Luận án nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực học, tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

PHẦN MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong sản xuất hiện đại ngày nay, các công đoạn nhƣ gia cơng, 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 phơi liệu cho q trình trên là cần thiết. Đến nay,
hiện đã có nhiều loại thiết bị phục vụ cho q trình cấp phơi 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 phơi 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 cơng 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 phơi 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 mơi 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
phơi 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 cơng nhân hiện nay thấp, nhất là những
cơng 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 thơng qua các lị 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. Thơng 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
q trình nhảy lên và rơi xuống này, chuyển động tịnh tiến đƣợc hình thành và phơi
di chuyển lên phía trƣớc một khoảng so với vị trí cũ trên máng.
Việc tính tốn, 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 phơi là qui trình phức tạp và có tính quyết định. Cơng
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
cơng 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 tốn (phễu,
có cấu điều hƣớng, lị xo lá…). Kết quả của quá trình này là một hệ thống cấp phơi
tự động theo ngun 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 tốn đến chi phí chế
tạo. Các quy trình cơng nghệ và phƣơng án gia cơng 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 tốn (phễu, có cấu điều hƣớng,
lị xo lá…). Kết quả của quá trình này là một hệ thống cấp phơi tự động theo ngun
lý kích rung đƣợc hình thành.
Đây là một hệ thống thích hợp, ngồi ghép nối về mặt cơ học mà còn phải làm
việc ở chế độ cộng hƣởng. Do đó phải điều chỉnh các thơng 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 thơng 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 phơi 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 q trình động lực học của q trình cấp phơi từ
đó chỉ ra các đặc điểm về thông số kết cấu và ảnh hƣởng của nó đến q trình cấp
phơi, 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 phơi
trên phễu. Tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng trong hệ thống cấp phôi tự động theo
nguyên lý rung động.

3


3. 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 tốn hệ thống cấp phơi tự động dạng xoắn
vít theo ngun 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.

4. 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 mơ hình thiết bị trong mơi trƣờng số nhằm thử, xác nhận ứng
xử của phôi và kết cấu phễu rung cấp phơi.
- 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.

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 tốn thiết kế hệ thống cấp phôi tự động
theo nguyên lý rung động
- Mơ 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.

6. 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 phơi, từ đó xác định đƣợc mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận án.
- Nghiên cứu mô phỏng: Dựa vào kết quả tính tốn thiết kế hệ thống mơ hình
hóa và mơ phỏng. Mơ hình mơ phỏng đƣợc kiểm tra và xác nhận thông qua các dữ

4


liệu thực nghiệm. Sử dụng phần mềm mô phỏng động lực học đa vật thể với mơ
hình số đã xác nhận để đánh giá sự ảnh hƣởng của các thông số động lực học và kết
cấu tới năng suất cấp phôi cũng nhƣ xác định tần số dao động riêng để phục vụ cho
thiết kế chủ động cộng hƣởng
- Nghiên cứu thực nghiệm: Xác định thuộc tính của phơi cần cấp và xây
dựng dữ liệu quan hệ giữa vận tốc, góc xoay, chuyển vị theo phƣơng đứng với điện
áp và chế độ cộng hƣởng của cơ hệ tƣơng ứng với tần số của điện áp đầu vào
- Nghiên cứu tối ưu: Sử dụng mơ hình số đánh giá sự ảnh hƣởng của tần số,
biên độ, góc xoay, góc nghiêng rãnh xoắn, hình dáng và thứ tự đến năng suất cấp
phơi. Tối ƣu 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 hƣởng.

7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học
1. Chỉ ra đƣợc bản chất động lực học của quá trình cấp phơi từ đó chỉ ra đặc
điểm của thơng số động lực học, kết cấu và ảnh hƣởng của nó đến năng suất cấp
phôi.
2. Bằng lý thuyết và thực nghiệm đã xây dựng đƣợc mối quan hệ giữa một số
yếu tố cơng nghệ : điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn và vận tốc (năng suất) cấp phôi
đồng thời đã xác định đƣợc vận tốc cấp phơi lớn nhất khi góc nghiêng  = 1.2560,
tại mức điện áp 170V.
3. Bằng mô phỏng số đã tối ƣu hóa hệ thống bẫy điều hƣớng để có năng suất
cao nhất cấp phơi 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 thƣơng mại

hóa các hệ thống cấp phơi theo ngun 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. Đƣa ra một quy trình thiết kế chủ động cộng hƣởng.
2. Đƣa ra mơ hình thiết bị trong môi trƣờng số nhằm thử nghiệm, xác nhận tứng
xử của phôi và kết cấu phễu rung cấp phôi.
3. Áp dụng mơ phỏng số để tối ƣu hóa q trình cấp phôi nhằm giảm thời gian
thực nghiệm cấp nắp chai vaccien trên máng dẫn hƣớng.

5


4. Đã xây dựng đƣợc phƣơng 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 đƣợc 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 ƣu hóa hệ thống bẫy điều hƣớng để có năng suất
cao nhất cho q trình cấp nắp chai vaccien bằng cao su trên thiết bị cấp phôi tự
động theo nguyên lý rung động.

6


CHƢƠNG 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 đƣờng xoắn vít
Cơ cấu cấp phơi rung dạng phễu có máng dẫn hình xoắn vít đƣợc sử dụng

cấp các loại phơi rời có trọng lƣợng và kích thƣớc 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 đƣợc chia ra làm ba nhóm [3]
-

Phơi có bề mặt phẳng (vịng đệm, nút chai cao su, tấm…) các phơi này trƣợt

-

trên máng dẫn khi di chuyển.
Phơi hình trụ. Các phơi này có thể trƣợt hoặc lăn trên máng dẫn

-

Phơi hình cầu hoặc hình trụ có bán kính cầu ở đầu, các phôi này thƣờng lăn
khi di chuyển trên máng dẫn.

Các loại phơi 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 đƣợc gắn động cơ có bánh lệch
tâm tạo ra lực ly tâm. Phễu 2 đƣợc 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 phơi di chuyển theo máng dẫn dạng xoắn vít 3. Khi phơi di chuyển trên máng
dẫn sẽ có trạng thái trƣợt hoặc nhảy tùy thuộc vào biên độ dao động và góc nghiêng
α của các chân. Phơi từ phễu đƣợc di chuyển tới vị trí yêu cầu. Để cấp phôi đúng
nhịp, trên máng dẫn thƣờng đƣợc lắp các cơ cấu định hƣớng và ngắt phôi. Nếu trên

7


máng đã đầy phôi do lực cản các phôi sẽ trƣợt tƣơng đối trên máng hoặc rơi lại đáy
phễu.

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

Hình 1.2 là cơ cấu cấp phơi rung động dạng phễu rung có sử dụng nam châm
điện để tạo rung động. Phễu rung 2 đƣợc lắp lên chân 3 (lò xo lá). Ở tâm của đáy
phễu đƣợc lắp phần ứng từ 4 của nam châm điện, trên đế 5 đƣợc 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 đƣợc điều chỉnh nhờ vít 7 và bốn đế cao su số 8. Các
lò xo lá số 3 đƣợc đặt trên tấm đế 9. Để quá trình hoạt động của thiết bị này không
ảnh hƣởng 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) đƣợc thực hiện trên
phần thẳng của máng chứa. Máng chứa này đƣợc nối tiếp với máng xoắn vít. Q
trình kích rung đƣợc 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 lị xo lá [3]: góc α càng lớn thì lực tác dụng P1 càng lớn và ngƣợc lại. Các lực

8


này sẽ tác dụng tại các vị trí có độ cứng vững thấp nhất vì vậy hệ thống có tuổi thọ
không cao và thƣờng đƣợc áp dụng cho hệ thống có kích thƣớc phễu nhỏ[3].
Với các hệ thống có kích thƣớc phễu lớn (0.3-1m), sử dụng một nam châm ít

đƣợc dùng. Với kết cấu này, lực kéo phải lớn hơn vì vậy mà thƣờng sử dụng ba nam
châm điện gắn ở vị trí đối diện với các lị xo lá

Hình 1. 4. Sơ đồ lực tác dụng khi nam châm đặt vị trí đối diện lị 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 đƣợc chứa
trong phễu rung (bowl), khi có lực tác động từ nam châm điện, nhờ 03 lị xo lá đƣợc
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 phƣơng thẳng
Loại này là phần tiếp theo của q trình cấp phơi theo máng dẫn dạng xoắn
vít. Khi phơi đã đƣợc định hƣớng thì máng rung thẳng có nhiệm vụ vận chuyển phơi
ra phía đầu và cung cấp cho các máy khác hoạt động.

9


Hình 1. 6. Cơ cấu cấp phơi rung động thẳng

Ngun lý hoạt động: Khi có dịng 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 qn
tính của phơi lớn hơn lực ma sát giữa phơi và máng thì phơi sẽ di chuyển lên phía
trên và cung cấp cho máy khác hoạt động
Các phần tử chính của máy cấp phơi thẳng:
+Lị xo lá có tác dụng đỡ tấm đế lắp đặt máng và có tác dụng tạo ra dao động

cộng hƣởng.
+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

1.2. Xu hƣớng nghiên cứu hiện nay trên thế giới
Các nhà khoa học và chuyên gia công nghệ trên thế giới đã chỉ ra đƣợc lợi
ích của cấp phơi tự động. Và việc cấp phôi tự động phụ thuộc vào điều kiện làm
việc của từng máy móc, thiết bị và cơng đoạn sản xuất. Việc lựa chọn loại hình cấp
phơi là cơng việc tất yếu. Cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động đƣợc nghiên
cứu từ lâu trên thế giới. Các nhà khoa học trong và ngồi nƣớc đã có rất nhiều các
cơng trình khoa học nghiên cứu đến cấp phơi tự động nói chung và cấp phơi tự động
theo ngun lý rung động nói riêng (phụ lục 1).
Có rất nhiều các cơng trình nghiên cứu hệ thống cấp phơi tự động nói chung
và cấp phơi rung động nói riêng. Bằng cách phƣơng pháp khác nhau, các nghiên
cứu này đã chỉ ra sự ảnh hƣởng của các thông số động lực học cũng nhƣ định hƣớng
phơi trong q trình cấp phơi rung.

1.3. Phƣơng pháp thực hiện
Để thực hiện các nghiên cứu trên các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc đã
sử dụng nhiều phƣơng pháp khác nhau để cho ra đƣợc các kết quả nghiên cứu. Xu
10


hƣớng là sử dụng phƣơng pháp mô phỏng số kết hợp với xác nhận bằng thực
nghiệm nhằm thay các thử nghiệm trên mơ hình thực nghiệm mà kết quả vẫn tƣơng
đồng. Các năm gần đây, nhờ sự tiến bộ và hỗ trợ của máy tính ngồi thực nghiệm
các tác giả cịn sử dụng các phần mềm mơ 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

STT

Phương pháp

Số
lượng

1

Lý thyết (LT)

11

Năm

Tài liệu
tham khảo

1997, 1999, 2000, [24], [26], [3], [46],
2001, 2008, 2009.

[48], [49], [51], [52],
[57], [58], [60]

2

Mô phỏng (MP)

06

1996, 2005, 2009,
2010, 2011, 2017.

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

3

Thực nghiệm
(TN)

07

1994, 1997, 2001,
2002, 2005, 2011,
2013

[25], [8], [15], [28],
[36]; [17]

4

LT-MP

15

1997, 2002, 2003,
2004, 2005, 2007,

[38], [7], [31], [12],
[14], [50], [55], [59],

2013, 2014, 2016,
2017,2018

[62-67], [70]

5

LT-TN

09

1994, 1997, 2001,
2003, 2010, 2011,
2012

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

6

TN-MP

11

1986, 1993, 2003,
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 ngồi nƣớc
1.4.1.Tình hình nghiên cứu nƣớc ngồi
1.4.1.1. Ảnh hƣởng biên độ rung đến tốc độ di chuyển của phôi

11


Có rất nhiều các thơng số động lực học ảnh hƣởng đến q trình di chuyển
của phơi trong phễu, một trong những thơng số ảnh hƣởng 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

TT

Biên độ
(mm)

Vận tốc
(m/s)

Tài liệu tham
khảo

Năm

1

0.061

0.0937

[5]

1993

2

0.143-0.377

0.045-0.085

[6]

2002

3

0.5-4.5

0.002-0.095

[7]

2013

Năm 1993, G.H.Lee[5] bằng thực nghiệm và mô phỏng số đã đánh giá sự
ảnh hƣởng của biên độ rung động cũng nhƣ các thông số động lực học khác đến q
trình di chuyển của phơi. Tác giá đã chỉ ra rằng với biện độ dao động là 0.061mm
thì tốc độ đạt đƣợc là 0.0937m/s kết quả này sai lệch 2,7% so với thực nghiệm
(0.0962m/s). Năm 2002, I. Han và Y.Lee[6] đã đánh giá sự ảnh hƣởng của biên độ
đến trạng thái hoạt động của phôi (vận tốc). Bằng mô phỏng số cho thấy ở chế độ
hỗn loạn, tốc độ di chuyển của phơi ít thay đổi hơn so với chế độ ổn định và chế độ
trƣợt và nhảy khi biên độ thay đổi (hình 1.7). Bằng thực nghiệm, với tần số
f=120Hz, hệ số mát sát giữa phơi và máng μ = 0.5, góc lị xo lá 180, góc nghiêng
rãnh xoắn α = 50, các tác giả chỉ ra đƣợc sự phụ thuộc của biên độ và điện áp. Từ
biên độ tìm đƣợc tác giả đi tìm mối liên hệ giữa biên độ và vận tốc với thử nghiệm
một phôi duy nhất. Với biên độ thực nghiệm a nằm trong khoảng từ 0.158mm đến
0.18mm tƣơng ứng với tham số điều khiển  từ 0.398 đến 0.343 phôi ở trạng thái
hoạt động ổn định. Tốc độ lớn nhất khi biên độ đạt 0.166mm.

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

12


Theo kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, vận tốc của phơi ở trạng thái
chuyển động hỗn loạn ít phụ thuộc vào các thông số điều khiển  là các trạng thái
khác. Với mơ hình thực nghiệm này, Han và Lee cũng đã làm thực nghiệm với số
lƣợng phôi nhiều hơn (200, 400, 800 phôi) và cũng cho kết quả tƣơng 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 tốn, xây
dựng mơ hình 2D để mô phỏng chuyển động của phôi bằng phƣơng pháp phần tử
rời rạc.

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

Với các thông số động lực học: khối lƣợng 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 phƣơng pháp này là 10% (hình 1.10).

13


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 đƣợc
tiến hành với sự thay đổi biên độ từ 1a0max đến 4a0max và kết quả cho thấy tƣơng
đồng với các nghiên cứu trƣớc 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 hƣớng giảm.

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

1.4.1.2. Ảnh hƣởng của biên độ rung đến định hƣớng phôi
Biên độ là một trong những thông số động lực học quan trọng có tính quyết
định đến năng xuất cấp phơi, ngồi vận tốc nó cịn ảnh hƣởng đến q trình định
hƣớng phơi. Có rất nhiều các cơng 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
hướng phôi

Kết quả
TT

Biên độ
(mm)

Tỷ lệ phôi đúng hướng

Tài liệu tham
khảo

Năm

1

0.6&1

96%

[8]

1997

2

0.166-0.330

1.5-2.5 phôi/s

[6]

2002

3

0.15-0.21

0-100%

[9]

2003

4

0.025-0.1

20-98%

[10]

2013

14


Năm 1997, Dina R. Berkowitz và John Canny [8] bằng các mơ phỏng và
thực nghiệm nhóm tác giả đánh giá tỷ lệ phôi đúng hƣờng 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 đƣợc tiến hành với 350 phôi khác nhau với 3 trạng thái ban đầu là LT
(nằm dọc đầu hƣớng trƣớc), UT (thẳng đứng đầu ở trên) và CT (nằm ngang đầu
hƣớng ra) khi biên độ thay đổi với góc nghiêng của rãnh xoắn là 12,80 và đạt đƣợc
kết quả nhƣ sau:

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

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

15


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

Năm 2002, I. Han và Y. Lee [6] sau khi làm thực nghiệm, nhóm tác giả đánh
giá ảnh hƣởng của biên độ đến tỷ lệ phơi 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 hƣởng của biên độ rung, kích thƣớc của các bẫy đến q trình định
hƣớng phơi. Sau đó thiết kế chế tạo mơ hình thực nghiệm và đánh giá sự ảnh hƣởng
của biên độ đến tỷ lệ phôi đúng hƣớng. 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 phơi đi qua
cũng tăng tuyến tính, tỷ lệ này lớn hơn 1.1 thì tỷ lệ phơi đi qua đạt 100% (hình
1.16).

Hình 1. 16. Kết quả mơ phỏng

Năm 2013, Daniel Hofmann[10] và các công sự đã tiến hành so sánh sự ảnh
hƣởng của biên độ đến q trình định hƣớng phơi bằng mô phỏng số và thực
nghiệm. Nghiên cứu đƣợc tiến hành với hai loại phơi bằng thép khác nhau (phơi
trịn 8.76x12.82 và phơi hình hộp 8x8x12) và hệ thống phễu đƣợc làm bằng
polyamide. Với loại phơi trịn với chiều cao bƣớc của rãnh (h) là 1,4,7mm và biên
16


độ rung 10μm đến 70μm. Kết quả cho thấy rằng với chiều cao bƣớc càng thấp tỷ lệ
phôi đúng hƣớng 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 hƣởng của các thông số động lực học khác
Trong các yếu tố động lực học tác dụng lên q trình di chuyển của phơi, tần
số rung là một trong những yếu tố tác động đến lực tác động của của phễu đến phơi
qua đó ảnh hƣởng đến vận tốc của phơi, ngồi ra tần số rung ảnh hƣởng đến các yếu
tố khác của hệ thống.
Bảng 1. 4. Thống kê các nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của tần số rung

Tần số (hz)
TT
Thực nghiệm

Mô phỏng

0, 56, 103, 113.8,

52, 118, 128,

508.4, 820.8

500, 618

2

176.8, 327.8, 337.2,
569.4, 747.9, 822.6

179.9, 576.4,
747.3

3

5,8,10

1

5, 8,10

17

Kết quả

Tài liệu
tham
khảo

Thời
gian

Lò xo lá

[11]

1986

Phễu

[12]

2004

Chuyển
vị, gia tốc

[13]

2015


Năm 1986, D. Morrey và J.E. Mottershead[11] sử dụng mô hình phân tích và
mơ phỏng số nhằm xác nhận các hình thái dao động của hệ thống giá treo (lị xo lá).
Kết quả cho thấy với mơ hình số hình thái dao động của hệ thống treo ở các tần số
khác nhau từ 0 đến 802.4Hz, với mơ hình phân tích tần số rung động ở các mức từ
52Hz đến 618 Hz tƣơng đồng với mơ hình số.
Năm 2004, S.B. Choi, D.H. Lee[12] bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn kết
hợp với mơ hình số đã chỉ ra đƣợc sự tƣơng đồng về hình thái dao động của phễu.
Các tác giả đã xây dựng mơ hình thực nghiệm kiểm nghiệm để so so sánh với kết
quả tính tốn. Việc kiểm tra đƣợc thực nghiệm với các tầm số rung khác nhau. Kết

quả thực nghiệm thu đƣợc 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 mơ hình số

Năm 2015, Hao-Wen Ma và Gang Fang [13] bằng các tính tốn lý thuyết kết
hợp với phần mềm MATLAB đã đánh giá sự ảnh hƣởng của tần số rung đến dịch
chuyển của hệ thống rung động. Các thử nghiệm đƣợc 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).

18


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

Ngoài ra, các tác giả cũng đánh giá sự ảnh hƣởng 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 phơi 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 đƣợc tần số dao động riêng của hệ thống và sử dụng mô hình thực nghiệm

nhằm để đánh giá sự tƣơng đồng của mơ hình số và mơ 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 mơ hình hệ thống cấp
phơi tự động theo ngun lý rung động mà tần số riêng của hệ thống bằng tần số lực
kích rung.

19


Hình 1. 22. Các hình thái dao động trên mơi 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 mơ
hình cấp phơi tự động sử dụng phễu rung. Các tác giả đã nghiên cứu lý thuyết về
vận tốc của phơi trong phễu rung. Sau đó chế tạo mơ 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 phơi vào bán kính phễu

20


Qua mơ hình thực nghiệm này, các tác giả cũng nghiêm cứu sự ảnh hƣởng
của độ độ cứng lò xo lá đến vận tốc của phôi khi tần số rung thay đổi. Sự ảnh hƣởng
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 phơi khi di chuyển trên đƣờng xoắn ốc. Nghiên cứu này chỉ ra nguyên lý
hoạt động của một hệ thống cấp phôi tự động dạng phễu rung cũng nhƣ sự cần thiết
của hệ thống điều hƣớng phơi. Ngồi ra, các tác giả đã chế tạo và làm thực nghiệm
với hai phƣơng điều hƣớng khác nhau. Phƣơng pháp thứ nhất sử dụng kết cấu điều
hƣớng bằng cơ khí. Phƣơng pháp thứ hai sử dụng bằng khí nén. Qua hai phƣơng
pháp này, các tác giả đã đƣa ra nhận định chọn kết cấu điều hƣớng 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. Mơ hình thực nghiệm

21


Năm 2007 Paul C.-P. Chao và Chien-Yu Shen[16] đã xây dựng mơ hình thực
nghiệm dựa trên hệ thống cấp phơi rung động thẳng. Tuy nhiên còn đƣợc lắp thêm
một thiết bị hỗ trợ điện áp trên hai dầm rung. Động năng của phôi đƣợc mô tả bằng
phƣơng pháp phân ly Rayleigh–Ritz. Áp dụng phƣơng 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 đƣợc đại diện với ba phƣơng trình.
Thực nghiệm đƣợc thực hiện với các phơi có trọng lƣợng và kích thƣớc 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 hƣởng 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 mơ 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 mơ hình thực nghiệm, nam châm điện đƣợc gắn theo hai
hƣớng khác nhau là theo phƣơng tiếp tuyến và theo phƣơng thẳng đứng.

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

22


Từ mơ hình và kết quả thực nghiệm các tác giả đã xây dựng đƣợc biểu đồ về
gia tốc của các chi tiết trong hệ thống nhƣ 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 trƣờng 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 mơ hình băng trƣợt rung đƣợc lắp liên tục với nhau. Qua nghiên
cứu này, các tác giả đã đƣa ra sự so sánh tốc độ di chuyển của vật thể trên băng tải
giữa thực tế và mơ hình thực nghiệm.

Hình 1. 30. Module hệ thống băng tải rung

23


Ban đầu các tác giả làm mô phỏng với phôi có hệ số ma sát với máng là 0,25

và góc pha từ 0 đến 1800. Kết quả cho thấy mô phỏng và đo thực tế có sai lệch lớn
nhất là 20% và vận tốc đạt đƣợc lớn nhất khi góc pha là 900 . Với góc pha từ 1800
đến 3600 tốc độ lớn nhất khi góc pha là 2700(hình 1.31).

Hình 1. 31. So sánh tốc độ di chuyển giữa mô phỏng và thực nghiệm khi hệ số ma sát là
0,25

Hình 1. 32. So sánh tốc độ di chuyển giữa mô phỏng và thực nghiệm khi hệ số ma sát thay
đổi

Với mơ hình thực nghiệm này nhóm tác giả đã tiến hành làm thực nghiệm
với các loại phôi khác nhau (hệ số ma sát giữa phôi và máng khác nhau). Kết quả
cho thấy giữa mơ phỏng và thực tế khơng cịn tƣơng đồng khi hệ số ma sát lớn hơn
0,8 do hiệu ứng thanh trƣợt (hình 1.32).

Hình 1. 33.Vận tốc của các phôi theo phương Z

24


Năm 2011, Rentao Chen và các cộng sự [18] với sự hỗ trợ của phần mềm mô
phỏng động lực học đa vật thể (ADAMS) đã đánh giá sự ảnh hƣởng của hình dạng
phơi đến vận tốc của phơi. Với 05 phơi ở các vị trí khác nhau trong phễu, sau khi
mơ hình hóa và tạo các liên kết động học, các tác giả đã đƣa ra sự thay đổi của vận
tốc các phôi theo trục Z. Kết quả cho thấy, vận tốc lớn nhất có thể đạt đƣợc là
0.5m/s và các phôi đi hết quãng đƣờng trên máng dẫn là từ 5,5s (hình 1.33).
1.4.2.Tình hình nghiên cứu trong nƣớc
Thời gian gần đây việc nghiên cứu chế tạo hệ thống cấp phôi tự động theo
nguyên lý rung động đƣợc quan tâm nhiều ở Việt Nam. Các nhà khoa học, các công
ty sản xuất thiết bị tự động đang tìm các giải pháp tối ƣu cho việc thiết kế và chế tạo

hệ thống này.
PGS. TS. Nguyền Phƣơng, Nguyễn Thị Phƣơng Giang[2] đã nêu ra các
nguyên lý cơ bản của hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Các
thông số động lực học ảnh hƣởng đến q trình cấp phơi.
Trong giáo trình này đã đƣa ra quá trình động lực học của phơi trên phễu.

Hình 1. 34. Lực tác dụng khi phôi nằm trên máng dẫn

Điều kiện để phôi đi lên là Fqt > Fms+Fng. Có rất nhiều yếu tố động lực học
và kết cấu ảnh hƣởng đến tốc độ di chuyển của phơi nhƣ góc nghiêng rãnh xoắn góc
nghiêng rãnh xoắn, hệ số ma sát, tần số rung…Phễu chứa phôi dao động khoảng
3000  3500 lần trong một phút (vặn đi, vặn lại, lắc) với biên độ dao động 0.02 
0.05mm. Ngoài ra tác giả cũng chỉ ra phƣơng pháp tính tốn thiết kế cũng nhƣ định
hƣớng cho hệ thống cấp phơi tự động theo ngun lý kích rung.
GS. TS. Trần Văn Địch [3] cũng đã nêu ra đƣợc các nguyên lý cơ bản của hệ
thống cấp phôi tự động theo nguyên lý kích rung. Tác giả đã chỉ ra rằng máng dẫn
chuyển động điều hịa hình sin nhờ lực kích rung từ các nam châm điện. Các nam
châm điện này đƣợc lựa chọn dựa vào đƣờng kính của phễu rung và góc nghiêng
của lị xo lá.
25