Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Thiết kế chế tạo cơ cấu hút vòng bi theo lớp

Kết quả nghiên cứu của nhóm tôi đã đạt được sự thành công khi thiết kế mô hình cơ cấu hút vòng bi với hai hệ thống truyền động chính gồm truyền động tịnh tiến theo phương đứng sử dụng cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

GVHD: THS NGUYỄN VĂN ĐOÀN SVTH: VI QUỐC TRUNG

PHẠM THÀNH TOÀN LƯU QUANG HỘI

TP Hồ Chí Minh, tháng 7/2024THIẾT KẾ CHẾ TẠO CƠ CẤU HÚT VÒNG BI THEO LỚP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO

CƠ CẤU HÚT VÒNG BI THEO LỚP”

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN VĂN ĐOÀN

Sinh viên thực hiện: LƯU QUANG HỘI – 20146124

VI QUỐC TRUNG – 20146164 PHẠM THÀNH TOÀN – 20146146 Khóa: 2020 – 2024

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ CHẾ TẠO

CƠ CẤU HÚT VÒNG BI THEO LỚP”

Giảng viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN VĂN ĐOÀN

Sinh viên thực hiện: LƯU QUANG HỘI – 20146124

VI QUỐC TRUNG – 20146164 PHẠM THÀNH TOÀN – 20146146 Khóa: 2020 – 2024

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2024

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Học kỳ 2 / năm học 2023-2024

Giảng viên hướng dẫn: Ths Nguyễn Văn Đoàn

Sinh viên thực hiện: Lưu Quang Hội MSSV: 20146124 Điện thoại: 0335427223 Sinh viên thực hiện: Vi Quốc Trung MSSV: 20146164 Điện thoại: 0379106063 Sinh viên thực hiện: Phạm Thành Toàn MSSV: 20146146 Điện thoại: 0374748822

1 Đề tài tốt nghiệp:

- Mã số đề tài: CKM-86

- Tên đề tài: Thiết Kế Chế Tạo Cơ cấu hút vòng bi theo lớp

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Thùng gỗ chứa các vòng bi theo lớp có kích thước 600 x 800 (mm) có chiều cao từ

400mm tới 500mm

- Tốc độ hút mỗi lớp và chuyển sang băng tải kế tiếp là 20s/ chu kỳ

- Bàn hút không được va chạm quá mạnh với các lớp vòng bi trong quá trình hút

3 Nội dung chính của đồ án:

Dựa vào số liệu ban đầu thiết kế tính toán cơ cấu hút vòng bi như trên, chế tạo thử nghiệm một mô hình thể hiện nguyên lý quá trình hút

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

 Được phép bảo vệ ………

LỜI CAM KẾT

- Tên đề tài: Thiết kế chế tạo cơ cấu hút vòng bi theo lớp

- GVHD: Ths Nguyễn Văn Đoàn

- Họ và tên sinh viên: Lưu Quang Hội

- MSSV: 20146124 Lớp: 201462C

- Địa chỉ sinh viên:

- Số điện thoại liên lạc: 0335427223

- Email: 20146124 @student.hcmute.edu.vn

- Họ và tên sinh viên: Vi Quốc Trung

- MSSV: 20146164 Lớp: 201462C

- Địa chỉ sinh viên:

- Số điện thoại liên lạc: 0379106063

- Email: 20146164 @student.hcmute.edu.vn

- Họ và tên sinh viên: Phạm Thành Toàn

- MSSV: 20146146 Lớp: 201462C

- Địa chỉ sinh viên: C11/5 Lê Văn Việt, P Tăng Nhơn Phú A, TP Thủ Đức, TPHCM

- Số điện thoại liên lạc: 0374748822

- Email: 20146146 @student.hcmute.edu.vn

- Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): 09/07/2024

- Lời cam kết: “Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính tôi nghiên cứu và thực hiện Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.”

Tp Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 07 năm 2024

LỜI CẢM ƠN

Điều đầu tiên nhóm chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến ban giám hiệu nhà trường cũng như toàn bộ thầy cô trong trường đã dạy dỗ, hỗ trợ cho chúng em trong suốt

4 năm học vừa qua Đồng thời tạo điều kiện thuận lợi để chúng em được hoàn thành đồ

án một cách hiệu quả nhất Được học tập và làm việc tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM là niềm hạnh phúc và vinh dự của nhóm chúng em trong suốt thời gian qua

Chúng em đặt biệt chân thành bày tỏ sự cảm ơn đối với thầy Nguyễn Văn Đoàn, là giảng viên khoa Cơ khí Chế tạo máy trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Thầy

là người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn cho tụi em trong suốt các năm học vừa qua và trong suốt quãng thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệm Với sự dạy dỗ tận tâm của thầy, nhóm chúng em đã có được những kinh nghiệm quí báu để hành trang chuẩn bị cho công việc sự nghiệp sau này Bên cạnh đó chúng em còn được rèn luyện tinh thần trách nhiệm, thái độ làm việc, tinh thần hợp tác,… Đây quả là những điều quí báu cho chúng em trong cuộc sống này

Trong quá trình làm đồ án cũng như thuyết minh báo cáo của nhóm em khó tránh khỏi sai xót nên rất mong thầy cô bỏ qua Đồng thời chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp chân thành của thầy cô để khắc phục sai sót, cải thiện công trình đồ án tốt hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn !

TÓM TẮT

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, việc tích hợp máy móc hiện đại vào quy trình sản xuất trở thành yếu tố không thể thiếu

để tối ưu hóa năng suất và chất lượng Đồng thời, sự đa dạng và phong phú của hệ thống

tự động hóa đã trải qua sự mở rộng mạnh mẽ, không chỉ trong lĩnh vực công nghiệp mà còn ở các lĩnh vực như dịch vụ, y tế và giải trí

Nhóm tôi, trong dự án này, tập trung vào nghiên cứu và thiết kế một mô hình cơ cấu hút vòng bi Nhóm tôi đã đặt ra mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa di chuyển vòng bi nặng trong thùng cao thông qua sự kết hợp linh hoạt giữa truyền động tịnh tiến bằng xy lanh khí nén cùng với cơ cấu vít me – đai ốc và servo motor để điều khiển

Kết quả nghiên cứu của nhóm tôi đã đạt được sự thành công khi thiết kế mô hình

cơ cấu hút vòng bi với hai hệ thống truyền động chính gồm truyền động tịnh tiến theo phương đứng sử dụng cơ cấu vít me – đai ốc và servo motor để điều khiển và truyền động tịnh tiến theo phương ngang sử dụng xy lanh khí nén Nhóm em đã đặc biệt chú ý đến việc thiết kế bộ hút bi, kết hợp nam châm vĩnh cửu và xy lanh để tạo ra một hệ thống linh hoạt và ổn định

Công trình của nhóm em không chỉ chú trọng vào khía cạnh kỹ thuật mà còn nhấn mạnh vào ứng dụng thực tế, từ công nghiệp đến dịch vụ và giải pháp Nhóm tôi hy vọng rằng nghiên cứu của mình sẽ đóng góp vào sự phát triển của lĩnh vực tự động hóa và mang lại những giải pháp hiệu quả cho các thách thức trong quy trình sản xuất và di chuyển vật phẩm

ABSTRACT

With the continuous development of technology in many industrial fields, the integration of modern machinery into the production process has become an indispensable factor to optimize productivity and quality At the same time, the diversity and richness of automation systems have undergone strong expansion, not only in the

industrial field but also in areas such as services, healthcare, and entertainment

Our group, in this project, focuses on researching and designing a ball bearing suction mechanism model Our specific goal is to optimize the movement of heavy ball bearings

in tall bins through a flexible combination of linear drive using pneumatic cylinders

together with a ball screw - nut mechanism and a servo motor for control

The research results of our group have achieved success in designing a ball bearing suction mechanism with two main drive systems: vertical linear drive using a ball screw

- nut mechanism and servo motor for control, and horizontal linear drive using a pneumatic cylinder Our group has paid special attention to the design of the ball suction

unit, combining permanent magnets and cylinders to create a flexible and stable system

Our work focuses not only on the technical aspect but also on practical applications, from industry to services and solutions Our group hopes that our research will contribute to the development of the automation field and bring effective solutions to

the challenges in the production and movement of goods

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

LỜI CAM KẾT ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG ix

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ x

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY HÚT VÒNG BI HIỆN NAY TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI 1

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 1

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 2

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 4

2.1 Giới thiệu đề tài 4

2.2 Lý do chọn đề tài 4

2.3 Tính cấp thiết của đề tài 5

2.4 Mục tiêu nghiên cứu 5

2.5 Phương pháp nghiên cứu 5

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 7

3.1 Yêu cầu ban đầu 7

3.2 Các phương án hướng đến 7

3.3 Tổng quan về nguyên lý hoạt động của máy 9

3.4 Nguyên lý hoạt động cơ cấu truyền động của máy 10

3.5 Nguyên lý hoạt động điều khiển của máy 12

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ 13

4.1 Tính tốc độ cần thiết để đạt năng suất yêu cầu 13

4.2 Tính băng tải 13

4.3.Tính trục băng tải 18

4.3.1 Tính toán trục băng tải 18

4.3.2 Momen tại các tiết diện nguy hiểm 21

4.3.3 Kiểm nghiệm bền trục 22

4.4 Bộ hút vòng bi 25

4.4.1 Cấu tạo và nguyên lý của bộ phận hút 25

4.4.2 Thực nghiệm lực hút thực tế qua mô hình 30

4.4.3 Tính toán và chọn xylanh 32

4.5 Tính toán chọn ổ bi cho trục băng tải 33

4.6 Tính toán chọn động cơ nâng hạ bộ phận hút vòng bi 35

4.6.1 Tính toán chọn servo 35

4.6.2.Tính toán chọn vit-me đai ốc 37

4.6.3 Tính toán chọn ổ bi 39

4.7 Tính toán chọn xy lanh cho cho bộ phận trượt ngang 43

4.8 Chọn ray trượt 43

4.9 Tính toán chọn khớp nối 45

4.10 Kiểm nghiệm độ bền, độ biến dạng của các chi tiết khác bằng phần mềm Inventor 47

4.10.1 Bát đỡ khung đẩy và kéo ngang 47

4.10.2 Bát xy lanh đẩy và kéo ngang 49

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT (DÀNH CHO MÔ HÌNH) 51

5.1 Tính toán lựa chọn bộ điều khiển 51

5.2 Tính toán lựa chọn thiết bị tủ điện điều khiển 57

5.2.1 Tính toán lựa chọn CB nguồn 57

5.2.2 Tính toán lựa chọn dây dẫn tủ điện và động lực 60

5.3 Lưu đồ hoạt động của máy 61

5.4 Thiết kế tủ điện 64

5.4.1 Cấu tạo tủ điện 64

5.4.2 Nguyên lý hoạt động của tủ điện 67

CHƯƠNG 6 KẾT QUẢ THỰC TẾ 69

6.1 Quá trình lắp ráp 69

6.2 Các vấn đề gặp phải 76

6.3 Kết quả sau khi vận hành 76

6.4 Hướng phát triển 77

KẾT LUẬN 78

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

- CAD: Computer Aided Design

- CAE: Computer Aided Engineering

- mm/r: Milimeters per revolution

- MPa: Mega pascal

- N: Newton

- OD: Original diameter

- OH: Original height

- PWM: Pulse width modulation

- R&P: Rack and pinion

- RG: Reversal generator

- rpm: Revolution per minute

- s: Second

- W: Watt

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 4.1 Thực nghiệm lực hút 29

Bảng 5.1 Danh sách thiết bị tiêu thụ công suất của hệ thống 55

Bảng 5.2 Thông số tính toán tiết diện dây dẫn 58

Bảng 5.3 Thông số tiết diện và loại dây dẫn dây dẫn 58

Bảng 6.1 Quá trình thực hiện mô hình 74

DANH SÁCH CÁC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Trang

Hình 1.1 Máy lọc sắt treo băng tải 1

Hình 1.2 Cơ chế hoạt động của máy 2

Hình 1.3 Cơ cấu nâng bằng từ tính 3

Hình 1.4 Hệ thống kẹp lớp bằng chân không 3

Hình 3.1 Các phương án cho cơ cấu nâng hạ và cơ cấu hút 7

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơ cấu vít me – đai ốc 8

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơ cấu xy lanh kết hợp encoder và bánh răng 8

Hình 3.4 Tổng quan về nguyên lý hoạt động của máy 9

Hình 3.5 Hệ thống xy lanh và vavle 5/3 10

Hình 3.6 Bộ truyền vít me – đai ốc 10

Hình 3.7 Thanh trượt và con trượt vuông 11

Hình 3.8 Ti trượt tròn để dẫn hướng và cố định vị trí 11

Hình 4.1 Thông số băng tải của công ty HONG’S BELT cung cấp 14

Hình 4.2 Thông số bánh răng băng tải của công ty HONG’S BELT cung cấp 15

Hình 4.3 Giá trị hệ số ma sát của công ty HONG’S BELT cung cấp 16

Hình 4.4 Biểu đồ phân tích lực phân bố trục dẫn băng tải 20

Hình 4.5 Nam châm vĩnh cửu NdFeB-N40 25

Hình 4.6 Đặc điểm cơ bản của nam châm NdFeB N40 26

Hình 4.7 Hình dạng và lực hút của nam châm NdFeB N40 26

Hình 4.8 Khay chứa nam châm 27

Hình 4.9 Các khay chứa nam châm của bộ phận hút 27

Hình 4.10 Cấu tạo bộ phận hút 28

Hình 4.11 Nguyên lý hoạt động của bộ hút 28

Hình 4.12 Trường hợp 2 30

Hình 4.13 Trường hợp 3 30

Hình 4.14 Trường hợp 4 31

Hình 4.15 Ổ bi SKF UCF 206 32

Hình 4.16 Tải trọng và tốc độ của ổ bi SKF UCF 206 32

Hình 4.17 Các kích thước của ổ bi SKF UCF 206 33

Hình 4.18 Mô tả cơ cấu nâng hạ bộ hút vòng bi 34

Hình 4.19 Thông số kỹ thuật của Servo MINAS A4 Panasonic MHMD042P1U 35

Hình 4.20 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σmax 37

Hình 4.21 Bảng thông sổ bi 38

Hình 4.22 Mô tả cơ cấu đẩy và kéo ngang bộ phận hút 39

Hình 4.23 Con trượt và ray trượt vuông HGH30C 40

Hình 4.24 Thông số kỹ thuật HGH30C 41

Hình 4.25 Hình mô tả lực tác dụng lên con trượt vuông 42

Hình 4.26 Khớp nối mềm động cơ phi 14 và 16 43

Hình 4.27 Thông số kỹ thuật của khớp nối 44

Hình 4.28 Bát đỡ khung đẩy và kéo ngang 45

Hình 4.29 Ứng suất trên bát đỡ khung đẩy và kéo ngang 45

Hình 4.30 Chuyển vị của bát đỡ khung đẩy và kéo ngang 46

Hình 4.31 Bát xy lanh đẩy và kéo ngang 46

Hình 4.32 Ứng suất trên bát xy lanh đẩy và kéo ngang 47

Hình 4.33 Chuyển vị của bát xy lanh đẩy và kéo ngang 47

Hình 5.1 Bộ điều khiển Servo Minas A4 MCDDT3502 48

Hình 5.2 Bản vẽ phác thảo bộ điều khiển Servo Minas A4 MCDDT3502 49

Hình 5.3 Đặc trưng kỹ thuật của bộ điều khiển Servo Minas A4 MCDDT3502 49

Hình 5.4 PLC Schneider TM241CE40R 50

Hình 5.5 Các thông số kỹ thuật chính của PLC Schneider TM241CE40R 50

Hình 5.6 Sơ đồ khối hệ thống PLC 51

Hình 5.7 HMI Delta DOP-107BV 51

Hình 5.8 Các thông số kỹ thuật chính của HMI Delta DOP-107BV 52

Hình 5.9 Các thông số kỹ thuật bổ sung của HMI Delta DOP-107BV 52

Hình 5.10 Mạch điều khiển tốc độ động cơ 53

Hình 5.11 Relay 8 chân RXM2LB2P7 và đế relay 54

Hình 5.12 Domino 54

Hình 5.13 A9F04210 55

Hình 5.14 Bộ lọc nguồn CW4L2-20A-R 56

Hình 5.15 Thông số kỹ thuật của bộ lọc nguồn 57

Hình 5.16 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống 59

Hình 5.17 Lưu đồ hoạt động của máy 60

Hình 5.18 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển và giám sát hệ thống 61

Hình 5.19 Mặt trước và bên hông tủ điện 62

Hình 5.20 Tổng quan tủ điện 63

Hình 5.21 Bên trong tủ điện 64

Hình 5.22 Vị trí đặt tủ điện 65

Hình 5.23 Vị trí đặt các cảm biến 66

Hình 6.1 Gia công phần khung sắt của máy 67

Hình 6.2 Khung sắt sau khi được sơn 68

Hình 6.3 Khung sắt được lắp ráp với khung nhôm và xy lanh đẩy ngang 68

Hình 6.4 Tủ điện 69

Hình 6.5 Cửa tủ điện sau khi gắn nút nhấn, đèn và HMI 70

Hình 6.6 Lắp đặt và đi dây các thiết bị trong tủ điện 71

Hình 6.7 Cơ cấu vít me đai ốc bi và động cơ 72

Hình 6.8 Lắp ráp nam châm và bộ hút 72

Hình 6.9 Máy sau khi được lắp ráp hoàn chỉnh 73

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MÁY HÚT VÒNG BI

HIỆN NAY TRONG NƯỚC VÀ TRÊN THẾ GIỚI

1.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, việc nghiên cứu và phát triển cơ cấu hút sản phẩm bằng nam châm cũng đã thu hút sự quan tâm trong những năm gần đây Nhiều tổ chức và doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực cơ khí và kỹ thuật đã tiến hành các nghiên cứu cơ bản và ứng dụng của công nghệ này Hiện nay, trong nước chưa có máy móc nào sử dụng cơ cấu hút vòng bi bằng nam châm được thương mại hóa, và các công trình nghiên cứu thường chỉ được sử dụng nội bộ trong các doanh nghiệp mà không được chia sẻ rộng rãi hoặc thương mại hóa

Trong quá trình nghiên cứu, chúng tôi đã khám phá một cơ cấu đặc biệt của công ty ANT VIỆT NAM - máy lọc sắt treo băng tải, một ứng dụng tiêu biểu của công nghệ nam châm trong việc hút sản phẩm

Hình 1.1 Máy lọc sắt treo băng tải

Hình 1.2 Cơ chế hoạt động của máy

1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Trên toàn cầu, nghiên cứu và phát triển cơ cấu hút sản phẩm bằng nam châm đóng vai trò quan trọng trong sản xuất hiện đại Tuy nhiên, tính đặc thù của từng ứng dụng cụ thể đã làm cho hầu hết các cơ cấu này không được thương mại hóa rộng rãi Các hệ thống tự động hút sản phẩm bằng nam châm đã được phát triển, nhưng chưa được phổ biến trên thị trường mặc dù có các công ty như Magnetool, Inc., BRAILLON MAGNETICS, Jaykrishna Magnetics Pvt.Ltd., Kanagawa Kiki Kogyo Co., Ltd như là các ví dụ

Bên cạnh đó còn có hệ thống kẹp lớp của Schmalz, hệ thống được ứng dụng cho việc xếp chồng và dỡ pallet theo lớp cho nhiều loại hàng hóa, ứng dụng trong kho bãi và nội

bộ, xử lý tự động các sản phẩm trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Ứng dụng trong xếp chồng và dỡ pallet theo lớp cho nhiều loại hàng hóa, ứng dụng trong kho bãi

và nội bộ, xử lý các lớp có khoảng trống, lớp hỗn hợp, lớp trung gian, pallet, bìa cứng

và bao bì màng, xếp dỡ các pallet tải một phần bằng cách kết hợp công nghệ chân không với hỗ trợ kẹp cơ khí

Hình 1.3 Cơ cấu nâng bằng từ tính

Hình 1.4 Hệ thống kẹp lớp bằng chân không

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

2.1 Giới thiệu đề tài

Trong quá trình sản xuất vòng bi ngày nay, mặc dù đã có nhiều máy móc hỗ trợ, nhưng việc lấy và di chuyển các vòng bi từ thùng chứa đến quá trình đóng gói vẫn phụ thuộc chủ yếu vào lao động con người và thực hiện bằng tay Vì vậy, để tối ưu hóa quy trình và giảm sự phụ thuộc vào nguồn lao động, việc trang bị một cơ cấu hút và di chuyển

tự động là hết sức quan trọng Điều này giúp cải thiện hiệu suất sản xuất và đồng thời giảm chi phí lao động, bằng cách áp dụng các công nghệ tiên tiến như cảm biến, hệ thống truyền động tự động, và bộ kiểm soát tự động để đảm bảo quá trình di chuyển và đóng gói vòng bi diễn ra chính xác và hiệu quả Cơ cấu này có thể được tích hợp linh hoạt vào dây chuyền sản xuất hiện tại, mang lại lợi ích to lớn trong việc tăng cường tự động hóa và tăng cường hiệu suất sản xuất

2.2 Lý do chọn đề tài

Việc lấy và di chuyển vòng bi trong quy trình sản xuất vẫn phụ thuộc chủ yếu vào lao động con người, mặc dù đã có nhiều máy móc hỗ trợ Điều này không chỉ gây ra sự phụ thuộc lớn vào nguồn lao động, mà còn tiềm ẩn những thách thức về hiệu suất và chi phí lao động Chính vì vậy, quyết định chọn đề tài nghiên cứu về cơ cấu hút bi trong quá trình sản xuất vòng bi là hết sức quan trọng và cần thiết

Cơ cấu hút bi tự động mang lại những ưu điểm quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất Trước hết, nó giúp giảm độ phụ thuộc vào lao động con người, đồng thời loại bỏ yếu tố nguy cơ liên quan đến sự mệt mỏi, sai sót, và biến động trong hiệu suất lao động Việc áp dụng cơ cấu hút bi còn mang lại hiệu quả cao trong quy trình lấy và

di chuyển vòng bi, giúp tăng cường năng suất và giảm chi phí lao động

Bên cạnh đó, sự tích hợp của các công nghệ tiên tiến như cảm biến, hệ thống truyền động tự động và bộ kiểm soát tự động vào cơ cấu hút bi đồng thời tạo ra một hệ thống linh hoạt có thể tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện tại Điều này không chỉ giúp tối

ưu hóa tự động hóa quy trình, mà còn mang lại lợi ích to lớn trong việc nâng cao hiệu suất và linh hoạt của hệ thống sản xuất vòng bi Do đó, lựa chọn nghiên cứu về cơ cấu hút bi không chỉ là sự cần thiết mà còn là bước quan trọng hướng đến sự hiện đại hóa

và nâng cao năng suất trong ngành công nghiệp sản xuất vòng bi

2.3 Tính cấp thiết của đề tài

Đề tài về cơ cấu hút bi trong sản xuất vòng bi trở nên cấp thiết do sự phụ thuộc lớn vào lao động con người, khiến cho quy trình lấy và di chuyển vòng bi gặp thách thức về hiệu suất và chi phí lao động Việc áp dụng cơ cấu hút bi tự động không chỉ giảm sự phụ thuộc vào nhân công mà còn tăng cường năng suất và chất lượng sản xuất Tích hợp các công nghệ tiên tiến cũng mang lại sự linh hoạt và đa nhiệm, giúp đáp ứng nhanh chóng với yêu cầu đặc biệt của quy trình sản xuất Đề tài này không chỉ là hướng nghiên cứu

có tính ứng dụng cao mà còn là giải pháp hiệu quả cho thách thức hiện tại trong ngành

sản xuất vòng bi

2.4 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài là thiết kế và nghiên cứu mô hình cơ cấu hút vòng bi với

sự ứng dụng linh hoạt của hai hệ thống truyền động chính Nhóm nghiên cứu đã đặt ra mục tiêu chính là tối ưu hóa quy trình lấy và di chuyển vòng bi trong quá trình sản xuất Điều này được đạt được thông qua truyền động tịnh tiến thông qua xy lanh khí nén cùng với servo motor và vít me – đai ốc Mục tiêu cụ thể của nhóm là xây dựng một hệ thống linh hoạt và ổn định, đặc biệt tập trung vào thiết kế bộ hút bi Bằng cách kết hợp nam châm vĩnh cửu và xy lanh khí nén, nhóm đặt ra mục tiêu tối đa hóa khả năng giữ chặt

và linh hoạt trong việc di chuyển vòng bi Sự thành công trong việc đạt được mục tiêu này không chỉ tăng cường hiệu suất sản xuất mà còn đặt nền móng cho sự tự động hóa trong ngành công nghiệp sản xuất vòng bi

2.5 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được triển khai trong dự án này bao gồm nhiều bước chính

để đạt được mục tiêu thiết kế và nghiên cứu mô hình cơ cấu hút vòng bi hiệu quả Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã thực hiện một đánh giá chi tiết về yêu cầu kỹ thuật và tính năng mong muốn của hệ thống, từ đó xác định được những yếu tố chủ chốt cần tập trung nghiên cứu Sau đó, nhóm đã tiến hành nghiên cứu chi tiết về truyền động tịnh tiến sử dụng xy servo motor và cơ cấu vít me – đai ốc

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm đã sử dụng các phương pháp mô phỏng và mô hình hóa để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong nhiều điều kiện khác nhau Điều này giúp xác định các thay đổi cần thiết và tối ưu hóa thiết kế trước khi tiến hành giai đoạn

thử nghiệm Tất cả những công đoạn trên nhằm đảm bảo rằng mô hình cơ cấu hút vòng

bi được thiết kế và đánh giá một cách toàn diện trước khi triển khai vào ứng dụng thực

tế

CHƯƠNG 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

3.1 Yêu cầu ban đầu

- Thùng gỗ chứa các vòng bi theo lớp có kích thước 600 x 800 (mm) có chiều cao từ

400mm tới 500mm

- Tốc độ hút mỗi lớp và chuyển sang băng tải kế tiếp là 20s/ chu kỳ

- Bàn hút không được va chạm quá mạnh với các lớp vòng bi trong quá trình hút

3.2 Các phương án hướng đến

Sau khi nhận đề tài, nhóm chúng tôi đã tham khảo nghiên cứu các mô hình cơ cấu hút các sản phẩm trên thế giới hiện nay và tìm ra được nhiều phương án khác nhau Đầu tiên là các phương án cho cơ cấu nâng hạ và cơ cấu hút:

Hình 3.1 Các phương án cho cơ cấu nâng hạ và cơ cấu hút

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơ cấu vít me – đai ốc

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơ cấu xy lanh kết hợp encoder và bánh răng

→ Từ những phương án trên nhóm tôi đưa ra được phương án cuối cùng cho cơ cấu nâng hạ là sử dụng cơ cấu vít me - đai ốc vì có độ chính xác cao và dễ dàng di chuyển nhiều vị trí khác nhau So với cơ cấu xy lanh và bánh răng kết hợp encoder thì về lâu dài khi hoạt động bánh răng sẽ bị rơ và làm giảm độ chính xác của cơ cấu

→ Từ những phương án trên nhóm tôi đưa ra được phương án cuối cùng cho cơ cấu hút

là sử dụng nam châm vĩnh cửu vì nam châm điện có khối lượng nặng hơn, nhiệt độ rất

cao trong quá trình nâng hạ liên tục và giá thành cũng rất đắt

3.3 Tổng quan về nguyên lý hoạt động của máy

Hình 3.4 Tổng quan về nguyên lý hoạt động của máy

Máy hút vòng bi theo lớp sẽ có 3 cơ cấu chuyển động Thứ nhất là xy lanh đẩy bàn trượt ngang từ vị trí bắt đầu ở băng tải sang vị trí trên thùng chứa vòng bi Sau đó servo motor truyền động xoay kết hợp với cơ cấu vít me- đai ốc biến thành chuyển động tịnh tiến điều khiển vị trí đi xuống của xy lanh theo từng lớp khác nhau, đồng thời lúc này

xy lanh chứa các khay nam châm trong bộ hút cũng di chuyển xuống để có thể hút vòng

bi Sau đó cơ cấu vít me đi lên và xy lanh kéo ngang kéo bộ hút và vòng bi về vị trí phía trên băng tải, lúc này xy lanh nâng hạ hạ thấp vị trí xuống để xy lanh trong các bộ hút nam châm đi lên làm mất khả năng hút, các vòng bi sẽ rơi xuống băng tải kết thúc một chu kỳ hoạt động của máy

Cơ cấu của máy gồm có các bộ phận chính :

- 4 xy lanh và servo motor kết hợp với bộ vít me – đai ốc:

+ Servo mã MBDHT2510E

+ Xy lanh bàn trượt ngang MDBB80-900Z có d = 80mm đường kính xy lanh

+ 4 xy lanh trong bộ hút CDQ2A50-25DZcó d=50mm là đường kính xy lanh

- Bàn trượt, các khung sắt, thanh trượt và cảm biến,…

3.4 Nguyên lý hoạt động cơ cấu truyền động của máy

Máy hoạt động dựa trên truyền động tịnh tiến của xy lanh kết hợp với hệ thống thanh trượt ( đối với xy lanh đẩy ngang) và truyền động tịnh tiến của servo motor kết hợp với

bộ vít me và thanh trượt tròn để dẫn hướng chuyển động, cố định vị trí

Hình 3.5 Hệ thống xy lanh và vavle 5/3

Hình 3.6 Bộ truyền vít me – đai ốc

* Chú thích: 1 – Vít me; 2 – Đai ốc bi; F – Lực tác dụng lên đai ốc; l0 – Hành trình của vít

me; V2 – Vận tốc đai ốc; n1 – Tốc độ quay

Hình 3.7 Thanh trượt và con trượt vuông

Hình 3.8 Ti trượt tròn để dẫn hướng và cố định vị trí

3.5 Nguyên lý hoạt động điều khiển của máy

Nguyên lý hoạt động điều khiển của máy, dựa trên nguyên lý làm việc của trục vít

me đai ốc được hoạt động dựa trên sự biến đổi chuyển động từ chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính Cụ thể, khi trục vít me đai ốc quay, các viên bi có sự đổi hướng trong ống lệch hướng rồi đi vào ống hồi bi Ở vị trí đó, các viên bi có thể di chuyển liên tục đến phía cuối của đai ốc và ra khỏi ống hồi bi rồi đi vào rãnh đai ốc và vít me, đem lại những chuyển động trơn tru, liên tục, chính xác.Servo motor sẽ phát xung ,động cơ quay một đơn vị tăng dần cho mỗi xung trên đầu vào kết hợp với cơ cấu vít me để điều khiển được khoảng cách tịnh tiến mong muốn, ta sẽ lập trình PLC để bộ hút sẽ dừng ở mỗi lớp vòng bi

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

4.1 Tính tốc độ cần thiết để đạt năng suất yêu cầu

Năng suất yêu cầu đạt 4 lần so với khi công nhân làm việc

Năng suất của một công nhân khi bốc hết 1 thùng vòng bi khoảng 20 phút

Vậy năng suất của máy là 5 phút / thùng (300 s/ thùng)

Sản lượng trong 1 lần hút với tiết diện hút:

Số lượng =𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑑à𝑖 𝑡ℎù𝑛𝑔

𝑂𝐷 ×𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑟ộ𝑛𝑔 𝑡ℎù𝑛𝑔

𝑂𝐷 = 600

47,2×80047,2 = 215 (vòng bi/ lần)

Số lượng lớp vòng bi:

Số lượng lớp = 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑐𝑎𝑜 𝑡ℎù𝑛𝑔

𝑂𝐻 =400

27 = 15 (𝑙ớ𝑝) Cần 15 lần hút để hút hết 15 lớp vòng bi

Thời gian cho 1 chu trình hút là:

𝑇 = 𝑇ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 ℎú𝑡 ℎế𝑡 𝑚ộ𝑡 𝑡ℎù𝑛𝑔

𝑠ố 𝑙ầ𝑛 ℎú𝑡 =

300

15 = 20 (𝑠) Tính tốc độ cần thiết của băng tải phải di chuyển hết số vòng bi trong một lớp ra khỏi

vị trí bộ hút để để chuẩn bị cho chu trình tiếp theo là:

𝑣 ≥ 𝑐ℎ𝑖ề𝑢 𝑑à𝑖 𝑐ủ𝑎 1 𝑙ớ𝑝 𝑣ò𝑛𝑔 𝑏𝑖𝑡ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 1 𝑐ℎ𝑢 𝑡𝑟ì𝑛ℎ ℎú𝑡 =

800

20 = 40 𝑚𝑚/𝑠 Chọn tốc độ băng tải là 500 mm/s để đáp ứng đầu vào cho chu trình tiếp theo

4.2 Tính băng tải

Chọn băng tải của nhà sản xuất HONG’S BELT có mã HS-100A bao gồm các thông số

như sau:

Hình 4.1 Thông số băng tải của công ty HONG’S BELT cung cấp

Hình 4.2 Thông số bánh răng băng tải của công ty HONG’S BELT cung cấp

Kích thước 1200x750

Tải trọng vật liệu: 70kg

Tốc độ: 0,5 m/s

Số răng: 12

Bước của mắt băng tải: 50.8 mm

Đường kính bánh răng nhựa băng tải: 192.8mm

Đường kính lắp với trục của bánh răng băng tải: 48mm

Theo bảng 4.4 kỹ thuật nâng chuyển tập 2 chọn hệ số cản bằng 𝜔 = 0,035

𝑞𝑣𝑙 = 40𝑘𝑔

𝑚 𝑙à 𝑡𝑟ọ𝑛𝑔 𝑙ượ𝑛𝑔 𝑣ậ𝑡 𝑙𝑖ệ𝑢 𝑡𝑟ê𝑛 1𝑚 𝑑à𝑖

B = 0,75m bề rộng mặt băng tải

Trọng lượng 1 mét dài băng tải được chọn theo catalog nhà cung cấp:

Chọn vật liệu Polypropylene khối lượng 9kg/𝑚2

Khối lượng băng tải với bề rộng B=0,75m trên 1m dài:

𝑞𝑏 = 𝐵 × 9 = 0,75 × 9 = 6,75 (𝑘𝑔

𝑚) Trọng lượng các phần quay của con lăn tính theo bảng 4.3

𝐺𝑐𝑙 = 7𝐵 + 4 = 7 × 0,75 + 4 = 9,25 (kg/m) Trọng lượng con lăn trên mét dài nhánh không theo tải công thức 4.13

Lực cản đoạn 1-2 công thức 2.33 kỹ thuật nâng chuyển tập 2:

𝑊1−2 = (𝑞𝑏 + 𝑞𝑐𝑙𝑜) × 𝐿𝜔 = (6,75 + 9,25) × 1,2 × 0,035 = 0,67(𝑘𝑔)

Lực căng ở điểm 𝑆2 theo công thức 2.51 sách Kỹ thuật nâng chuyển tập 2:

𝑆2 = 𝑆1+ 𝑊1−2 = 𝑆1+ 0,67 Lực cản đoạn 2-3 theo công thức 2.45 kỹ thuật nâng chuyển tập 2:

𝑊2−3 = 0,1𝑆2 = 0,1𝑆1+ 0,07 Lực cản đoạn 3-4 theo công thức 2.32 sách Kỹ thuật nâng chuyển tập 2:

Lực cản trên đoạn 3-4 chịu 50% của trọng lượng của băng tải và khối lượng vòng bi

còn 50% còn lại do ma sát của băng với tấm lót với hệ số ma sát f=0,15

Hình 4.3 Giá trị hệ số ma sát của công ty HONG’S BELT cung cấp

𝑊3−4 = 0,5[(𝑞𝑣𝑙 + 𝑞𝑏 ) × 𝐿𝜔] + 0,5[(𝑞𝑣𝑙 + 𝑞𝑏 ) × 𝐿 × 𝑓]

= 0,5[(40 + 6,75) × 1,2 × 0,035] + 0,5[(40 + 6,75) × 1,2 × 0,15] = 5,189(𝑘𝑔) Theo công thức 2.51 kỹ thuật nâng chuyển tập 2:

Lực kéo tại 𝑆2 :

𝑆2 = 𝑆1+ 𝑊1−2 = 𝑆1+ 0,67 Lực kéo tại 𝑆3:

𝑆3 = 𝑆2+ 𝑊2−3 = 1,1𝑆1+ 0,74 Lực kéo tại 𝑆4:

𝑆4 = 𝑆3+ 𝑊3−4 = 1,1𝑆1+ 5,929

Lực cản của tang dẫn động không tính đến cản trong ổ trục được tính theo công thức 2.44 sách kỹ thuật nâng chuyển tập 2:

𝑣ò𝑛𝑔𝑝ℎú𝑡) Trong đó:

v: Tốc độ trung bình của bộ phận kéo

t: Bước của mắt băng tải

z: Số răng của bánh răng

Công suất cần thiết của động cơ theo công thức 2.54 sách kỹ thuật nâng chuyển tập 2:

𝑃 = 𝑊𝑇× 𝑣

102 × ŋ=

10,07 × 0.49

102 × 0,95 = 0,05(𝐾𝑤)

Chọn động cơ 3 phase SGP 71M2-4-0.37KW-B5 có công suất 0.37kw loại 4 cực, tốc

độ 1400 (vòng/phút)

Tỉ số truyền trên hộp giảm tốc

𝑖 = 140049.21= 28.4

Chọn hộp giảm tốc NMRV50 – 0.37kW- 71-B5 có tỉ số truyền i = 30, trục đầu vào

là 1,5 Vậy công suất cần thiết của động cơ là:

𝑃𝑐𝑡 = 𝑃 × 1,5 = 0.047 × 1,5 = 0.07 (𝑘𝑊)

→ Chọn động cơ 3 phase SGP 71M2-4-0.37KW-B5 là thỏa mãn điều kiện

4.3.Tính trục băng tải

4.3.1 Tính toán trục băng tải

Chọn vật liệu làm trục là thép C45, có giới hạn bền là 850 Mpa

Tính moment cần thiết xoay của trục

𝑇 = 9,55 × 106𝑃

𝑛 = 9,55 × 10

60,0746.1= 14501(𝑁 𝑚𝑚) Xác định đường kính trục sơ bộ công thức 10.9 thiết kế hệ dẫn động:

𝑑 ≥ √ 𝑇

0,2[𝜏]

3

≥ √ 14501 0.2 × 30

3

= 13.42(𝑚𝑚)

[𝜏] = 15 … 30 𝑀𝑝𝑎 𝑠á𝑐ℎ 𝑠ổ 𝑡𝑎𝑦 𝑐ơ 𝑘ℎí 𝑡ậ𝑝 2 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑔 21

P: công suất trên trục dẫn, kW v: tốc độ của băng tải, m/s

Tính lực hướng tâm công thức 5.20 sách thiết kế dẫn động cơ khí trang 88:

𝐹𝐵𝑟 = 𝐹𝐶𝑟 = 𝑘𝑥× 𝐹𝐵𝑡 = 1,15 × 150.43 = 173 (𝑁) Trong đó 𝑘𝑥 là hệ số kể đến trọng lượng xích; 𝑘𝑥 = 1 khi bộ truyền nằm ngang

Tính lực tác dụng lên trục 𝐹𝑟𝑘𝑛 công thức trang 188 sách thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1:

𝐹𝑟𝑘𝑛 =(0,2 − 0,3)2𝑇

𝑑 = 0,2 ×

2 × 14501

40 = 145(𝑁)

Hình 4.4 Biểu đồ phân tích lực phân bố trục dẫn băng tải

4.3.2 Momen tại các tiết diện nguy hiểm

* Kiểm nghiệm trục-bền mỏi

Tra bảng 10.7, 10.8, 10.9 [1] theo thông số giới hạn bền 𝜎𝑏 = 850 𝑀𝑃𝑎 ta được:

→ Thỏa mãn điều kiện

Tra bảng 10.10-10.12 [1], ta được các thông số:

3)

𝜎𝑚𝐶 = 0

→ Chọn điều kiện theo điểm A nên thỏa mãn điều kiện

c) Kiểm nghiệm độ bền tĩnh của trục

Theo công thức kiểm nghiệm bền tĩnh 10.27 [1]:

Kiểm nghiệm tại điểm có momen uốn và momen xoắn lớn nhất:

𝜎𝑡𝑑 = √𝜎2+ 3𝜏2 ≤ [𝜎] = 464 𝑀𝑃𝑎