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 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 Cơng trình hồn 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 bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Trường họp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Vào hồi …… giờ, ngày … tháng … năm ……… Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội Thư viện Quốc gia Việt Nam PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày để nâng cao xuất, chất lượng nhà máy, công đoạn sản xuất, lắp ráp, kiểm tra phải tự động hóa cao Để đáp ứng nhu cầu tự động hóa khâu sản xuất thiết bị khơng thể thiếu cấp phơi tự động Tuy nhiên thiết bị cấp phôi thông thường băng tải, hay robot thích hợp với loại phơi có khối lượng kích thước lớn Đối với loại phơi rời rạc có kích thước khối lượng nhỏ cần cấp hướng phù hợp nhịp cấp với công đoạn q trình cơng nghệ băng tải không phương án phù hợp Trong robot hồn tồn làm điều suất đầu tư ban đầu cao chi phí lập trình vận hành thay đổi đối tượng cao Để giải vấn đề người ta đưa phương pháp cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Thiết bị cấp phôi theo nguyên lý rung động hệ thống sử dụng phổ biến ngành công nghiệp thực phẩm, đồ uống, dược phẩm hay dây chuyền sản xuất lắp ráp Điểm mạnh thiết bị việc điều hướng, phối liệu nhịp, đơn giản xác hẳn hệ thống truyền dẫn khác Hệ thống cấp phôi hoạt động tốt trạng thái cộng hưởng kết cấu điều hướng thích hợp cho chủng loại phơi khác Việc tính tốn thiết kế để chủ động cộng hưởng chế tạo thiết bị từ lần yêu cầu cấp bách Những đặc điểm nêu định hướng cho việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô số để khảo sát động lực học tối ưu kết cấu điều hướng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động” Đối tƣợng nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu, khảo sát động lực học q trình di chuyển phơi phễu Tối ưu hóa kết cấu điều hướng hệ thống cấp phơi tự động theo nguyên lý rung động Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ưu, nhược điểm phạm vi ứng dụng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Các thông số động lực học, kết cấu ảnh hưởng đến suất cấp phôi - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn hệ thống cấp phơi tự động dạng xoắn vít theo nguyên lý rung động - Nghiên cứu ứng dụng phần mềm để mô số hoạt động hệ thống Khảo sát động lực học tối ưu số thông số phễu rung dạng xoắn vít - Nghiên cứu chế tạo thiết bị thực nghiệm nhằm đánh giá kiểm chứng mô số - Khảo sát động lực học tối ưu hóa kết cấu điều hướng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Mục đích nghiên cứu - Giảm thời gian thiết kế hệ thống đảm bảo thiết bị hoạt động chế độ cộng hưởng - Giảm thời gian hiệu chỉnh, thử nghiệm để hệ thống hoạt động vùng cộng hưởng - Xây dựng mơ hình thiết bị môi trường số nhằm thử, xác nhận ứng xử phôi kết cấu thùng phân loại - Đưa quy trình thiết kế, hiệu chỉnh, kiểm nghiệm thiết bị để hệ thống sau chế tạo đem vào sản xuất từ lần Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ thống cấp phơi tự động theo ngun lý rung động - Mơ hình hóa, kiểm tra xác nhận mô số hệ thống thực nghiệm - Khảo sát động lực học tối ưu kết cấu điều hướng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống cấp phôi tự động dạng phễu rung Các thông số động lực học kết cấu ảnh hưởng đến suất cấp phơi, từ xác định mục tiêu phạm vi nghiên cứu luận án - Nghiên cứu mô phỏng: Dựa vào kết tính tốn thiết kế hệ thống mơ hình hóa mơ Mơ hình mơ kiểm tra xác nhận thông qua liệu thực nghiệm Sử dụng phần mềm mô động lực học đa vật thể với mơ hình số xác nhận để đánh giá ảnh hưởng thông số động lực học kết cấu tới suất cấp phôi 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 phôi cần cấp xây dựng liệu quan hệ vận tốc, góc xoay, chuyển vị theo phương đứng với điện áp chế độ cộng hưởng hệ tương ứng với tần số điện áp đầu vào - Nghiên cứu tối ƣu: Sử dụng mơ hình số đánh giá ảnh hưởng tần số, biên độ, góc xoay, góc nghiêng rãnh xoắn, hình dáng thứ tự đến suất cấp phơi Tối ưu hóa giá trị góc nghiêng rãnh xoắn thứ tự kênh phân loại đến suất cấp phôi nguyên tắc làm việc chủ động công hưởng Ý nghĩa khoa học thực tiễn a Ý nghĩa khoa học Chỉ chất động lực học trình cấp phơi từ đặc điểm thông số động lực học, kết cấu ảnh hưởng đến suất cấp phơi Bằng lý thuyết thực nghiệm xây dựng mối quan hệ số yếu tố công nghệ : điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn vận tốc (năng suất) cấp phôi đồng thời xác định vận tốc cấp phơi lớn góc nghiêng  = 1.2560, mức điện áp 170V Bằng mô số tối ưu hóa hệ thống bẫy điều hướng để có suất cao cấp phơi tự động theo nguyên lý rung động b Ý nghĩa thực tiễn Việc áp dụng kết nghiên cứu vào thực tế sản xuất giúp giảm thời gian thiết kế, giảm chi phí chế tạo nâng cao hiệu kinh tế việc thương mại hóa hệ thống cấp phơi theo nguyên lý kích rung - Kết luận án để tham khảo việc đào tạo cán thiết kế, kỹ thuật, học viên cao học, nghiên cứu sinh ngành kỹ thuật Cơ khí Cơ điện tử Những điểm đề tài Đưa quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng Đưa mơ hình thiết bị môi trường số nhằm thử nghiệm, xác nhận tứng xử phôi kết cấu phễu rung cấp phôi Áp dụng mơ số để tối ưu hóa q trình cấp phơi nhằm giảm thời gian thực nghiệm cấp nắp chai vaccien máng dẫn hướng Đã xây dựng phương trình hàm hồi quy thực nghiệm mối quan điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn vận tốc (năng suất) cấp phôi Đồng thời xác định vận tốc cấp phôi lớn góc nghiêng  thay đổi từ 1.10 đến 4,50, điện áp Y thay đổi từ 100V đến 170V Bằng mơ số tối ưu hóa hệ thống bẫy điều hướng để có suất cao cho trình cấp nắp chai vaccien cao su thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động Cấu trúc luận án Luận án bao gồm 142 trang với 29 bảng biểu số liệu, 126 hình ảnh sơ đồ, gần 80 tài liệu tham khảo Kết cấu bao gồm: mở đầu 06 trang, tổng quan 22 trang, sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ thống 27 trang, mơ hình hóa, kiểm tra xác nhận mô số hệ thống 30 trang, khảo sát động lực học tối ưu hóa kết cấu điều hướng 21 trang, kết luận đề xuất 02 trang, tài liệu tham khảo 07 trang, phụ lục 17 trang CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG Trong chương tập trung tập trung xem xét, đánh giá công bố cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động liên quan đến nội dung sau: Xu hương nghiên cứu cấp phôi tự động Các phương pháp sử dụng nghiên cứu Ảnh hưởng thông số động lực học kết cấu đến vận tốc định hướng phôi máng dẫn Kết luận chƣơng 1 Thiết bị cấp phôi theo nguyên lý rung động sử dụng rộng rãi cơng nghiệp ngồi nước phục vụ cho việc cấp chi tiết rời rạc Các cơng trình khoa học ngồi nước thời gian gần suất cấp phôi phụ thuộc yếu tố động lực học kết cấu Việc nghiên cứu tối ưu hóa thông số nhà khoa học giới quan tâm Hiện giới nghiên cứu ứng dụng mô số nhằm khảo sát tối ưu hóa thơng số động lực học kết cấu phễu rung cấp phôi nhằm giảm thời gian chi phí thử nghiệm qua chọn kết cấu phù hợp cho thiết kế CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 2.1 Cơ sở lý thuyết Trong hệ thống (hình 2.1) thùng phân loại (phễu rung) gắn lên đế Đế lắp lên lò xo để tạo rung động, thực chuyển xoay xung quanh trục thẳng đứng chuyển động vặn vặn nhờ mà phơi di chuyển theo máng dẫn Khi phôi di chuyển máng dẫn có trạng thái trượt nhảy tùy thuộc vào biên độ dao động góc nghiêng α chân Phôi từ thùng phân loại di chuyển tới vị trí u cầu Để cấp phơi nhịp, máng dẫn thường lắp cấu định hướng ngắt phôi Nếu máng đầy phôi lực cản phôi trượt tương đối máng rơi lại thùng chứa Trong trình phân tích trạng thái phơi máng, biên độ dao động tăng dần từ Khi tần số nhỏ phôi gần không di chuyển máng dẫn lực qn tính phơi nhỏ lực ma sát Trên hình 2.5 ta thấy lực qn tính lớn tác dụng lên phơi máng dẫn đạt vị trí giới hạn Lực chia làm hai thành phần song song pháp tuyến là: mp.a0.2cosψ mp a0.2 sinψ Hình Hệ thống cấp phơi phơi rung Hình 2 Lực tác dụng lên phơi vrãnh Điều kiện để phôi trượt lên là: mp a0 2 cosψ > mp a0 g sinθ + F (2.1) Trong đó: F = μs.N = μs.[ mp.g.cosθ - mp a0. sinψ) (2.2) Với μs hệ số ma sát tĩnh phôi máng dẫn Từ phương trình (2.1) (2.2) điều kiện để phơi lên là: (2.3) Tương tự vầy, điều kiện để phôi di chuyến lùi xuống là: (2.4) Trạng thái hoạt động phễu rung biểu thị dạng gia tốc pháp tuyến máng dẫn không thứ nguyên An/gn Trong đó, An gia tốc pháp tuyến máng dẫn ( sinψ), gn gia tốc trọng trường theo phương pháp tuyến (gn=g.cosθ) g = 9.81m/s2 gia tốc trọng trường Vậy ta có: (2.5) Thay (2.5) vào (2.3) (2.4) ta có, điều kiện để phơi lên là: (2.6) Điều kiện để phôi di chuyển lùi xuống là: (2.7) So sánh phương trình (2.6) (2.7) ta thấy điều kiện để phôi lên là: Khi θ nhỏ ta có: (2.8) Với biên độ rung động đủ lớn, phôi di chuyển máng dẫn với trạng thái trượt nhảy theo đường dẫn Điều xảy phản lực N phôi máng dẫn Theo hình 2.5 ta có: (2.9) Do đó, để phơi rời khỏi máng dẫn ta có: 2.2 Định hƣớng phân loại phôi Giới thiệu loại phôi bản, cách định hướng phân loại ứng với loại phơi 2.3 Phân loại phễu rung Giới thiệu loại phễu rung có bao gồm cấu tạo, hình dạng, vật liệu kích thước 2.4 Tính tốn thiết kế hệ thống 2.4.1 Tính tốn thiết kế thơng số Với chi tiết cần cấp nắp chai vaccine hình 2.16 suất 120 chiếc/phút Định hướng theo yêu cầu Kết tính tốn sau: Bảng Bảng thông 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 trạng thái phơi u cầu đầu (nằm ngửa) hình 2.16 Hình 16 Hình dạng kích thước nắp chai vaccine b Lựa chọn kênh phân loại Đối tượng nắp chai vaccine dạng chi tiết tròn xoay trụ bậc miệng vành khăn thuộc nhóm chi tiết loại II có l/d