên cứu đánh giá sự ảnh hưởng của biên độ rung đến định

Năm 1997, Dina R Berkowitz và John Canny [8] bằng các mô phỏng và thực nghiệm nhóm tác giả đánh giá tỷ lệ phôi đúng hường với sáu trạng thái khác nhau khi biên độ rung là 0.6mm và 1mm

Hình 1 12 Sáu trạng thái của phôi khi thực nghiệm

Thực nghiệm được tiến hành với 350 phôi khác nhau với 3 trạng thái ban đầu là LT (nằm dọc đầu hướng trước), UT (thẳng đứng đầu ở trên) và CT (nằm ngang đầu hướng ra) khi biên độ thay đổi với góc nghiêng của rãnh xoắn là 12,80 và đạt được kết quả như sau:

Hình 1 13 Kết quả với phôi theo chiều nằm (LT)

Hình 1 14 Kết quả với phôi theo chiều đứng (UT)

Hình 1 15 Kết quả với phôi theo chiều ngang (CT)

Năm 2002, I Han và Y Lee [6] sau khi làm thực nghiệm, nhóm tác giả đánh giá ảnh hưởng của biên độ đến tỷ lệ phôi đi ra (hình 1.8) với biên độ là 0.18 và 0.303 tỷ lệ phôi đi ra đạt cao nhất (2,5 phôi/s)

Năm 2003, M H Jiang[9] và các cộng sự đã sử dụng mô phỏng số để đánh giá sự ảnh hưởng của biên độ rung, kích thước của các bẫy đến quá trình định hướng phôi Sau đó thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm và đánh giá sự ảnh hưởng của biên độ đến tỷ lệ phôi đúng hướng Với b là chiều rộng bẫy, w là khoảng cách

từ tâm phôi đến thành phễu Kết quả cho thấy khi tỷ lệ b/w tăng thì tỷ lệ phôi đi qua cũng tăng tuyến tính, tỷ lệ này lớn hơn 1.1 thì tỷ lệ phôi đi qua đạt 100% (hình 1.16)

Hình 1 16 Kết quả mô phỏng

Năm 2013, Daniel Hofmann[10] và các công sự đã tiến hành so sánh sự ảnh hưởng của biên độ đến quá trình định hướng phôi bằng mô phỏng số và thực nghiệm Nghiên cứu được tiến hành với hai loại phôi bằng thép khác nhau (phôi tròn 8.76x12.82 và phôi hình hộp 8x8x12) và hệ thống phễu được làm bằng polyamide Với loại phôi tròn với chiều cao bước của rãnh (h) là 1,4,7mm và biên

độ rung 10μm đến 70μm Kết quả cho thấy rằng với chiều cao bước càng thấp tỷ lệ phôi đúng hướng càng cao và phụ thuộc vào biên độ dao động (hình 1.17)

Hình 1 17 Kết quả so sánh sự giữa mô phỏng và thực nghiệm

1.4.1.3 Ảnh hưởng của các thông số động lực học khác

Trong các yếu tố động lực học tác dụng lên quá trình di chuyển của phôi, tần

số rung là một trong những yếu tố tác động đến lực tác động của của phễu đến phôi qua đó ảnh hưởng đến vận tốc của phôi, ngoài ra tần số rung ảnh hưởng đến các yếu

Thời gian

Năm 1986, D Morrey và J.E Mottershead[11] sử dụng mô hình phân tích và

mô phỏng số nhằm xác nhận các hình thái dao động của hệ thống giá treo (lò xo lá) Kết quả cho thấy với mô hình số hình thái dao động của hệ thống treo ở các tần số khác nhau từ 0 đến 802.4Hz, với mô hình phân tích tần số rung động ở các mức từ 52Hz đến 618 Hz tương đồng với mô hình số

Năm 2004, S.B Choi, D.H Lee[12] bằng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với mô hình số đã chỉ ra được sự tương đồng về hình thái dao động của phễu Các tác giả đã xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm nghiệm để so so sánh với kết quả tính toán Việc kiểm tra được thực nghiệm với các tầm số rung khác nhau Kết quả thực nghiệm thu được bằng máy đo gia tốc ba trục kết hợp với phần mềm STAR Kết quả cho thấy, lý thuyết và thực nghiệm là trùng khớp (hình 1.18 và hình 1.19)

Hình 1 18 Hình thái dao động của phễu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Hình 1 19 Hình thái dao động của phễu bằng mô hình số

Năm 2015, Hao-Wen Ma và Gang Fang [13] bằng các tính toán lý thuyết kết hợp với phần mềm MATLAB đã đánh giá sự ảnh hưởng của tần số rung đến dịch chuyển của hệ thống rung động Các thử nghiệm được tiến hành ở các tần số 5Hz, 8Hz, 10Hz với khoảng thời gian là 2s Kết quả cho thấy ở cùng một khoảng thời gian khi tần số tăng thì dịch chuyển tăng, tần số càng lớn mức độ tăng càng nhanh (hình 1.20)

Hình 1 20 Ảnh hưởng của tần số rung đến dịch chuyển của khối

Ngoài ra, các tác giả cũng đánh giá sự ảnh hưởng của tần số rung đến gia tốc

và gia tốc của phôi Nghiên cứu chỉ ra rằng, vận tốc và gia tốc có thể thấy rõ ở 8Hz

và 10Hz cao hơn ở tần số 5Hz Tuy nhiên, khi tần số tăng làm mất tính ổn định của quá trình di chuyển của phôi trên máng (hình 1.21)

Hình 1 21 Ảnh hưởng của tần số rung động đến gia tốc của khối

Năm 2017, nhằm xác định tần số dao động riêng của hệ thống cấp phôi, Abhijit Kadam1, Manjunath Pisotre[23] đã sử dụng Ansys Workbench 16.0 xác định được tần số dao động riêng của hệ thống và sử dụng mô hình thực nghiệm nhằm để đánh giá sự tương đồng của mô hình số và mô hình thật

Theo kết quả phân tích thì tần số dao động riêng của hệ thống là 97.51Hz (hình 1.22) Với kết quả thực nghiệm thì tần số dao động riêng của hệ thống đạt khi

đo là 100Hz (hình 1.23) Kết quả cho thấy có thể xây dựng mô hình hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động mà tần số riêng của hệ thống bằng tần số lực kích rung

Hình 1 22 Các hình thái dao động trên môi trường số

Hình 1 23 Tần số dao động riêng xác nhận bằng thực nghiệm

1.4.1.4 Các nghiên cứu khác

Năm 1997, Gary P Maul và M Brian Thomas[14] tiến hành nghiêm cứu mô hình cấp phôi tự động sử dụng phễu rung Các tác giả đã nghiên cứu lý thuyết về vận tốc của phôi trong phễu rung Sau đó chế tạo mô hình thực nghiệm với các loại bán kính khác nhau để kiểm chứng lý thuyết Vận tốc của phôi trên phễu đƣợc đo tại ba vị trí cố định Sau khi đo, so sánh kết quả giữa lý thuyết và thực nghiệm thì thấy rằng sai lệnh là 11% (hình 1.24)

Hình 1 24 Sự phụ thuộc của vận tốc phôi vào bán kính phễu

Qua mô hình thực nghiệm này, các tác giả cũng nghiêm cứu sự ảnh hưởng của độ độ cứng lò xo lá đến vận tốc của phôi khi tần số rung thay đổi Sự ảnh hưởng này lớn nhất khi tần số rung là 60Hz

Năm 2001, Nebojsa I Jaksic, Gary P Maul[15] đã tiến hành phân tích động học của phôi khi di chuyển trên đường xoắn ốc Nghiên cứu này chỉ ra nguyên lý hoạt động của một hệ thống cấp phôi tự động dạng phễu rung cũng như sự cần thiết của hệ thống điều hướng phôi Ngoài ra, các tác giả đã chế tạo và làm thực nghiệm với hai phương điều hướng khác nhau Phương pháp thứ nhất sử dụng kết cấu điều hướng bằng cơ khí Phương pháp thứ hai sử dụng bằng khí nén Qua hai phương pháp này, các tác giả đã đưa ra nhận định chọn kết cấu điều hướng bằng khí nén là một lựa chọn phù hợp (hình 1.25)

Hình 1 25 Điều hướng, (a)sử dụng kết cấu cơ khí, (b) sử dụng khí nén

Hình 1 26 Mô hình thực nghiệm

Năm 2007 Paul C.-P Chao và Chien-Yu Shen[16] đã xây dựng mô hình thực nghiệm dựa trên hệ thống cấp phôi rung động thẳng Tuy nhiên còn được lắp thêm một thiết bị hỗ trợ điện áp trên hai dầm rung Động năng của phôi được mô tả bằng phương pháp phân ly Rayleigh–Ritz Áp dụng phương trình Lagrange về động năng và thế năng biến dạng liên quan đến ba chế độ đầu tiên, các hệ thống động lực học sau đó được đại diện với ba phương trình

Thực nghiệm được thực hiện với các phôi có trọng lượng và kích thước khác nhau với tần số rung từ 10Hz đến 1kHz Kết quả cho ra biểu đồ Bode về sự phụ thuộc của độ phóng đại và trạng thái vào tần số Qua biểu đồ cho thấy tính chính xác giữa lý thuyết với thực nghiệm và có sự cộng hưởng ở tần số rung động 330Hz (hình 1.27)

Hình 1 27 Biểu đồ Bode

Năm 2011 Emiliano Mucchi và các cộng sự[17] đã xây dựng mô hình và làm thực nghiệm để đánh giá và phân tích động học đàn hồi của hệ thống cấp phôi tự động dùng phễu Với hai mô hình thực nghiệm, nam châm điện được gắn theo hai hướng khác nhau là theo phương tiếp tuyến và theo phương thẳng đứng

Hình 1 28 Mô hình với nam châm theo phương tiếp tuyến (a) và thẳng đứng (b)

Từ mô hình và kết quả thực nghiệm các tác giả đã xây dựng được biểu đồ về gia tốc của các chi tiết trong hệ thống như phần trên của phễu (upper bowl), hệ thống đỡ phễu (bowl support) và đế (base), với các vị trí đặt nam châm điện khác nhau Với các trường hợp đặt nam châm điện thì gia tốc của phễu luôn lớn nhất thể hiện đây là vị trí có biên độ dao động lớn nhất (hình 1.29)

Hình 1 29 Gia tốc của các chi tiết khi nam châm đặt theo phương tiếp tuyến (a), dọc trục

(b), xuyên tâm (c)

Năm 2011, J Fleischer, S Herder, U Leberle [74] đã trình bày nghiên cứu của mình dựa trên mô hình băng trượt rung được lắp liên tục với nhau Qua nghiên cứu này, các tác giả đã đưa ra sự so sánh tốc độ di chuyển của vật thể trên băng tải giữa thực tế và mô hình thực nghiệm

Hình 1 30 Module hệ thống băng tải rung