Đang tải... (xem toàn văn)
PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong sản xuất hiện đại ngày nay, các công đoạn nhƣ gia công, lắp ráp, kiểm tra đã đƣợc tự động hóa nâng cao năng suất của quá trình. Để đáp ứng đƣợc các nhu cầu đó thì một thiết bị tự động cấp phôi liệu cho quá trình trên là cần thiết. Đến nay, hiện đã có nhiều loại thiết bị phục vụ cho quá trình cấp phôi liệu khác nhau. Kết cấu của các cơ cấu cấp phôi này rất khác nhau, chúng phụ thuộc vào dạng phôi, năng suất và cấu trúc của máy [3]. Theo đó, có thể phân thành các kiểu cấp phôi cơ bản sau đây: cấp phôi dạng cuộn, cấp phôi dạng thanh hoặc tấm, cấp phôi dạng lỏng, bột, khí, cấp phôi dạng rời từng chiếc. Mỗi kiểu cấp phôi trên mang tính đặc thù riêng và bản thân trong mỗi kiểu cũng đã bao hàm rất nhiều dạng khác nhau. Tuỳ theo công nghệ sản xuất mà ngƣời ta có thể bố trí các hệ thống cấp phôi liên tục, cấp phôi gián đoạn theo chu kỳ hoặc cấp phôi theo lệnh [19]. Với các loại phôi dạng rời có thể sử dụng loại thiết bị cấp phôi bao gồm: băng tải cấp phôi, robot cấp phôi, cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Với robot và băng tải thƣờng sử dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất, lắp ráp các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao. Nhƣng cả hai loại thiết bị trên có nhƣợc điểm là giá thành lắp đặt và vận hành thiết bị tƣơng đối cao. Diện tích nhà xƣởng để lắp đặt đòi hỏi phải rộng. Tuy nhiên hai phƣơng pháp cấp phôi trên không phù hợp cho các loại phôi có khối lƣợng và kích thƣớc nhỏ. Để giải quyết vấn đề trên, phƣơng pháp cấp phôi theo nguyên lý rung động là một lựa chọn phù hợp. Thiết bị cấp phôi trên nguyên lý rung động là một hệ thống đƣợc sử dụng phổ biến trong các ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống, dƣợc phẩm hay các dây chuyền sản xuất lắp ráp. Tại các nhà máy sản xuất dƣợc phẩm, điều kiện để chiết xuất và đóng chai thuốc vaccine là môi trƣờng sản xuất phải vô khuẩn. Hạn chế sự tiếp xúc của con ngƣời với nguyên liệu, vật liệu sản phẩm[1]. Vì vậy, việc lựa chọn phƣơng pháp cấp phôi tự động theo nguyên lý kích rung là cần thiết khi cấp nắp chai cao su cho lọ vaccine là cần thiết. Từ thập niên 90 của thế kỷ trƣớc đến những năm gần đây do đặc điểm giá rẻ của nhân công lao động nên hệ thống này chỉ đƣợc sử dụng trong các công ty liên doanh. Ngày nay, giá nhân công ngày một tăng, để họ bắt nhịp đƣợc với công việc phải mất thời gian đào tạo. Tính ổn định của công nhân hiện nay thấp, nhất là những công việc có tính lặp lại. Điểm mạnh của thiết bị cấp phôi là việc điều hƣớng, phối liệu đúng nhịp, đơn giản và chính xác hơn hẳn các hệ thống truyền dẫn khác. Việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị này vẫn chƣa đƣợc quan tâm tại Việt Nam hiện nay. Hệ thống cấp phôi tự động bao gồm, một phễu rung (bên trong có chứa các máng dẫn) đƣợc lắp vào đế trên, đế trên kết nối với đế đế dƣới thông qua các lò xo lá. Các lò xo lá tạo ra các chuyển động theo phƣơng thẳng đứng của phôi và đồng thời là chuyển động quay xung quanh trục thẳng đứng. Các nam châm điện tạo ra lực tác dụng điều khiển chuyển động của phễu. Thông thƣờng, đó là các lực dọc trục hoặc lực pháp tuyến giữa đế và phễu. Mỗi nam châm điện có hai phần, một phần lắp trên đế dƣới đƣợc cung cấp nguồn bởi các nguồn điện, phần còn lại đƣợc lắp cố định vào đế trên và di chuyển cùng với phễu. Trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động, phôi di chuyển trên đƣờng dẫn hƣớng (track) với chế độ trƣợt hoặc nhảy. Trong chế độ trƣợt, chuyển động đƣợc tạo ra từ ma sát giữa phôi và máng dẫn. Trong chế độ nhảy, phôi nhảy lên khỏi đƣờng dẫn theo mỗi chu kỳ và phôi sẽ rơi tự do sau đó rơi lại máng. Trong quá trình nhảy lên và rơi xuống này, chuyển động tịnh tiến đƣợc hình thành và phôi di chuyển lên phía trƣớc một khoảng so với vị trí cũ trên máng. Việc tính toán, thiết kế hệ thống cấp phôi tự động cho sản phẩm là lắp chai thuốc vaccine bằng cao su nhằm chế tạo thiết bị phục vụ cho quá trình thực nghiệm cần phải đƣợc tiến hành. Với các loại phôi khác nhau công việc thiết kế có sự khác nhau nhằm đƣa ra các kết quả thiết kế tối ƣu nhất cho sản phẩm. Thiết kế thiết bị rung cấp phôi là qui trình phức tạp và có tính quyết định. Công việc này thƣờng đƣợc bắt đầu bằng việc xác định nhu cầu dạng phôi cần cấp và năng suất cấp. Do làm việc theo rung động nên cần một kết cấu nguyên khối để tránh tự tháo lỏng và phân rã. Mặt khác, mỗi thiết bị cấp phôi chỉ cấp cho một loại và một phạm vi công suất nên thiết kế chế tạo gần nhƣ là đơn chiếc. Vì vậy việc công việc này phải giảm thiểu thời gian thiết kế chế tạo và điều chỉnh. Hiện nay một phƣơng pháp thiết kế đƣợc áp dụng cho số đông bài toán là thiết kế theo module. Để giảm thời gian sử dụng hệ thống treo tiêu chuẩn có sẵn (nguồn rung, nam châm điện…) và các chi tiết đƣợc chế tạo theo kết quả tính toán (phễu, có cấu điều hƣớng, lò xo lá…). Kết quả của quá trình này là một hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý kích rung đƣợc hình thành. Đây là một hệ thống thích hợp, ngoài ghép nối về mặt cơ học mà còn phải làm việc ở chế độ cộng hƣởng. Do đó phải điều chỉnh các thông số động lực học để nó làm việc ở chế độ cộng hƣởng. Quá trình thực nghiệm nhằm mục đích điều chỉnh thiết bị tìm ra các thông số tối ƣu cho hệ thống. Tuy nhiên hệ thống này hoạt động nhờ lực kích rung ở chế độ cộng hƣởng, phễu cấp là một khối thống nhất (các cơ cấu dẫn hƣớng và phân loại đƣợc gắn cứng lên phễu). Với mỗi loại phôi khác nhau thì phễu cũng nhau. Khi muốn thay đổi kết cấu trong quá trình thực nghiệm gần nhƣ phải chế tạo mới dẫn đến không đảm bảo kịp sản xuất cũng nhƣ tiêu phí về thời gian và tiền bạc. Vì vậy, xây dựng một quy trình thiết kế hệ thống đúng ngay từ lần đầu tiên nhằm giảm thời gian thiết kế, chế tạo và điều chỉnh. Để đạt đƣợc mục đích trên việc nghiên cứu bản chất của quá trình động lực học của quá trình cấp phôi từ đó chỉ ra các đặc điểm về thông số kết cấu và ảnh hƣởng của nó đến quá trình cấp phôi, qua đó đƣa ra đƣợc phƣơng án và qui trình thiết kế, kiểm định cho chế tạo cho loại phôi đƣợc nghiên cứu và một quy trình thiết kế chế tạo theo phƣơng án chủ động cộng hƣởng cho các dạng phôi khác. Những đặc điểm nêu trên là định hƣớng cho việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động”
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƯU KẾT CẤU ĐIỀU HƯỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 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 Tính cấp thiết đề tài Đối tƣợng nghiên cứu 3 Phạm vi nghiên cứu 4 Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Những điểm đề tài CHƢƠNG 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 đƣờng xoắn vít 1.1.2 Thiết bị cấp phôi theo phƣơng thẳng 1.2 Xu hƣớng nghiên cứu giới 10 1.3 Phƣơng pháp thực 10 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 11 1.4.1.Tình hình nghiên cứu nƣớc 11 1.4.1.1 Ảnh hƣởng biên độ rung đến tốc độ di chuyển phôi 11 1.4.1.2 Ảnh hƣởng biên độ rung đến định hƣớng phôi 14 iii 1.4.1.3 Ảnh hƣởng thông số động lực học khác 17 1.4.1.4 Các nghiên cứu khác 20 1.4.2.Tình hình nghiên cứu nƣớc 25 Kết luận chƣơng 28 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 29 2.1 Cơ sở lý thuyết cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động 29 2.1.1 Phân tích lực tác dụng lên phôi 29 2.2.2 Các thông số ảnh hƣởng đến q q trình di chuyển phơi 31 2.2.2.1 Ảnh hƣởng thơng số kết cấu (góc nghiêng rãnh xoắn θ) [4] 31 2.2.2.2 Ảnh hƣởng thông số động lực học 32 2.2 Định hƣớng phân loại phôi 35 2.2.1 Phân loại phôi 35 2.2.2 Phơi có bề mặt mặt tròn xoay ngồi 35 2.2.3 Phơi có bề mặt mặt phẳng 37 2.2.4 Phơi có hình dạng phức tạp, tập hợp bề mặt tròn xoay trong, ngồi, mặt phẳng bề mặt định hình 37 2.3 Phân loại thiết bị cấp phôi dạng phễu rung 39 2.4 Tính tốn thiết kế thiết bị cấp phơi dạng phễu rung 41 2.4.1 Tính tốn thiết kế thơng số 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 suất cấu cấp phôi rung động 42 2.4.1.4 Xác định thông số hình học phễu rung 42 2.4.1.5 Xác định kích thƣớc đế máy rung 44 2.4.1.6 Xác định thông số cho nhíp đàn hồi 46 2.4.1.7 Xác định biên độ rung động 47 2.4.1.8 Tính nam châm điện 49 2.4.1.9 Xác định kích thƣớc giảm chấn cao su [3] 51 iv 2.4.2 Thiết kế cấu hình kênh phân loại 53 2.4.2.1.Phân tích đối tƣợng yêu cầu định hƣớng 53 2.4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống kênh phân loại 54 Kết luận chƣơng 56 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA, KIỂM TRA VÀ XÁC NHẬN MÔ PHỎNG SỐ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 58 3.1 Mơ hình hóa thiết bị cấp phơi dạng phễu rung 58 3.1.1 Cơng cụ thực mơ hình hóa 58 3.1.2 Mơ hình hóa phễu rung 59 3.1.2.1 Thông số thiết kế phễu rung theo tính tốn (bảng 2.4) 59 3.1.2.2 Quy trình thực 60 3.1.2.3 Kết 60 3.1.3 Mơ hình hóa chi tiết nguồn rung 61 3.1.3.1 Quy trình thực 61 3.1.3.2 Công cụ thiết kế kết mơ 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 lắp ráp 64 3.2 Tự động hóa thiết kế tham số sử dụng catia 64 3.2.1 Xây dựng liên kết tham số 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 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 phần mềm Catia 66 3.2.2.1 Sơ đồ q trình tự động hóa thiết kế tham số 66 3.2.2.2 Quá trình thực tham số hóa Catia 66 v 3.3 Kiểm tra xác nhận mô hình số 68 3.3.1 Xác định tần số dao động riêng 68 3.3.1.1 Công cụ mô số 68 3.3.1.2 Quy trình mơ 69 3.3.1.3 Kết mô 73 3.3.2 Xác định hệ số ma sát phôi phễu 75 3.3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm đo: Máy pháp VF 75 3.3.2.2 Phƣơng pháp đo lực ma sát máy VF 75 3.3.2.3 Các số liệu máy VF 76 3.3.2.4 Thông số 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 hệ thống 77 3.3.3.1 Thiết bị Detector III FAG 77 3.3.3.2 Thiết bị đo Nacentech 79 3.3.4 Xác định biên độ dao động xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng hệ thống… 80 3.3.4.1 Sơ đồ thiết bị đo 81 3.3.4.2 Kết xử lý số liệu 82 3.3.4.3 Xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng cho chuyển động phễu 82 3.4 Mô số thiết bị 84 3.4.1 Công cụ mô [42] 84 3.4.2 Quy trình mơ MSC ADAMS 85 3.4.2.1 Xác định nguyên lý làm việc q trình mơ 85 3.4.2.2 Các thông số thực mô 86 3.4.2.3 Kết mô MSC ADAMS 87 Kết luận chƣơng 88 CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU KẾT CẤU ĐIỀU HƢỚNG TRONG PHỄU CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 89 vi 4.1 Đánh giá ảnh hƣởng góc nghiêng rãnh xoắn đến suất cấp phơi 89 4.1.1 Trình tự thực 89 4.1.2 Xử lý số liệu kết 89 4.2 Đánh giá ảnh hƣởng điện áp đến suất cấp phôi 93 4.2.1 Quy trình thực 93 4.2.2 Xử lý số liệu kết 94 4.3 Tối ƣu hóa điện áp góc nghiêng rãnh xoắn đến suất cấp phơi 95 4.3.1 Quy trình tối ƣu 96 4.3.2 Các đại lƣợng đầu vào 96 4.3.3 Các đại lƣợng đầu 96 4.3.4 Các đại lƣợng cố định 96 4.3.5 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 97 4.3.5.1 Quy trình lấy số liệu mơ số 97 4.3.5.2 Số liệu mô số 97 4.3.5.3 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm [39,40,41] 99 4.3.5.4 Tìm hàm hồi quy 101 4.3.5.5 Tối ƣu hóa hàm mục tiêu 102 4.3.6 Thực nghiệm, kiểm tra so sánh với mơ hình số 103 4.4 Tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng phôi đến suất cấp phôi 105 4.4.1 Kết cấu cấu hình hệ thơng điều hƣớng 105 4.4.2 Năng suất cấp phôi 106 4.4.3 Các đại lƣợng cố định 107 4.4.4 Mô số kết cấu điều hƣớng 108 Kết luận chƣơng 110 KẾT L UẬN VÀ KIẾN NGHỊ 111 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 113 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 PHỤ LỤC 120 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, viết tắt Đơn vị Automatic Dynamic Analysis of Mechanical ADAMS AW b Bowl Ý nghĩa System (mô động lực học đa vật thể) Ansys Workbench mm Chiều rộng lò xo Phễu Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application (xử lý tƣơng tác không gian ba CATIA chiều có trợ giúp máy tính) D mm Đƣờng kính phễu Dd mm Đƣờng kính đế E Pa module đàn hồi f Hz Tần số rung 10 fr Hz Tần số dao động riêng hệ 11 H mm Chiều cao phễu 12 h mm Chiều cao chi tiết 13 NX 14 l mm 15 α Độ Góc nghiêng rãnh xoắn Độ Độ Góc nghiêng lò xo Góc lực quán tính mặt phẳng nghiêng mm Nm Hệ số ma sát phôi rãnh Bƣớc xoắn Mô men xoắn 16 17 18 19 20 μs t T 21 22 Track 23 24 SUS 304 25 Vct Phần mềm NX Chiều dài lò xo Máng dẫn hƣớng Hệ số tần suất Hệ số hấp thụ Inox 304 cm/s Vận tốc phôi viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1 Thống kê phƣơng pháp thực giới khoảng 20 năm gần 11 Bảng Thống kê nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng biên độ rung đến vận tốc phôi 12 Bảng Thông kê nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng biên độ rung đến định hƣớng phôi 14 Bảng Thống kê nghiên cứu đánh giá ảnh hƣởng tần số rung 17 Bảng Phân loại loại phôi 36 Bảng 2 Kích thƣớc phễu trụ thẳng[3] 40 Bảng Kích thƣớc phễu côn bậc[3] 40 Bảng Bảng thông phễu rung cấp phôi 52 Bảng Đặc điểm bẫy phôi nắp chai vaccine 54 Bảng Thông số phễu phôi 59 Bảng Thông số chi tiết lại 62 Bảng 3 Thơng số đặc tính vật liệu đƣợc sử dụng 70 Bảng Thông số hiệu chỉnh sensor 76 Bảng Kết đo từ máy đo ma sát động 77 Bảng Bảng thông số thiết bị đo hãng FAG 78 Bảng Bảng thông số thiết bị đo NACENTECH 80 Bảng Bảng thông số thiết bị đo VIBROPOST 80 81 Bảng Bảng giá trị biên độ tịnh tiến, góc xoay hàm động học tƣơng đƣơngxác định thực nghiệm 84 Bảng 10 Thông số vật liệu 86 Bảng Kết mô 92 Bảng Vận tốc phôi phụ thuộc vào điện áp 94 Bảng Kết mô 99 Bảng 4 Bảng giá trị hệ số hàm hồi quy 102 Bảng Giá trị vận tốc xác định thực nghiệm 103 Bảng Vận tốc phôi xác định mô số 103 Bảng Bảng so sánh vận tốc thực nghiệm mô số 104 Bảng Các cấu hình điều hƣớng 106 ix Bảng Kết mơ đánh giá cấu hình điều hƣớng sau 30s 109 Bảng 10 Kết mô đánh giá tổng thời gian cấp phôi 109 x DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.Cơ cấu cấp phơi rung sử dụng bánh lệch tâm [3] Hình Cơ cấu cấp phơi rung có nam châm điện [3] Hình Sơ đồ lực tác dụng nam châm đặt tâm[3] Hình Sơ đồ lực tác dụng nam châm đặt vị trí đối diện lò xo [3] Hình Thiết bị cấp phơi tự động theo nguyên lý rung động Hình Cơ cấu cấp phơi rung động thẳng 10 Hình Kết thực nghiệm với phôi 12 Hình Kết thực nghiệm với 200, 400, 800 phôi 13 Hình Mơ hình phân tích lực phễu cấp phơi rung 13 Hình 10 So sánh chuyển vị theo phƣơng X phôi lý thuyết mô số 14 Hình 11 Mối quan hệ biên độ rung tốc độ di chuyển phôi 14 Hình 12 Sáu trạng thái phơi thực nghiệm 15 Hình 13 Kết với phôi theo chiều nằm (LT) 15 Hình 14 Kết với phôi theo chiều đứng (UT) 15 Hình 15 Kết với phôi theo chiều ngang (CT) 16 Hình 16 Kết mơ 16 Hình 17 Kết so sánh mô thực nghiệm 17 Hình 18 Hình thái dao động phễu phƣơng pháp phần tử hữu hạn 18 Hình 19 Hình thái dao động phễu mơ hình số 18 Hình 20 Ảnh hƣởng tần số rung đến dịch chuyển khối 19 Hình 21 Ảnh hƣởng tần số rung động đến gia tốc khối 19 Hình 22 Các hình thái dao động mơi trƣờng số 20 Hình 23 Tần số dao động riêng xác nhận thực nghiệm 20 Hình 24 Sự phụ thuộc vận tốc phơi vào bán kính phễu 20 Hình 25 Điều hƣớng, (a)sử dụng kết cấu khí, (b) sử dụng khí nén 21 Hình 26 Mơ hình thực nghiệm 21 Hình 27 Biểu đồ Bode 22 Hình 28 Mơ hình với nam châm theo phƣơng tiếp tuyến (a) thẳng đứng (b) 22 Hình 29 Gia tốc chi tiết nam châm đặt theo phƣơng tiếp tuyến (a), dọc trục (b), xuyên tâm (c) 23 xi ... Nghiên cứu ứng dụng mô số để khảo sát động lực học tối ưu kết cấu điều hướng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Đối tƣợng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu, khảo sát động. .. học tối ƣu kết cấu điều hƣớng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống cấp phôi tự động dạng phễu rung. .. đánh giá kiểm chứng mô số - Khảo sát động lực học tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Mục đích nghiên cứu - Giảm thời gian thiết kế hệ thống đảm bảo