Luận án ứng dụng mô phỏng số tối ưu cấp phôi tự động rung động

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. 1 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. Có ba giai đoạn chính trong thiết kế, đó là nghiên cứu lên phƣơng án và tìm phƣơng án khả thi, các thiết kế sơ bộ và thiết kế chi tiết. Trong quá trình nghiên cứu 2 lên phƣơng án các giải pháp thiết kế đƣợc đƣa ra và có thể tính toán đến chi phí chế tạo.

Các quy trình công nghệ và phƣơng án gia công đƣợc đƣa ra trong quá trình thiết kế sơ bộ. Cuối cùng, các bản vẽ chi tiết, yêu cầu kỹ thuật và đặc tính đƣợc thể hiện trong thiết kế chi tiết. Dựa vào thiết kế đã đƣa 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 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” 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 ƣu hóa kết cấu điều hƣớng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động.

Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ƣu, nhƣợc 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 hƣởng 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 ƣu 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 ƣu hóa kết cấu điều hƣớng của hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Mục đích nghiên cứu - Giảm thời gian thiết kế hệ thống đảm bảo thiết bị hoạt động ở chế độ cộng hƣởng.

- Giảm thời gian hiệu chỉnh, thử nghiệm để hệ thống hoạt động trong vùng cộng hƣởng. - Xây dựng một mô hình thiết bị trong môi trƣờng số nhằm thử, xác nhận ứng xử của phôi và kết cấu phễu rung cấp phôi. - Đƣa ra một quy trình thiết kế, hiệu chỉnh, kiểm nghiệm thiết bị để hệ thống sau khi chế tạo đƣa vào sản xuất đúng ngay từ lần đầu tiên. 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 ƣu kết cấu điều hƣớng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Phƣơng 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 hƣởng đến năng suất cấp phôi, từ đó xác định đƣợc 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.