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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN MÙI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ KHẢO SÁT
ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU KẾT CẤU ĐIỀU HƢỚNG
TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG
THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1- PGS.TS. Lê Giang Nam
2- TS. Bùi quí Lực

Phản biện 1: GS.TSKH.Phạm Văn Lang
Phản biện 2: PGS.TS. Tăng Huy
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Văn Dự

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến
sĩ cấp Trường họp tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


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

là một yêu cầu cấp bách.
Những đặc điểm nêu trên là định hướng cho việc lựa chọn đề
tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực
học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự
động theo nguyên lý rung động”
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu, khảo sát động lực học quá trình di
chuyển của phôi trên phễu. Tối ưu hóa kết cấu điều hướng trong
hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động.
3. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ
thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Các thông số
động lực học, kết cấu ảnh hưởng đến năng suất cấp phôi.
1


- 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.
4. Mục đích nghiên cứu
- Giảm thời gian thiết kế hệ thống đảm bảo thiết bị hoạt
động ở chế độ cộng hưởng.
- Giảm thời gian hiệu chỉnh, thử nghiệm để hệ thống hoạt
động trong vùng cộng hưởng.

- Xây dựng một mô hình thiết bị trong môi trường số nhằm
thử, xác nhận ứng xử của phôi và kết cấu thùng phân loại.
- Đưa ra một quy trình thiết kế, hiệu chỉnh, kiểm nghiệm
thiết bị để hệ thống sau khi chế tạo đem 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.
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 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
2


xác nhận để đánh giá sự ảnh hưởng của các thông số động lực học
và kết cấu tới năng suất cấp phôi cũng như xác định tần số dao
động riêng để phục vụ cho thiết kế chủ động cộng hưởng
- Nghiên cứu thực nghiệm: Xác định thuộc tính của phôi

cần cấp và xây dựng dữ liệu quan hệ giữa vận tốc, góc xoay,
chuyển vị theo phương đứng với điện áp và chế độ cộng hưởng
của cơ hệ tương ứng với tần số của điện áp đầu vào
- Nghiên cứu tối ƣu: Sử dụng mô hình số đánh giá sự ảnh
hưởng của tần số, biên độ, góc xoay, góc nghiêng rãnh xoắn, hình
dáng và thứ tự đến năng suất cấp phôi. Tối ưu hóa giá trị góc
nghiêng rãnh xoắn và thứ tự kênh phân loại đến năng suất cấp
phôi trong nguyên tắc làm việc chủ động công hưởng.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học
1. Chỉ ra được bản chất động lực học của quá trình cấp phôi từ
đó chỉ ra đặc điểm của thông số động lực học, kết cấu và ảnh
hưởng của nó đến năng suất cấp phôi.
2. Bằng lý thuyết và thực nghiệm đã xây dựng được mối quan
hệ giữa một số yếu tố công nghệ : điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn
và vận tốc (năng suất) cấp phôi đồng thời đã xác định được vận
tốc cấp phôi lớn nhất khi góc nghiêng  = 1.2560, tại mức điện áp
170V.
3. Bằng mô phỏng số đã tối ưu hóa hệ thống bẫy điều hướng
để có năng suất cao nhất cấp phôi tự động theo nguyên lý rung
động.
b. Ý nghĩa thực tiễn
1. Việc áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất giúp
giảm thời gian thiết kế, giảm chi phí chế tạo và nâng cao hiệu quả
kinh tế trong việc thương mại hóa các hệ thống cấp phôi theo
nguyên lý kích rung.
- 2. Kết quả của luận án còn để tham khảo trong việc đào
tạo cán bộ thiết kế, kỹ thuật, học viên cao học, nghiên cứu sinh
của ngành kỹ thuật Cơ khí và Cơ điện tử.
8. Những điểm mới của đề tài

1. Đưa ra một quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng.
3


2. Đưa ra mô hình thiết bị trong môi trường số nhằm thử
nghiệm, xác nhận tứng xử của phôi và kết cấu phễu rung cấp phôi.
3. Áp dụng mô phỏng số để tối ưu hóa quá trình cấp phôi
nhằm giảm thời gian thực nghiệm cấp nắp chai vaccien trên máng
dẫn hướng.
4. Đã xây dựng được phương trình hàm hồi quy thực nghiệm
về mối quan giữa điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn và vận tốc (năng
suất) cấp phôi. Đồng thời đã xác định được vận tốc cấp phôi lớn
nhất khi góc nghiêng  thay đổi từ 1.10 đến 4,50, điện áp Y thay
đổi từ 100V đến 170V.
5. Bằng mô phỏng số đã tối ưu hóa hệ thống bẫy điều hướng
để có năng suất cao nhất cho quá trình cấp nắp chai vaccien bằng
cao su trên thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động.
9. Cấu trúc của luận án
Luận án bao gồm 142 trang với 29 bảng biểu số liệu, 126 hình
ảnh và sơ đồ, gần 80 tài liệu tham khảo. Kết cấu bao gồm: mở đầu
06 trang, tổng quan 22 trang, cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế
hệ thống 27 trang, mô hình hóa, kiểm tra xác nhận và mô phỏng số
hệ thống 30 trang, khảo sát động lực học và tối ưu hóa kết cấu
điều hướng 21 trang, kết luận và đề xuất 02 trang, tài liệu tham
khảo 07 trang, phụ lục 17 trang.
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ
ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG
Trong chương này tập trung tập trung xem xét, đánh giá các
công bố về cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động liên quan
đến các nội dung sau:

1. Xu hương nghiên cứu về cấp phôi tự động.
2. Các phương pháp sử dụng khi nghiên cứu.
3. Ảnh hưởng của các thông số động lực học và kết cấu đến
vận tốc và định hướng của phôi trên máng dẫn
Kết luận chƣơng 1.
1. Thiết bị cấp phôi theo nguyên lý rung động đang được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp cả trong và ngoài nước phục vụ cho
việc cấp các chi tiết rời rạc.
2. Các công trình khoa học trong và ngoài nước thời gian gần đây
đã chỉ ra năng suất cấp phôi phụ thuộc và các yếu tố động lực học
4


và kết cấu. Việc nghiên cứu tối ưu hóa các thông số này đang
được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
3. Hiện nay trên thế giới đang nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số
nhằm khảo sát và tối ưu hóa các thông số động lực học và kết cấu
phễu rung cấp phôi nhằm giảm thời gian cũng như chi phí thử
nghiệm qua đó chọn được kết cấu phù hợp cho thiết kế.
CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT
KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ
RUNG ĐỘNG
2.1. Cơ sở lý thuyết
Trong hệ thống này (hình 2.1) thùng phân loại (phễu rung)
được gắn lên đế trên. Đế trên được lắp lên 3 lò xo lá để tạo rung
động, nó thực hiện các chuyển xoay xung quanh trục thẳng đứng
và chuyển động vặn đi vặn khứ hồi nhờ đó mà phôi di chuyển theo
máng dẫn. Khi phôi di chuyển trên máng dẫn sẽ có trạng thái trượt
hoặc nhảy tùy thuộc vào biên độ dao động và góc nghiêng α của
các chân. Phôi từ thùng phân loại được di chuyển tới vị trí yêu

cầu. Để cấp phôi đúng nhịp, trên máng dẫn thường được lắp các
cơ cấu định hướng và ngắt phôi. Nếu trên máng đã đầy phôi do lực
cản các phôi sẽ trượt tương đối trên máng hoặc rơi lại thùng chứa.
Trong quá trình phân tích trạng thái của phôi trên máng, biên
độ dao động tăng dần từ 0. Khi tần số nhỏ phôi gần như không di
chuyển trên máng dẫn do lực quán tính của phôi nhỏ hơn lực ma
sát. Trên hình 2.5 ta thấy rằng lực quán tính lớn nhất tác dụng lên
phôi khi máng dẫn đạt vị trí giới hạn. Lực này được chia làm hai
thành phần song song và pháp tuyến lần lượt là: mp.a0.2cosψ và
mp .a0.2 .sinψ.

Hình 2. 1. Hệ thống cấp phôi

phôi rung

Hình 2. 2. Lực tác dụng lên phôi
vrãnh

5


Điều kiện để phôi trượt lên trên là:
mp .a0 .2 .cosψ > mp .a0 .g. sinθ + F
(2.1)
2
Trong đó: F = μs.N = μs.[ mp.g.cosθ - mp .a0. .sinψ) (2.2)
Với μs là hệ số ma sát tĩnh giữa phôi và máng dẫn.
Từ phương trình (2.1) và (2.2) điều kiện để phôi đi lên là:
(2.3)
Tương tự như vầy, điều kiện để phôi di chuyến lùi xuống là:

(2.4)
Trạng thái hoạt động của phễu rung được biểu thị dưới dạng gia
tốc pháp tuyến của máng dẫn không thứ nguyên An/gn. Trong đó,
An là gia tốc pháp tuyến của máng dẫn (
sinψ),
gn gia tốc trọng trường theo phương pháp tuyến (gn=g.cosθ) và g =
9.81m/s2 gia tốc trọng trường. Vậy ta có:
(2.5)
Thay (2.5) vào (2.3) và (2.4) ta có, điều kiện để phôi đi lên là:
(2.6)
Điều kiện để phôi di chuyển lùi xuống là:
(2.7)
So sánh phương trình (2.6) và (2.7) ta thấy rằng điều kiện để
phôi đi lên là:
Khi θ quá nhỏ ta có:

(2.8)

Với biên độ rung động đủ lớn, phôi sẽ di chuyển trên máng
dẫn với trạng thái trượt và nhảy theo đường dẫn. Điều này chỉ xảy
ra khi phản lực N giữa phôi và máng dẫn bằng 0. Theo hình 2.5 ta
có:
(2.9)
Do đó, để phôi rời khỏi máng dẫn ta có:
2.2. Định hƣớng và phân loại phôi
Giới thiệu các loại phôi cơ bản, cách định hướng và phân loại
ứng với từng loại phôi đó.
6

2.3. Phân loại phễu rung
Giới thiệu các loại phễu rung hiện có bao gồm cấu tạo, hình
dạng, vật liệu và các kích thước cơ bản.
2.4. Tính toán thiết kế hệ thống
2.4.1. Tính toán thiết kế các thông số chính
Với chi tiết cần cấp là nắp chai vaccine như hình 2.16 năng
suất 120 chiếc/phút. Định hướng theo yêu cầu. Kết quả tính toán
như sau:
Bảng 2. 1. Bảng thông của phễu rung cấp phôi

2.4.2. Thiết kế kênh phân loại cho nắp chai vaccine
a. Đối tượng phân loại
Đối tượng nắp chai vaccine có kích thước, hình dạng và trạng
thái phôi yêu cầu đầu ra (nằm ngửa) như hình 2.16.

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

b. Lựa chọn kênh phân loại
Đối tượng nắp chai vaccine là dạng chi tiết tròn xoay trụ bậc
và miệng vành khăn thuộc nhóm chi tiết loại II có l/d<1 nên được
định hướng theo 2 cấp[3][19]. Theo nghiên cứu đã công bố trước
đây[4] đã đưa ra hệ thống kênh phân loại cho một số chi tiết tương
đồng với hình dáng nắp chai vaccine như trên hình 2.22. Cả hai hệ
thống kênh phân loại đều sử dụng thanh gạt làm cấp 1 để tách
7


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

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

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

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

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

Kết luận chƣơng 2.
1. Nghiên cứu lý thuyết động lực học của phôi cho biết
được các lực tác động lên phôi nằm và di chuyển trên đường dẫn
hướng. Nhờ các lực tác động đó phôi sẽ có trạng thái trượt và nhảy
khi di chuyển trên máng dẫn. Đồng thời cũng chỉ rõ điều kiện để
phôi có thể di chuyển đi lên và đi đúng hướng.
8


2. Năng suất cấp phôi, thể hiện qua số lượng phôi đúng ra
hướng cấp được phụ thuộc vào góc nghiêng rãnh xoắn, tần số
rung, biên độ dao động, hệ số ma sát giữa phôi và kênh dẫn, kết

cấu và cấu hình hệ thống bẫy phân loại. Từ đó làm cơ sở để xác
định bài toán nghiên cứu giới hạn cho phôi là nắp chai thuốc
vaccine bằng cao su, ma sát cho cặp vật liệu là cao su và inox,
dạng điều khiển theo biên độ, cố định tần số tương ứng với dạng
thiết bị làm việc ở chế độ chủ động cộng hưởng.
3. Bằng phân tích lý thuyết đã chỉ ra được kết cấu kênh
dẫn và các bẫy phân loại phù hợp với đối tượng khảo sát là nắp
chai vaccine bằng cao su. Làm cơ sở thiết kế phễu rung cấp phôi
kiểu xoắn vít.
4. Trên cơ sở tính toán thiết kế theo module đã lựa chọn
được kết cấu nguồn rung phù hợp cho xây dựng thiết bị rung cấp
phôi với kết cấu phễu phù hợp với đối tượng khảo sát là nắp chai
thuốc vaccine bằng cao su là tiền đề cho phân tích thực nghiệm và
xây dựng mô hình số nhằm khảo sát và nghiên cứu các bài toán tối
ưu.
CHƢƠNG 3. MÔ HÌNH HÓA, KIỂM TRA XÁC NHẬN VÀ
MÔ PHỎNG SỐ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM
3.1. Mô hình hóa hệ thống cấp phôi
Để mô hình hóa hệ thống tác giả sử dụng hai module của
CATIA là: Part Design và Wireframe and Surface Design.
Các bước mô hình hóa dựa trên việc phân tích cấu tạo của
từng bộ phận như phễu rung, nguồn rung… từ đó chia ra thiết kế
các thành phần, sau đó lắp ráp thành một hệ thống hoàn chỉnh trên
môi trường CAD (hình 3.16)
3.2. Tự động hóa thiết kế bằng tham số sử dụng catia
Kết quả: Khi cần thay đổi các thông số đầu vào, chỉ cần
nhập các thông số thay đổi trong bảng tham số từ Excel và đưa
vào trong môi trường Catia. Ta sẽ nhận được phễu rung cấp phôi
với các thông số hình học đáp ứng yêu cầu đầu vào

9


Hình 3. 3. Quy trình thực hiện mô hình
hóa phễu rung

Hình 3. 10. Quy trình mô hình hóa
nguồn rung

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

3.3. Kiểm tra và xác nhận mô hình số
3.3.1. Xác định tần số dao động riêng
Nghiên cứu này sử dụng module Modal Analysis của phần
mềm Ansys Workbench để mô phỏng và phân tích dạng dao động
riêng tại các giá trị tần số dao động riêng cơ bản của cơ hệ. Qua đó
xác định được dạng dao động riêng làm việc thực tế của cơ hệ
thông qua mô phỏng. Cũng như có phương hướng thiết kế tránh
10


các dạng dao động riêng phương hại đến hoạt động của cơ hệ khi
có phương lực và tần số tác động tương ứng.
Kết quả mô phỏng cho thấy hình thái chuyển động tại các tần
số dao động riêng cơ bản có tính tương đồng với công bố của A.
Kadam và M. Pisotre, 2017 [23]. Tại tần số dao động riêng 100.92
Hz có hình thái chuyển động xoay quanh trục thẳng đứng với hình
thái hoạt động của thiết bị rung cấp phôi. Từ đó xác nhận được các
thông số kết cấu, vật liệu của thùng phân loại và bích ghép nối
giữa thùng phân loại với hệ thống treo sao cho cơ hệ có tần số

riêng bằng tần số của lực kích thích và bằng hai lần tần số của
dòng điện cấp cho nguồn rung.

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

3.3.2. Xác định hệ số ma sát giữa phôi và phễu
Sử dụng thiết bị đo hệ số ma sát, VF tại Bộ môn Máy và Ma sát
học, Viện Cơ khí, Trường ĐHBKHN để xác định được hệ số ma
sát giữa phôi (cao su) và phễu (sus304) kết quả là 0.65.
11


3.3.3. Xác định tần số dao động của hệ thống
Bằng các thiết bị đo rung động của FAG và NACENTECH xác
định tần số dao động riêng của hệ thống là 100Hz.

Hình 3.35. Sơ đồ đo dao động theo Hình 3. 38. Sơ đồ và thiết đo của Viện
phương ngang bằng thiết bị hãng FAG
ứng dụng công nghệ (Nacentech)

3.3.4. Xác định biên độ dao động và xây dựng hàm động học
tương đương hệ thống

Hình 3.40. Sơ đồ và thiết bị đo VIBROPOST 80

Với thiết bị đo sử dụng hai cảm biến tiệm cận cho phép đo được
biên độ cũng như tần số rung mà không cần tiếp xúc. VIBROPOST
80 cho phép kết nối với bốn module vì vậy nó có thể đo cùng một
lúc cả dao động theo phương ngang và phương tiếp tuyến. Ngoài ra,
thiết bị này còn có thể xác định được tần số riêng của từng chi tiết

trong hệ thống. Với thiết bị lưu trữ ngoài, VIBROPOST 80 cho phép
lưu trữ và xử lý số liệu ngay trên thiết bị.
Theo kết quả xử lý ta thấy rằng, ở mức điện áp 170V, chuyển vị
theo phương thẳng đứng đạt giá trị là 396x2 = 792μm, chuyển vị
theo phương tiếp tuyến là 102x2=204μm. Tần số dao động riêng tại
các mức điện áp là 100Hz (hình 3.41). Từ đó xây dựng các hàm
12


động học tại các mức điện áp khác nhau từ 90V đến 170V (bảng
3.9).

Hình 3.41. Kết quả đo được xử lý trên phần mềm ReX
Bảng 3.9. Bảng giá trị biên độ tịnh tiến, góc xoay và hàm động học tương
đươngxác định bằng thực nghiệm

3.4. Mô phỏng số thiết bị
Phần mềm mô phỏng động lực học đa vật thể MSC.ADAMS
(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System) là phần mềm
được sử dụng rộng rãi trên thế giới để phân tích động lực học của
nhiều vật thể trong hệ thống. MSC.ADAMS thực hiện giải pháp
bằng cách đồng thời giải quyết các phương trình động học, tĩnh
học, bán tĩnh và động lực học đa vật thể một cách nhanh chóng và
chính xác
Kết quả mô phỏng:

13


- Các thông số thí nghiệm được hiệu chuẩn để mô hình số

phản ánh ứng xử tương đồng với mô hình thực.
- Đánh giá sự tương quan giữa mô phỏng và thực nghiệm cho
thấy sự tương đồng về tốc độ dịch chuyển của nắp chai vaccine
trên rãnh xoắn, giá trị sai lệch là 0.5% (hình 3.48)
- Kênh phân loại qua mô phỏng được kiểm nghiệm chính xác
giúp phôi đi đúng hướng để đi vào quá trình lắp ráp.

Vtb =107.46 (mm/s)

Vtb =106.95 (mm/s)

Hình 3.48. So sánh giá trị vận tốc mô phỏng và vận tốc trên mô hình thực

Kết luận chƣơng 3
1. Đã xây dựng qui trình và giải pháp tự động hóa thiết kế cho
mô hình thiết bị cấp phôi dạng phễu rung bao gồm mô hình hình
học, mô hình vật liệu và mô hình phần tử nhằm cung cấp dữ liệu
cho các quá trình phân tích và chế tạo.
2. Bằng phân tích dao động riêng và dạng dao động, đã chỉ ra
một qui trình thiết kế để đảm bảo tần số riêng của cơ hệ trùng với
tần số kích thích và dạng dao động riêng phù hợp với trạng thái
cấp phôi của hệ thống, qua đó đạt được một hệ thống chủ động
cộng hưởng.
3. Thiết bị thực nghiệm đã chế tạo có tần số cộng hưởng trùng
với tần số của lực kích thích, qua đó khẳng định phương án thiết
kế chủ động cộng hưởng là đúng đắn. Đồng thời xác định được
chuyển vị theo phương thẳng đứng và góc xoay tại một mức điện
áp đầu vào, làm cơ sở xây dựng hàm động học cho phễu rung. Từ
đó tiến hành xây dựng mô hình số rút gọn của thiết bị cấp phôi
rung dạng xoắn vít.

4. Mô hình số rút gọn đã được kiểm tra và xác nhận thông qua
khảo sát, so sánh tốc độ di chuyển của phôi trên mô hình số và mô
hình thực nghiệm tại chế độ điều khiển tương ứng.
14


CHƢƠNG 4. KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU
KẾT CẤU ĐIỀU HƢỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI
TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG
4.1. Đánh giá sự ảnh hƣởng của góc nghiêng rãnh xoắn đến
năng suất cấp phôi
Quá trình thực hiện đánh giá sự ảnh hưởng của góc nghiêng
rãnh xoắn bằng mô phỏng được thực hiện với các yếu tố đầu vào
là biên độ dao động, góc xoay được xác định ở một mức điện áp
cố định. Các thông số vật liệu của các chi tiết như: phôi, thùng
phân loại… Tần số rung được xác định là 100Hz[3], hệ số ma sát
giữa phôi và thùng phân loại là 0.65 (theo 3.3.2). Với các tính toán
và tham số hóa nhằm mô hình hóa một cách nhanh nhất trên môi
trường các thông số của hệ thống được đưa vào môi trường mô
phỏng động lực học (ADAMS). Các thông số động lực học bao
gồm vật liệu, các liên kết, hàm động học được thiết lập (bảng 3.9).
Thực hiện các mô phỏng với các bước thay đổi n+1=n+0.10 với
giá trị góc nghiêng rãnh xoắn nằm trong khoảng từ 10 đến 50. Xác
định vị trí của phôi theo thời gian, xử lý số liệu và đánh giá sự ảnh
hưởng của góc nghiêng rãnh xoắn đến vận tốc của phôi qua đó tìm
được góc nghiêng rãnh xoắn tối ưu.
Kết quả đo trên mô hình số cho thấy, vận tốc di chuyển của
phôi phụ thuộc vào góc nghiêng rãnh xoắn. Với góc nghiêng tăng
từ 10 đến 1.450 thì vận tốc tăng. Khi góc nghiêng tăng từ 1.450 đến
4.50 vận tốc phôi giảm dần. Góc nghiêng lớn hơn 4.50 phôi không

di chuyển. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đã đề
xuất và giá trị miền tra bảng. Tuy nhiên bằng mô phỏng có thể xác
định được giá trị vận tốc lớn nhất tại giá trị   1.450

Hình 4.5. Biểu đồ sự phụ thuộc giá trị vận tốc – góc nghiêng rãnh xoắn với điện
áp 160V

15


4.2. Đánh giá sự ảnh hƣởng của điện áp đến năng suất cấp
phôi
Để đánh giá sự ảnh hưởng của điện áp đến năng suất cấp phôi,
các mô phỏng được thực hiện với mô hình số được thiết kế với
góc nghiêng rãnh xoắn rãnh xoắn  = 2.50, mức thay đổi điện áp từ
100V đến 170V với các hàm động học được xác định như bảng
3.9. Với mỗi một mô phỏng ở các mức điện áp khác nhau, xác
định vị trí của phôi theo thời gian, tính toán và tìm vận tốc của
phôi.
Từ biểu đồ hình 4.7, ta thấy rằng khi điện áp tăng từ 100-170
(V) thì vận tốc trung bình của phôi cũng tăng tương ứng.

Hình 4.7. Biểu đồ vận tốc phụ thuộc điện áp với góc nghiêng rãnh xoắn 2,50

4.3. Tối ƣu hóa điện áp và góc nghiêng rãnh xoắn đến năng
suất cấp phôi
Các đại lượng đầu vào
- Điện áp đầu vào (V)
- Góc nghiêng rãnh xoắn ()

Quá trình mô phỏng số để tối ưu
điện áp và góc nghiêng rãnh
xoắn của phễu cấp phôi

Các đại lượng động lực học cố định
- Các thông số vật liệu
- Các phương trình động học liên kết
- Hệ số ma sát giữa phôi và máng
- Các liên kết động lực học giữa máng và phôi
- Hệ số hấp thụ rung động
- Tần số rung động

Hình 4.8. Sơ đồ tối ưu hóa

16

Các đại lượng đầu ra
- Năng xuất cấp phôi
(vận tốc và vị trí phôi)


Với hai biến đầu vào là điện áp và giá trị góc nghiêng rãnh
xoắn và đầu ra là tốc độ di chuyển của phôi trên phễu ta biểu thị
mối quan hệ giữa các đại lượng như sau Z=(x, y). Với Z là tốc độ
di chuyển của phôi, x là đại lượng góc nghiêng rãnh xoắn, y là các
đại lượng đầu vào là điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn. Quá trình lấy
số liệu được thực hiện trên mô phỏng số bằng cách đo khoảng
cách tại hai vị trí bất ký theo các mức thời gian t1 và t2 từ khoảng
cách và thời gian tính được vận tốc trung bình như bảng 4.3. Mô
phỏng được thực hiện trên phần mềm MSC ADAMS với các đại

lượng cố định như thông số vật liệu, hệ số ma sát giữa phôi và
máng, tần số rung, hệ số hấp thụ rung động.
Bảng 4.3. Kết quả mô phỏng

17


Chọn bậc đa thức của hàm hồi qui là hàm bậc bốn với X và
bậc hai với Y. Sử dụng MATLAB ta có kết quả như sau:

Hình 4.11. Kết quả tìm hàm hồi qui trên MATLAB

Với bậc của hàm hồi qui đã chọn và các yếu tố đầu vào, đầu
ra. Ta chọn hàm hồi qui trên MATLAB có dạng:
f ( x, y)  331.1  26.26 x  6.964 y  29.38 x 2  1.647 xy  0.03254 y 2  12.67 x3  0.3138x 2 y 
0.005274 xy 2  1.386 x 4  0.02096 x3 y  0.00056 x 2 y 2

Giá trị tối ưu đạt được khi góc nghiêng rãnh xoắn đạt giá trị X
= 1.2560 (1.30) điện áp Y = 170V, khi đó giá trị vận tốc đạt giá trị
lớn nhất V = 138.6157 mm/s.
Thực nghiệm, kiểm tra và so sánh với mô hình số
Từ kết quả tối ưu, tiến hành chế tạo thiết bị thực nghiệm hệ
thống cấp phôi rung với các thông số góc nghiêng rãnh xoắn của
rãnh xoắn θ = 1.30. Tiến hành thực nghiệm và mô phỏng để xác
nhận mô hình số. Thực nghiệm được tiến hành ở các mức điện áp
khác nhau và lấy giá trị trung bình của năm lần đo ta được vận tốc
trung bình của thực nghiệm.

18

Vận tốc trung bình

Vận tốc (mm/s)

160
140
120
100
80
60
40
20
0
80

Mô hình số
Mô hình thực

100

120

140

160

Điện áp (V)
180

Hình 4.13. Biểu đồ vận tốc phụ thuộc vào điện áp với góc nghiêng 1,30

Từ biểu đồ hình 4.13 ta thấy rằng có sự tương đồng giữa mô
hình số và mô hình thật. Độ sai lệch về giá trị vận tốc lớn nhất
<10%. Vì vậy mô hình số đã phản ánh đúng và tương đồng so với
mô hình thật Tối ưu hóa kết cấu điều hướng phôi đến năng suất
cấp phôi
4.4. Tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng phôi đến năng suất cấp
phôi

Hình 4. 1. Quy trình tối ưu hóa cơ cấu điều hướng

Trong nghiên cứu này, chi tiết nắp vaccine có hình dáng tập
hợp của hai dạng: trụ bậc và trụ rộng. Đối với hai dạng đặc trưng
này, sổ tay của Boothroyd, 2005 [4] cũng đưa ra một vài cấu hình.
Từ đó, lựa chọn một số kết cấu bẫy điều hướng với thông số ảnh
hưởng đến chức năng của các bẫy như hình 4.15.

19


Hình 4. 2. Ba bẫy và các tham số hình học ảnh hưởng đến chức năng của chúng

Các bẫy được thiết kế đảm bảo chức năng của chúng; từ đó
sắp xếp vị trí các bẫy trên máng dẫn. Mỗi cách sắp xếp khau nhau
tạo thành một cấu hình điều hướng, đánh giá từng cấu hình điều
hướng giúp ta lựa chọn được một cấu hình tối ưu. Thứ tự sắp xếp
các bẫy từ trong ra ngoài tương ứng từ trái qua phải như bảng 4.8:
Bảng 4.8. Các cấu hình điều hưởng

Với các đại lượng đầu vào cố định mục 4.4.1, lựa chọn các bẫy
phù hợp và tham số kích thước đảm bảo định hướng yêu cầu như
hình 4.15. Sáu cấu hình được đánh giá trên cùng điều kiện như
nhau với thời gian của một bước được cài đặt là 0.001s. Để giảm
thời gian mô phỏng, đầu tiên sẽ đánh giá tỉ lệ phôi đúng hướng sau
30s mô phỏng đầu tiên, thời gian này đảm bảo 10 phôi đầu vào đi
hết 1 lượt qua các cấu hình điều hướng. Sau đó xem xét các cấu
hình đảm bảo tỉ lệ phôi đúng hướng đạt 100%, đây là tỉ lệ mà thiết
kế luôn muôn đạt tới. Tiếp theo các cấu hình cùng đạt được tỉ lệ
phôi đúng hướng100% sẽ được mô phỏng với lượng thời gian lớn
20


hơn để đánh tổng thời gian cấp hết số phôi đó, từ đó lựa chọn
được cấu hình tối ưu.
Bảng 4. 1. Kết quả mô phỏng đánh giá các cấu hình điều hướng sau 30s đầu tiên

Bảng 4. 2. Kết quả mô phỏng đánh giá tổng thời gian cấp phôi

Từ bảng 4.10, ta thấy với cùng số lượng và trạng thái phôi đầu
vào thì cấu hình CH1 (hình 2.27) cho thời gian ngắn nhất để phân
loại hết số phôi đó và đây là cấu hình tối ưu để lựa chọn triển khai
chế tạo
Kết luận chƣơng 4
1. Trong xem xét từng phần quan hệ giữa năng suất với góc
nghiêng rãnh xoắn, và với điện áp nguồn rung cho thấy: Khi điện
áp cố định và thay đổi góc nghiêng rãnh xoắn thì đây không phải
là một quan hệ tuyến tính và giá trị góc nghiêng phù hợp cho nắp
chai vaccine bằng cao su là 1,450. Khi góc nghiêng cố định và điện
áp tăng thì năng suất tăng đối với loại phễu rung làm việc ở chế độ

cộng hưởng và điều khiển theo điện áp, cố định tần số.
2. Sử dụng mô phỏng số đánh giá ảnh hưởng của hai thông
số là điện áp và góc nghiêng rãnh xoắn. Bằng xử lý số liệu theo
phương pháp qui hoạch thực nghiệm đã tìm ra được hàm hồi qui
21


về mối liên hệ giữa điện áp, góc nghiêng và vận tốc của phôi. Qua
đó cũng chỉ ra được giá trị tối ưu đạt được khi góc nghiêng rãnh
xoắn đạt giá trị X = 1.2560, điện áp Y = 170V, khi đó giá trị vận
tốc đạt giá trị lớn nhất V = 138.6157 mm/s.
3. Đã xây dựng được mô hình số và qui trình thực hiện trên
MSC ADAMS của phễu rung có kiểm tra xác nhận theo dữ liệu
thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng rãnh xoắn,
kết cấu và cấu hình hệ thống bẫy phân loại đến năng suất cấp phôi.

22


KẾT L UẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1. Trên cơ sở khảo cứu tài liệu và nghiên cứu lý thuyết,
luận án đã chỉ ra các thông số động lực học ảnh hưởng đến quá
trình di chuyển của phôi cũng như kết cấu kênh dẫn, kết cấu bẫy
phân loại và thứ tự của chúng ảnh hưởng đến năng suất cấp phôi.
Hệ thống cấp phôi theo nguyên lý rung động làm việc tốt nhất ở
chế độ cộng hưởng khi tần số riêng của cơ hệ bằng tần số lực kích
rung, từ đó xây dựng quy trình thiết kế theo nguyên tắc chủ động
cộng hưởng.
2. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm từ mẫu thử kết hợp

với các thiết bị đo, luận án đã xác định được tần số dao động riêng
của hệ thống bằng với tần số lực kích rung. Đồng thời xác định
được chuyển vị theo phương thẳng đứng và góc xoay tại các mức
điện áp khác nhau, từ đó xây dựng được các quan hệ động học
theo các mức điện áp làm tiền đề cho mô phỏng số. Dữ liệu thực
nghiệm đã được thu thập làm căn cứ kiểm tra, so sánh và xác nhận
mô hình số.
3. Bằng mô phỏng số đã đánh giá được sự ảnh hưởng của
góc nghiêng rãnh xoắn và các thông số động lực học là biên độ và
góc xoay thể hiện qua điện áp nguồn rung, cũng như đã đánh giá
được sự ảnh hưởng của cơ cấu điều hướng đến năng suất cấp phôi.
Hàm hồi quy giữa góc nghiêng rãnh xoắn và điện áp được xây
dựng trên dữ liệu mô phỏng, qua đó tìm ra được bộ thông số tối ưu
cho năng suất cấp phôi đúng hướng cao phù hợp với yêu cầu đầu
ra.
4. Trên cơ sở mô hình đã tối ưu về góc nghiêng rãnh xoắn
và điện áp nguồn rung, bằng mô phỏng số, luận án đã đánh giá
được kết cấu và thứ tự kênh phân loại phù hợp với sản phẩm nắp
chai vaccine.
5. Đã đưa ra được một quy trình thiết kế chế tạo hệ thống
cấp phôi tự động theo nguyên lý rung với nguyên tắc chủ động
cộng hưởng. Thiết kế được phân tích kiệm nghiệm để có thể đúng
ngay từ lần đầu tiên sau khi chế tạo.

23