Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Tối ưu hóa máy gọt củ năng bằng phương pháp thực nghiệm taguchi

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Bành Quốc Nguyên Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lê Thanh Long

2. Thư ký: TS Phạm Quang Trung

3. Phản biện 1: TS Lê Thanh Long

4. Phản biện 2: TS Phạm Hữu Lộc

5 Ủy viên: PGS.TS Trương Nguyễn Luân Vũ

Xác nhận của Chủ Tịch Hội đồng đánh giá LV và trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa (nếu có)

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trần Hoàng Trọng MSHV:1970402 Ngày, tháng, năm sinh: 01/11/1996 Nơi sinh: Hà Tĩnh Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí Mã số : 8520103

I TÊN ĐỀ TÀI

Tối ưu hóa máy gọt củ năng bằng phương pháp thực nghiệm Taguchi

(Optimization the peeling process of water chestnut by taguchi method)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

− Nhiệm vụ 1 : cải tiến, chế tạo và vận hành máy gọt củ năng

− Nhiệm vụ 2 : xây dựng quy trình lượng hóa hai chỉ tiêu chất lượng đầu ra gồm độ sạch và khối lượng còn lại của củ năng thành phẩm Trong đó quy trình lượng hóa độ sạch của củ năng thành phẩm ứng dụng kết quả công trình nghiên cứu xử lý ảnh của phòng thí nghiệm CDIO, khoa Cơ khí, Đại học Bách khoa TPHCM

− Nhiệm vụ 3 : Xác định các thông số đầu vào tối ưu theo đồng thời hai chỉ số chất lượng đầu ra gồm độ sạch và khối lượng còn lại của củ năng thành phẩm bằng phương pháp thực nghiệm Taguchi

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 06/06/2022 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

− Giáo viên hướng dẫn chính: TS Bành Quốc Nguyên

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cám ơn:

− Thầy TS Bành Quốc Nguyên người đã hỗ trợ, chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

− Quý Thầy, Cô trường Đại học Bách Khoa đã nhiệt tình truyền thụ bài giảng − Bạn Đặng Quốc Thắng và BÙI THẾ HÀO đã giúp đỡ, đóng góp ý kiến cho

luận văn này

− Mẹ, vợ và con trai đã hỗ trợ và ủng hộ tinh thần cho con

Tập thể các bạn học luôn ủng hộ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đến khi hoàn thiện luận văn

TÓM TẮT

Luận văn là công trình nghiên cứu khoa học trình bày quá trình tối ưu hóa máy bóc vỏ củ năng thông qua quy hoạch thực nghiệm Trọng tâm của nghiên cứu này là quá trình nghiên cứu và phát triển máy thông qua phương pháp thiết kế thực nghiệm Taguchi kết hợp với tối ưu hóa đồng thời hai đặc tính về tiêu chí độ sạch và khối lượng còn lại của củ năng bằng hệ số xám Bốn nhân tố được lựa chọn cho thiết kế thực nghiệm gồm: thời gian cắt; tốc độ cắt, góc cắt và chiều cao cắt Tiêu chí độ sạch của củ năng được xác định bằng phương pháp xử lý ảnh và tiêu chí khối lượng còn lại của củ năng được xác định bằng phương pháp cân thủ công bằng cân điện tử Kết quả thực nghiệm được chứng minh thông qua biểu đồ ảnh hưởng chính và biểu đồ phân tích phương sai ANNOVA nhằm kiểm tra và đánh giá các tác động nổi bật từ các thông số đầu vào và xếp hạng theo tác động của chúng đến hiệu suất chung của quá trình bóc tách

ABSTRACT

The thesis is a scientific research project presenting the optimization process of the peeling machine through design of experience The focus of this research is the research and development process of the machine through the Taguchi experience design method combined with the multi-respond optimization of two characteristics on the criteria of cleanliness and residual weight of the water chestnuts by grey relational Four factors were selected for experimental design including: cutting time; cutting speed, cutting angle and cutting height The purity criterion of the water chestnuts was determined by image processing method and the remaining weight of the water chestnuts was determined by manual weighing using an electronic balance The experimental results are demonstrated through the main effect graph and the ANNOVA analysis of variance chart to test and evaluate the outstanding effects from the input parameters and rank them according to their impact on the performance general of the peeling process

LỜI CAM KẾT

Tôi tên: Trần Hoàng Trọng

Học viên lớp: Cao học Kỹ Thuật Cơ Khí – K2019 – Đợt 2 Mã số học viên: 1970402

Theo quyết định giao đề tài luận văn cao học của phòng Đào tạo sau đại học, Đại học Bách Khoa Tp HCM, tôi đã thực hiện luận văn cao học với đề tài “Tối ưu hóa máy gọt củ năng bằng phương pháp thực nghiệm Taguchi” dưới sự hướng dẫn của TS Bành Quốc Nguyên từ ngày 14/02/2022 đến 06/06/2022

Tôi xin cam kết đây là luận văn tốt nghiệp cao học do tôi thực hiện Tôi đã thực hiện đúng theo quy định của phòng đào tạo sau đại học, Đại Học Bách Khoa TP.HCM và theo sự hướng dẫn của TS Bành Quốc Nguyên

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm với những lời cam kết trên đây Nếu có sai phạm trong quá trình thực hiện luận văn, tôi xin hoàn toàn chịu các hình thức xử lý của phòng đào tạo sau đại học và Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh

Học viên

Trần Hoàng Trọng

1.1 Tóm tắt kết quả nghiên cứu công trình trước 1

1.1.1 Mô hình máy gọt củ năng 1

1.1.2 Quá trình quy hoạch thực nghiệm 3

1.2 Mục tiêu đề tài 4

1.3 Phạm vi đề tài 4

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT……… 6

2.1 Cơ sở thiết kế, mô phỏng máy 6

2.1.1 Cơ sở thiết kế máy 6

2.1.2 Cơ sở mô phỏng máy 10

2.2 Quy hoạch thực nghiệm bằng phương pháp Taguchi 12

2.3 Lý thuyết tối ưu hóa đồng thời nhiều thông số đầu ra theo lý thuyết hệ số xám 15

2.3.1 Tính toán và trình tự chuẩn hóa dữ liệu (data normalization) 15

Trình tự 1: “cao hơn là tốt hơn” 15

2.3.2 Tính toán trình tự sai lệch chuẩn 16

2.3.3 Tính toán hệ số xám (Grey relation coefficient) 16

2.3.4 Tính toán cấp quan hệ xám 17

2.4 Quy trình kiểm tra độ sạch của sản phẩm 17

2.5 Quy trình kiểm tra trọng lượng của sản phẩm 18

CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY………20

3.1 Thiết kế và cải tiến máy 20

3.1.1 Thiết kế cải tiến mô đun ổ trục truyền động 20

3.1.2 Thiết kế cải tiến mô đun gọt vỏ 21

3.2 Chế tạo và lắp ghép máy 27

3.3 Vận hành thử và kiểm tra hoạt động của máy, 27

CHƯƠNG 4: QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM……… …29

4.1 Bài toán quy hoạch thực nghiệm 29

4.1.1 Xác định các nhân tố đầu vào của quy hoạch thực nghiệm 29

4.1.2 Xác định các cấp độ lấy mẫu của các nhân tố 30

4.1.3 Bài toán quy hoạch thực nghiệm 32

4.2 Phương pháp thực hiện quy hoạch thực nghiệm 33

CHƯƠNG 5: PHÂN TÍCH DỮ LIỆU THU THẬP……….34

5.1 Phân tích dữ liệu thực nghiệm 34

5.2 Tối ưu hóa đa mục tiêu bằng lý thuyết hệ số xám 35

5.2.1 Tính toán trình tự chuẩn hóa dữ liệu 35

5.2.2 Tính toán sai lệch chuẩn 36

5.2.3 Tính toán hệ số xám và cấp quan hệ xám 37

5.2.4 Áp dụng minitab để tính toán thực nghiệm 37

5.2.5 Phân tích kết quả thực nghiệm 40

CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ VÀ ĐỀ XUẤT……… 44

6.1 Tóm tắt kết quả thực nghiệm 44

6.2 Các vấn đề còn tồn đọng trong nghiên cứu 44

6.3 Các đề xuất cho hướng nghiên cứu tiếp theo 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO……….52

PHỤ LỤC XỬ LÝ ẢNH……….… 54

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN MÔ ĐUN TRUYỀN ĐỘNG………74

PHỤ LỤC CHẾ TẠO LẮP ĐẶT VÀ VẬN HÀNH MÁY……… 81

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG……… 96

Danh sách hình ảnh

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý-nguyên lý hoạt động máy gọt củ năng (hình ảnh từ công trình

nghiên cứu trước) 2

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý cắt gọt (hình ảnh từ công trình nghiên cứu trước) 2

Hình 2.1: phân loại mô đun 6

Hình 2.2: Vòng đời của sản phẩm được thiết kế theo mô đun 7

Hình 2.3: Sơ đồ chức năng của máy gọt củ năng 8

Hình 2.4: Sơ đồ chức năng con của máy gọt củ năng 8

Hình 2.5: Sơ đồ sắp xếp chức năng con 8

Hình 2.6: Sơ đồ kết cấu chức năng máy gọt củ năng 9

Hình 2.7: Sơ đồ dòng chảy chức năng tổng thể máy gọt củ năng 9

Hình 2.8: Quy trình kiểm bền chi tiết máy 11

Hình 2.9: Kết quả mô phỏng chi tiết trục của mô đun truyền động bằng phần mềm Ansys 11

Hình 2.10: Mô hình nghiên cứu quá trình áp dụng quy hoạch thực nghiệm 12

Hình 2.11: Sơ đồ nhân tố đặc tính 13

Hình 2.12: Mô hình áp dụng quy hoạch thực nghiệm 13

Hình 2.13: Mô hình nghiên cứu áp dụng hệ số xám 15

Hình 2.14: Quy trình kiểm tra độ sạch của sản phẩm 17

Hình 2.15: quy trình kiểm tra trọng lượng của sản phẩm 18

Hình 2.16: Cân điện tử 19

8&@:H 1:KL+,A*_.,`aE'

89:.(#JC E'

889d#Hed4.1:KL+, *7 g,7/'



Danh sách hình ảnh phụ lục I

Hình I 1: Nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh 47

Hình I 2: Đồ thị phân vùng ma trận giữa background (trắng) và foreground (gạch chéo) 48

Hình I 3: Hàm PDF tích phân từng vùng 49

Hình I 4: Biểu đồ histogram tính toán giá trị phân ngưỡng 49

Hình I 5: phần mềm ImageJ 50

Hình I 6: Quy trình kiểm tra độ sạch của sản phẩm 51

Hình I 7: Sơ đồ nguyên lý thu thập dữ liệu ảnh 53

Hình I 8: Chuyển đổi ảnh sang thang màu xám 8 bite 54

Hình I 9: Phân đoạn ảnh vùng biên của củ năng 55

Hình I 10: Phân đoạn ảnh phần vỏ thừa trên củ năng 55

Hình I 11: Tính diện tích phần vỏ thừa trên củ năng 55

Hình I 12: Tính diện tích vùng biên của củ năng 56

Danh sách hình ảnh phụ lục II

Hình II 1: Sơ đồ lắp ghép trục hiện tại 61

Hình II 2: Sơ đồ bố trí đường kính trục hiện tại 62

Hình II 3: Sơ đồ phân tích động học trục truyền động 62

Hình II 4: Giá trị lực tại các tiết diện 63

Hình II 5: Biểu đồ phân bố lực và mô men trên trục 64

Hình II 6: Trục được import vào phần mềm Ansys 69

Hình II 7: Nhập thông số vật liệu 69

Hình II 8: Chia lưới mô hình 70

Hình II 9: Thiết lập lực tại vị trí khớp nối 70

Hình II 10: Thiết lập lực tại vị trí mâm quay 70

Hình II 11: Thiết lập mô men lên các phần tiết diện 70

Hình II 12: Thiết lập điểm quay cố định lên trục 71

Hình II 13: Các loại mô phỏng trên phần mềm Ansys 71

Hình II 14: Biến dạng trục theo hướng xoay Z; mô phỏng ứng suất của trục 72

Hình II 15:Bảng thống kê kết quả theo phần mềm Ansys 72

Danh sách hình ảnh phụ lục III

Hình III 1: Sai lệch cho phép đối với kích thước dài 76

Hình III 2: Sai lệch cho phép đối với các mép vát 76

Hình III 3: Sai lệch cho phép của các kích thước góc 76

Hình III 4: Thông số then 77

Hình III 5: Bản vẽ chế tạo chi tiết path chỉnh góc 77

Hình III 6: Bản vẽ chế tạo chi tiết dao cắt 78

Hình III 7: Máy phay cơ FM-15 S 78

Hình III 8:Máy phay CNC 79

Hình III 9: Máy khoan đứng 79

Hình III 10: Máy cắt dây 79

Hình III 11: Thước cặp… với độ chính xác 0.05 (mm) 80

Hình III 12: Nguyên lý kiểm tra kích thước dài bằng thước cặp 80

Hình III 13: Đồng hô so với độ chính xác 0.01 (mm) 81

Hình III 14:Sơ đồ nguyên lý kiểm tra độ song song chi tiết 81

Hình III 15: Hình ảnh kiểm tra kích thước path chỉnh góc 81

Hình III 16: Hình ảnh kiểm tra độ song song của chi tiết dao cắt 82

Hình III 17:Máy đo độ cứng tại phòng đo lường khoa Cơ Khí Đại Học Bách Khoa TPHCM 83

Hình III 18: Sơ đồ nguyên lý kiểm tra độ cứng bề mặt của chi tiết 83

Hình III 19: Bản vẽ chế tạo căn góc 84

Hình III 20: Máy in 3D 85

Hình III 21: Cụm dao cắt 85

Hình III 22: Kiểm tra độ song song của cụm dao cắt 85

Hình III 23:Thiết lập thông số góc bằng dưỡng căn góc 86

Hình III 24: Thiết lập cao độ bằng thước lá 87

Hình III 25: Nguyên lý thiết lập cao độ bằng thước lá 87

Hình III 26: Đo độ đảo mặt đầu của đĩa 87

x

Danh sách bảng biểu

Bảng 4.1: Bảng giá trị các nhân tố đầu vào 31

Bảng 5.1: Bảng thu thập dữ liệu thực nghiệm 33

Bảng 5.2: Bảng chỉ số S/N của độ sạch (CV), khối lượng còn lại (RW) 34

Bảng 5.3: Bảng chuẩn hóa dữ liệu 34

Bảng 5.4: Bảng tính toán sai lệch chuẩn 35

Bảng 5.5: Bảng tính toán hệ số xám 36

Bảng 5.6: Bảng kết quả thực nghiệm theo hệ số xám 37

Bảng 5.7: Bảng phản hồi về mức độ ảnh hưởng của các nhân tố 39

Bảng 5.8: Bảng thông số tối ưu nhất trong thực nghiệm 40

Bảng 5.9: Bảng mô hình tuyến tính Anova 41

Bảng 5.10: Bảng mô hình tuyến tính ANOVA giữa vận tốc cắt và thời gian cắt 41

Danh sách bảng biểu phụ lục I

Bảng I 1: Bảng giá trị calip phần mềm ImageJ 50 Bảng I 2: Bộ thiết bị dùng để thu thập dữ liệu ảnh 52

Danh sách bảng biểu phụ lục II

Bảng II 1: Bảng thông số động cơ SG-P1 61

Bảng II 2: Bảng thông số vật liệu 62

Bảng II 3: Bảng kết quả tính toán các thông số W và 𝑊0 tại các tiết diện 66

Bảng II 4: Bảng kết quả tính toán 𝜎𝑎 66

Bảng II 5: Bảng kết quả tính toán m và m 67

Bảng II 6: Bảng kết quả tính toán tiết diện trục theo hệ số an toàn 67

Danh sách bảng biểu phụ lục III

Bảng III 1: Bảng bóc tách vật tư cụm dao cắt cải tiến 74

Bảng III 2: Bảng thông số vật liệu SS400 và SK3 75

Bảng III 3: Bảng kiểm tra độ song song của chi tiết dao cắt 82

Bảng III 4: Bảng kết quả kiểm tra độ song song của cụm dao cắt sau khi lắp 86

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tóm tắt kết quả nghiên cứu công trình trước

Các kết quả đã đạt được ở công trình nghiên cứu trước − Thiết kế và chế tạo máy gọt củ năng

− Xác định các thông số cho chỉ tiêu chất lượng qua quá trình quy hoạch thực nghiệm

1.1.1 Mô hình máy gọt củ năng

Trong công trình nghiên cứu trước nhóm nghiên cứu của khoa cơ khí đại học Bách Khoa TPHCM đã nghiên cứu và chế tạo thành công mô hình máy gọt củ năng với các thông số sau:

− Kích thước máy (dài x rộng x cao): 415 x 415 x 860 (mm) − Chức năng máy: gọt vỏ củ năng bán tự động

− Công suất: 0.75 (kW/h)

Sơ đồ nguyên lý và nguyên lý hoạt động máy gọt củ năng hiện tại

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý-nguyên lý hoạt động máy gọt củ năng (hình ảnh từ công trình nghiên cứu trước)

Sơ đồ nguyên lý cắt gọt

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý cắt gọt (hình ảnh từ công trình nghiên cứu trước)

Một số hình ảnh về máy gọt củ năng hiện tại

Hình 1.3: Tổng quan máy

Hình 1.4: Cụm dao cắt

1.1.2 Quá trình quy hoạch thực nghiệm

Trong công trình nghiên cứu trước đã đưa ra các đánh giá về các yếu tố đầu vào của máy gọt củ năng

− Vận tốc cắt 200 (vòng/phút) là hiệu quả nhất trong thí nghiệm − Thời gian cắt ảnh hưởng đến chỉ số chất lượng đầu ra của sản phẩm

Mô hình nghiên cứu trong công trình nghiên cứu trước: đánh giá sự ảnh hưởng của các nhân tố đầu vào: số lượng dao, thời gian gọt vỏ, góc cắt, vận tốc cắt đến hai chỉ tiêu chất lượng đầu ra bao gồm: độ sạch và khối lượng còn lại của củ năng

Hình 1.5: Bảng giá trị các cấp của nhân tố đầu vào (hình ảnh từ công trình nghiên cứu trước)

Hình 1.6: Biểu đồ kết quả ảnh hưởng của các nhân tố đầu vào với các chỉ tiêu đầu ra (hình ảnh từ công trình nghiên cứu trước)

Phạm vi của công trình nghiên cứu đề tài “Tối ưu hóa máy gọt củ năng bằng

phương pháp thực nghiệm Taguchi”

− Cải tiến thiết kế máy từ công trình nghiên cứu trước

− Tối ưu hóa đồng thời theo hai chỉ tiêu chất lượng đầu ra: thời gian theo chỉ

tiêu chất lượng đầu ra; độ sạch và khối lượng còn lại của sản phẩm

− Xây dựng quy trình lượng hóa chỉ tiêu chất lượng khối lượng còn lại của củ

− Xây dựng quy trình lượng hóa chỉ tiêu chất lượng độ sạch của củ năng thành phẩm Ứng dụng kết quả của quá trình xử lý ảnh để đánh giá độ sạch của củ

năng từ phòng thí nghiệm CDIO của đại học bách khoa TPHCM

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cơ sở thiết kế, mô phỏng máy 2.1.1 Cơ sở thiết kế máy

2.1.1.1 Cơ sở lý thuyết phân tích, thiết kế theo mô đun

Phương pháp được sử dụng làm cơ sở thiết kế cải tiến máy là phương pháp thiết kế máy theo mô đun Đây là phương pháp thiết kế nhằm mục đích phân tích sản phẩm theo cấu trúc và chức năng đến cấp độ chi tiết, sau đó thông qua việc áp dụng các sơ đồ liên kết, sơ đồ dòng chảy chức năng để xác định mối quan hệ của các chi tiết Mối quan hệ này được thể hiện qua chỉ số tương đồng được sắp xếp thành ma trận Bằng các thuật toán nhóm đối tượng hoặc các mô hình toán tối ưu các chi tiết được sắp xếp lại thành nhóm phù hợp, có tương tác mạnh với chi tiết cùng nhóm và tương tác yếu hoặc không tương tác đối với chi tiết khác nhóm Mỗi nhóm như vậy được gọi là một mô đun

Để tiếp cận một cách dễ dàng, ta cần hiểu khái niệm mô đun và sản phẩm có tính mô đun Mô đun là gì? Mô đun là một cụm hay một chi tiết có khả năng đáp ứng một hoặc nhiều chức năng khác nhau, thông qua viêc kết hợp các mô đun, ta có thể thu được các cấu trúc tổng thể có khả năng đáp ứng chức năng cao hơn, phức tạp hơn Mô đun có thể được thiết kế và chế tạo một cách độc lập dựa trên chức năng của chúng

Hình 2.1: phân loại mô đun

Mô đun có thể được phân biệt thành nhiều loại khác nhau:

− Mô đun phụ trợ: thực hiện chức năng phụ trợ nhằm bổ sung cho các mô đun cơ bản

− Mô đun đặc biệt: thực hiện các chức năng đặc biệt có thể không xuất hiện trong chức năng tổng thể

− Mô đun thích ứng: là mô đun trong đó chức năng thích ứng được thực hiện, nhằm thích nghi với sự thay đổi của 1 phần hoặc một hệ thống trong những trường hợp bất ngờ, không dự đoán được (VD: cầu chì, rơ le, aptomat)

− Non – module: thực hiện những chức năng không được đảm bảo bởi hệ thống mô đun, chúng phải được thiết kế riêng biệt và đáp ứng một số nhu cầu cụ thể của khách hàng, nếu được đưa vào sự dụng sẽ tạo nên một hệ thống hỗn hợp trong đó kết hợp mô đun và non – module

Vòng đời của một sản phẩm được thiết kế theo mô đun được mô tả ở hình 2.2:

Hình 2.2: Vòng đời của sản phẩm được thiết kế theo mô đun

2.1.1.2 Phân tích thiết kế hệ thống máy gọt củ năng

Theo kết quả của công trình nghiên cứu trước máy gọt củ năng đã được thiết kế, lắp đặt và vận hành hoàn chỉnh Tuy nhiên ở luận văn trước không thiết kế máy theo phương pháp mô đun chức năng mà thiết kế theo phương pháp truyền thống Ở luận văn này sẽ sử dụng phương pháp mô đun để phân tích lại thiết kế máy gọt củ năng và tiến hành cải tiến máy

2.1.1.2.1 Phân tích chức năng máy gọt củ năng a Phân tích chức năng máy gọt củ năng

Chức năng của máy gọt củ năng bao gồm:

− Gọt vỏ củ năng nguyên liệu thành củ năng thành phẩm − Chuyển hóa điện năng thành động năng

Hình 2.3: Sơ đồ chức năng của máy gọt củ năng

Hình 2.4: Sơ đồ chức năng con của máy gọt củ năng

2.1.1.2.2 Phân tích thiết kế hệ thống cho sản phẩm a Phân tích thiết kế cấu hình máy gọt củ năng

Hình 2.6: Sơ đồ kết cấu chức năng máy gọt củ năng

b Phân tích dòng chảy chức năng-kết cấu

Hình 2.7: Sơ đồ dòng chảy chức năng tổng thể máy gọt củ năng

c Các mô đun của máy gọt củ năng

Từ các phân tích lại trên ta chia máy gọt củ năng thành các mô đun sau: − Mô đun 1: Mô đun truyền động

− Mô đun 2: Mô đun gọt vỏ

2.1.2 Cơ sở mô phỏng máy

Trong luận văn sẽ đi giải quyết bài toán mô phỏng kiểm bền các chi tiết quan trọng của máy gọt củ năng

Phương pháp phần tử hữu hạn được chọn để tiến hành giải quyết các bài toán mô phỏng Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số tương đối chính xác để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích, vì vậy mà chúng tôi sử dụng nó để mô phỏng sự biến dạng và phạm vi hoạt động của máy gọt củ năng.Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng phần mềm ANSYS 2021R2 để mô phỏng tính toán để kiểm nghiệm độ bền biến dạng của các chi tiết quan trọng

ANSYS 2021R2 là một phần mềm mạnh được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên thế giới Trong tính toán thiết kế cơ khí, phần mềm ANSYS có thể liên kết với các phần mềm thiết kế mô hình học 2D và 3D để phân tích trường ứng suất, biến dạng, trường nhiệt độ, tốc độ dòng chảy, có thể xác định được độ mòn, mỏi và phá hủy của chi tiết ANSYS là một gói phần mềm phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) hoàn chỉnh dùng để mô phỏng, tính toán thiết kế công nghiệp, đã và đang được sử dụng trên thế giới trong hầu hết các lĩnh vực kỹ thuật: kết cấu, nhiệt, dòng chảy, tương tác giữa các môi trường, giữa các hệ vật lý Thêm vào đó phần mềm ANSYS được cấp bản quyền dành cho sinh viên và nghiên cứu sinh nên đây là phần mềm tối ưu dùng để học tập và nghiên cứu ở phạm vi trong giáo dục với phiên bản giới hạn đủ để nghiên cứu và phát triển sản phẩm

2.1.2.1 Mô phỏng kiểm bền chi tiết máy

Chi tiết máy được kiểm bền trên phần mềm Ansys theo quy trình như hình 2.8:

Hình 2.8: Quy trình kiểm bền chi tiết máy

Trong đó:

− Dữ liệu kỹ thuật là các thông số đầu vào: các thông số về vật liệu và các thông số về phân tích lực

− Thiết kế 2D: thiết kế chi tiết máy bằng 2D

− Mô hình hóa 3D: sử dụng phần mềm để mô hình hóa 3D chi tiết

− Thiết lập dữ liệu: thiết lập các thông số cho mô hình đã được mô hình hóa 3D − Mô phỏng: tiến hành mô phỏng kiểm bền chi tiết máy

− Trích xuất dữ liệu: trích xuất dữ liệu mô phỏng ra file PDF hoặc các file liên quan

Hình 2.9 là kết quả mô phỏng chi tiết trục của mô đun truyền động bằng phần mềm Ansys

Hình 2.9: Kết quả mô phỏng chi tiết trục của mô đun truyền động bằng phần mềm Ansys

Dữ liệu kỹ

thuật Thiết kế 2D Mô hình hóa 3D Thiết lập dữ liệu Mô phỏng Trích xuất dữ liệu

2.2 Quy hoạch thực nghiệm bằng phương pháp Taguchi

Tiến sĩ Taguchi (Nhật Bản) là người đặt nền móng cho phương pháp thiết kế bền vững (Robust Design), cũng là người đề ra phương pháp thực nghiệm mang tên ông Mục tiêu của phương pháp Taguchi là thiết kế một quá trình hoặc sản phẩm ít chịu ảnh hưởng bởi những nhân tố gây ra sự sai lệch về chất lượng Mục đích là điều chỉnh các thông số đến mức tối ưu để quá trình hoặc sản phẩm ổn định ở mức chất lượng tốt nhất Phương pháp Taguchi sử dụng các dãy trực giao trong quy hoạch thực nghiệm Do đó, phương pháp này cho phép sử dụng tối thiểu các thí nghiệm cần thiết để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số lên một đáp ứng lựa chọn nào đó của một quá trình hoặc sản phầm từ đó nhanh chóng điều chỉnh các thông số tiến đến tối ưu nhanh nhất

Các đặc điểm phương pháp Taguchi:

− Phương pháp Taguchi bổ sung cho hai phương pháp quy hoạch thực nghiệm toàn phần (TNT) và riêng phần (TNR)

− Phương pháp Taguchi dựa trên ma trận thực nghiệm trực giao xây dựng trước và phương pháp để phân tích đánh giá kết quả

Hình 2.10: Mô hình nghiên cứu quá trình áp dụng quy hoạch thực nghiệm

Trước khi tiến hành xây dựng mô hình thực nghiêm ta tiến hành phân tích hệ thống bằng sơ đồ nhân tố đặc tính để xác định các nhân tố có thể ảnh hưởng đến quá trình Sơ đồ quy trình xác định mô hình nhân tố đặc tính được thể hiện ở hình 2.11

Phương pháp Taguchi sử dụng tín hiệu/ nhiễu (Signal to Noise Ratio) S/N được chuyển đổi từ hàm mất mát 𝐿 = 𝑘(𝑦 − 𝑚)2

10log ( ni )

10log ( ni)

Trong đó: 𝑦̅ = 1

𝑛∑𝑛𝑖=1𝑦𝑢); 𝑠2 = 1

𝑛−1∑𝑛𝑢=1(𝑦𝑢 − 𝑦̅)2 với 𝑛, 𝑠, 𝑦̅ lần lượt là số thí nghiệm lặp, độ lệch chuẩn và gia trị trung bình

Trong mọi trường hợp thì tỉ số S/N càng lớn thì tính đặc tính nhận được càng tốt Do không sử dụng toàn bộ các tổ hợp thí nghiệm nên phương pháp Taguchi không đưa ra được một con số chính xác về ảnh hưởng của một nhân tố đầu vào đến kết quả đầu ra mà chỉ mang tính định hướng Mặc dù vậy, bằng việc đáng giá qua tỷ số S/N giúp ta có thể biết xu hướng và mức độ ảnh hưởng của từng thông số công nghệ đến kết quả đầu ra Từ các nhận biết này sẽ giúp ta nhanh chóng tìm ra các thông số công nghệ và phạm vi cần tác động để nhận được hiệu quả đầu ra tốt nhất Trên cơ sở đáng

2.3 Lý thuyết tối ưu hóa đồng thời nhiều thông số đầu ra theo lý thuyết hệ số xám

Với nhược điểm của phương pháp thực nghiệm Taguchi là chỉ tối ưu được các bài toán đơn mục tiêu do đó trong luận văn sử dụng lý thuyết hệ số xám để tối ưu bài toán đa mục tiêu

Để tối ưu hóa đồng thời nhiều thông số trong phương pháp Taguchi ta cần tổng hợp các thông số đó thành một hệ số tương đương Vấn đề quan trọng nhất trong việc tổng hợp này là việc xác định hệ số của các chỉ tiêu Lý thuyết hệ số xám giúp xác định trọng số của chỉ tiêu theo giá trị của nó đạt được trong quá trình thực nghiệm Mô hình nghiên cứu quá trình được thể hiện ở hình 2.13.

Hình 2.13: Mô hình nghiên cứu áp dụng hệ số xám

2.3.1 Tính toán và trình tự chuẩn hóa dữ liệu (data normalization) Trình tự 1: “cao hơn là tốt hơn”

Đối với việc xác định trọng lượng còn lại của củ năng, ta ưu tiên trọng lượng còn lại của củ năng phải đạt tối đa so với củ năng ban đầu trước khi cắt gọt Vì vậy, công thức cho việc tính toán chuẩn hóa dữ liệu theo “cao hơn là tốt hơn” có dạng

Trình tự 2: “thấp hơn là tốt hơn”

Mặt khác, việc xác định vỏ củ năng còn lại bằng phương pháp xử lý ảnh sau quá trình gọt vỏ, ta ưu tiên độ sạch của củ năng phải bé nhất so với củ năng ban đầu Vì vậy, công thức tính toán chuẩn hóa dữ liệu theo “thấp hơn là tốt hơn” có dạng:

Trong đó: ( )

maxx ki : Dữ liệu lớn nhất từ chuỗi dữ liệu 0( )

2.3.2 Tính toán trình tự sai lệch chuẩn

Là bước tiếp theo của trình tự chuẩn hóa dữ liệu, công thức cho việc tính toán trình tự sai lệch chuẩn được biểu diễn dưới dạng:

x k

: điểm tham chiếu

( )*

ix k

: điểm đối chiếu so sánh

2.3.3 Tính toán hệ số xám (Grey relation coefficient)

Hệ số xám được dùng để biểu thị mối quan hệ giữa kết quả của chuỗi trình tự thường hóa dữ liệu lý tưởng và thực tế của chuỗi Công thức tính toán hệ số xám được

Trong đó:

( )

0,i k

: hệ số xám của mỗi biến số phản hồi

 : hệ số phân biệt của mô hình phân tích quan hệ xám Hệ số phân biệt sẽ

được chọn trong khoảng từ [0;1], nhưng thông thường sẽ được chọn chính xác 0.5

2.3.4 Tính toán cấp quan hệ xám

Cấp quan hệ xám dùng để đo đạc mối tương quan giữa yếu tố không gian mẫu và chuỗi kết quả các thông số sau khi hệ số xám của chuỗi dữ liệu rời rạc được tạo ra Sau khi có được kết quả từ việc tính toán hệ số xám, ta tiếp tục lấy trung bình từ kết quả hệ số xám để xác định cấp quan hệ xám Công thức có thể được biểu diễn dưới dạng sau:

( ) ( )

11 n

n: Tổng số lượng biến số đầu ra của thí nghiệm (biến số phản hồi)

2.4 Quy trình kiểm tra độ sạch của sản phẩm

Định nghĩa độ sạch: độ sạch là tỷ lệ phần vỏ còn lại của sản phẩm trên tổng diện tích bề mặt của sản phẩm

Trong luận văn sẽ đi xây dựng quy trình kiểm tra độ sạch của sản phẩm bằng phương pháp xử lý ảnh trước và sau khi gọt vỏ bằng máy gọt củ năng Quy trình thực hiện phương pháp này được thể hiện như hình 2.14

Hình 2.14: Quy trình kiểm tra độ sạch của sản phẩm

Công thức tính độ sạch của củ năng thành phẩm Thu thập dữ

liệu ảnh Xử lý dữ liệu ảnh Phân tích dữ liệu Trích xuất dữ liệu

tiết vui lòng xem phụ lục I được đính kèm ở phần cuối luận văn

2.5 Quy trình kiểm tra trọng lượng của sản phẩm

Khối lượng còn lại tương đối của sản phẩm được xác định bằng tỷ số gữa khối lượng của sản phẩm với khối lượng của củ năng ban đầu

Trong luận văn sẽ đi xây dựng quy trình kiểm tra trọng lượng của sản phẩm bằng phương pháp sử dụng cân điện tử trọng lượng của củ năng trước và sau khi gọt vỏ bằng máy Quy trình được thể hiện như hình 2.15.

Hình 2.15: quy trình kiểm tra trọng lượng của sản phẩm.

Trong đó:

− Cân nguyên liệu là quá trình cân trọng lượng nguyên liệu trước gọt vỏ.

− Cân thành phẩm là quá trình cân trọng lượng của sản phẩm thành phẩm sau gọt vỏ.

− Tính toán và trích xuất dữ liệu là quá trình tính toán và ghi nhận tỷ lệ trọng lượng trước và sau khi gọt vỏ bằng máy.

hình 2.16được dùng để cân nguyên liệu và thành phẩm trong luận văn này

Cân nguyên liệu Cân thành phẩm Tính toán và trích xuất dữ liệu

CHƯƠNG 3: CẢI TIẾN, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY

3.1 Thiết kế và cải tiến máy

Theo như phân tích ở mục 2.1.1.2.2 ở chương 2 thì máy gọt củ năng gồm 2 mô

đun chức năng chính:

− Mô đun truyền động − Mô đun gọt vỏ

3.1.1 Thiết kế cải tiến mô đun ổ trục truyền động

Một số nhận xét của giáo viên phản biện về các vấn đề còn tồn tại ở thiết kế của mô đun truyền động:

Hình 3.1: Nhận xét của giáo viên phản biện ở công trình nghiên cứu trước

Dựa trên nhận xét của giáo viên phản biện ở công trình trước ta tiến hành kiểm tra và khắc phục các vấn đề còn tồn tại Vấn đề tồn tại ở luận văn trước bao gồm: động cơ có công suất quá lớn so với tính toán và phần tính toán trục chưa đúng

Quá trình phân tích động học và tính toán lại động lực học của cụm truyền động được thể hiện chi tiết ở phụ lục II Trong luận văn sử dụng phương pháp mô phỏng lực trên phần mềm Assys để kiểm nghiệm lại trục Để biết thêm chi tiết vui lòng xem phụ lục II được đính kèm ở phần cuối của luận văn

Nhận xét: với thiết kế hiện tại vẫn đảm bảo được truyền động và độ bền của các chi

tiết trong quá trình hoạt động máy Tuy nhiên với việc sử dụng động cơ điện quá lớn

3.1.2 Thiết kế cải tiến mô đun gọt vỏ

Trong quá trình máy hoạt động ba tác động chính được sử dụng để gọt vỏ bao gồm:

− Hình 3.2 a: tác động giữa bề lưỡi dao và đít củ năng − Hình 3.2 b: tác động giữa lưỡi dao và đầu củ năng − HÌnh 3.2 c: tác động giữa lưỡi dao và thân củ năng

− b: khoảng cách giữa mép dao cắt đến thành bên của mâm quay