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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ Hà Nội – 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi 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 Ngành : Kỹ thuật khí Mã số : 9520103 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS LÊ GIANG NAM TS BÙI QUÍ LỰC Hà Nội – 2019 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thiện Luận án Tiến sĩ này, bên cạnh cố gắng thân, Tôi nhận đƣợc động viên giúp đỡ nhiều Thầy Cô giáo, nhà Khoa học, đồng nghiệp bạn bè Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Giang Nam TS Bùi Quí Lực, Bộ môn Máy Ma sát, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội, ngƣời tận tình hƣớng dẫn, định hƣớng, đào tạo giúp đỡ suốt q trình nghiên cứu hồn thành luận án Xin chân thành cảm ơn Thầy, Cô giáo Bộ môn Máy Ma sát học Trƣờng ĐHBKHN giảng dạy, bảo tạo điều kiện giúp đỡ tơi thời gian làm nghiên cứu hồn thành luận án Xin cảm ơn đồng nghiệp Khoa Cơ khí, lãnh đạo trƣờng Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp tạo điều kiện giúp đỡ thời gian ủng hộ để tơi hồn thành luận án Xin cảm ơn nhà Khoa học, bạn Viện Ứng dụng Công nghệ, Bộ Khoa học Cơng nghệ, Viện Nghiên cứu Cơ Khí, Bộ Cơng thƣơng… giúp đỡ tơi hồn thành luận án Cuối cùng, tơi xin bày tỏ kính trọng, biết ơn lịng u thƣơng tới đại gia đình, bạn bè thực động viên, giúp đỡ suốt thời gian học tập Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Mùi i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Cơng trình đƣợc thực Bộ mơn Máy Ma sát học - Viện Cơ khí, Trƣờng Đại học Bách khoa Hà Nội dƣới hƣớng dẫn PGS.TS Lê Giang Nam TS Bùi Quí Lực Các số liệu kết nghiên cứu luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Hà Nội, ngày tháng năm 2019 THAY MẶT TẬP THỂ HƢỚNG DẪN Ngƣời cam đoan PGS.TS Lê Giang Nam Nguyễn Văn Mùi ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xi PHẦN MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Đối tƣợng nghiên cứu 3 Phạm vi nghiên cứu 4 Mục đích nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Phƣơng pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Những điểm đề tài CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 1.1 Thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động 1.1.1 Thiết bị cấp phơi dạng phễu rung có đƣờng xoắn vít 1.1.2 Thiết bị cấp phôi theo phƣơng thẳng 1.2 Xu hƣớng nghiên cứu giới 10 1.3 Phƣơng pháp thực 10 1.4 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc 11 1.4.1.Tình hình nghiên cứu nƣớc ngồi 11 1.4.1.1 Ảnh hƣởng biên độ rung đến tốc độ di chuyển phôi 11 1.4.1.2 Ảnh hƣởng biên độ rung đến định hƣớng phôi 14 iii 1.4.1.3 Ảnh hƣởng thông số động lực học khác 17 1.4.1.4 Các nghiên cứu khác 20 1.4.2.Tình hình nghiên cứu nƣớc 25 Kết luận chƣơng 28 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TỐN THIẾT KẾ THIẾT BỊ CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 29 2.1 Cơ sở lý thuyết cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động 29 2.1.1 Phân tích lực tác dụng lên phơi 29 2.2.2 Các thông số ảnh hƣởng đến q q trình di chuyển phơi 31 2.2.2.1 Ảnh hƣởng thơng số kết cấu (góc nghiêng rãnh xoắn θ) [4] 31 2.2.2.2 Ảnh hƣởng thông số động lực học 32 2.2 Định hƣớng phân loại phôi 35 2.2.1 Phân loại phôi 35 2.2.2 Phơi có bề mặt mặt trịn xoay ngồi 36 2.2.3 Phơi có bề mặt mặt phẳng 37 2.2.4 Phơi có hình dạng phức tạp, tập hợp bề mặt trịn xoay trong, ngồi, mặt phẳng bề mặt định hình 38 2.3 Phân loại thiết bị cấp phôi dạng phễu rung 40 2.4 Tính tốn thiết kế thiết bị cấp phôi dạng phễu rung 42 2.4.1 Tính tốn thiết kế thơng số thiết bị 42 2.4.1.1 Phân tích sản phẩm 42 2.4.1.2 Chọn vật liệu làm phễu 42 2.4.1.3 Cân suất cấu cấp phôi rung động 43 2.4.1.4 Xác định thơng số hình học phễu rung 43 2.4.1.5 Xác định kích thƣớc đế máy rung 45 2.4.1.6 Xác định thơng số cho nhíp đàn hồi 47 2.4.1.7 Xác định biên độ rung động 48 2.4.1.8 Tính nam châm điện 50 2.4.1.9 Xác định kích thƣớc giảm chấn cao su [3] 52 iv 2.4.2 Thiết kế cấu hình kênh phân loại 54 2.4.2.1.Phân tích đối tƣợng yêu cầu định hƣớng 54 2.4.2.2 Lựa chọn cấu hình hệ thống kênh phân loại 54 Kết luận chƣơng 57 CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA, KIỂM TRA VÀ XÁC NHẬN MÔ PHỎNG SỐ HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM 59 3.1 Mơ hình hóa thiết bị cấp phôi dạng phễu rung 59 3.1.1 Cơng cụ thực mơ hình hóa 59 3.1.2 Mơ hình hóa phễu rung 60 3.1.2.1 Thông số thiết kế phễu rung theo tính tốn (bảng 2.4) 60 3.1.2.2 Quy trình thực 61 3.1.2.3 Kết 61 3.1.3 Mơ hình hóa chi tiết nguồn rung 62 3.1.3.1 Quy trình thực 62 3.1.3.2 Công cụ thiết kế kết mơ hình hóa 62 3.1.4 Lắp ráp hệ thống 64 3.1.4.1 Quy trình lắp ráp 64 3.1.4.2 Tiến hành lắp ráp 64 3.1.4.3 Kết lắp ráp 66 3.2 Tự động hóa thiết kế tham số sử dụng CATIA 66 3.2.1 Xây dựng liên kết tham số hàm số 66 3.2.1.1 Tham số cho phễu chứa 66 3.2.1.2 Tham số cho đế đỡ phễu chứa 67 3.2.1.3 Tham số cho đế nhíp đàn hồi 67 3.2.1.4 Tham số cho nhíp đàn hồi 67 3.2.1.5 Tham số cho đế máy rung 67 3.2.2 Thiết kế theo tham số phần mềm Catia 68 3.2.2.1 Sơ đồ q trình tự động hóa thiết kế tham số 68 3.2.2.2 Quá trình thực tham số hóa Catia 68 v 3.3 Kiểm tra xác nhận mơ hình số 70 3.3.1 Xác định tần số dao động riêng 70 3.3.1.1 Công cụ mô số 70 3.3.1.2 Quy trình mơ 71 3.3.1.3 Kết mô 75 3.3.2 Xác định hệ số ma sát phôi phễu 77 3.3.2.1 Sơ đồ thí nghiệm đo: Máy đo VF 77 3.3.2.2 Phƣơng pháp đo lực ma sát máy VF 77 3.3.2.3 Các số liệu máy VF 78 3.3.2.4 Thông số máy đo hệ số ma sát VF 78 3.3.2.5 Trình tự thí nghiệm: 78 3.3.3 Xác định tần số dao động hệ thống 79 3.3.3.1 Thiết bị Detector III FAG 79 3.3.3.2 Thiết bị đo Nacentech 81 3.3.4 Xác định biên độ dao động xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng hệ thống……………… 82 3.3.4.1 Sơ đồ thiết bị đo 83 3.3.4.2 Kết xử lý số liệu 84 3.3.4.3 Xây dựng hàm động học tƣơng đƣơng cho chuyển động phễu 84 3.4.Mô số thiết bị 87 3.4.1 Công cụ mô [42] 87 3.4.2 Quy trình mô MSC ADAMS 88 3.4.2.1 Xác định nguyên lý làm việc q trình mơ 88 3.4.2.2 Các thơng số thực mô 89 3.4.2.3 Kết mô MSC ADAMS 90 Kết luận chƣơng 91 CHƢƠNG KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU KẾT CẤU ĐIỀU HƢỚNG TRONG PHỄU CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG 92 vi 4.1 Đánh giá ảnh hƣởng góc nghiêng rãnh xoắn đến suất cấp phơi 92 4.1.1 Trình tự thực 92 4.1.2 Xử lý số liệu kết 92 4.2 Đánh giá ảnh hƣởng điện áp đến suất cấp phôi 96 4.2.1 Quy trình thực 96 4.2.2 Xử lý số liệu kết 97 4.3 Tối ƣu hóa điện áp góc nghiêng rãnh xoắn đến suất cấp phôi 98 4.3.1 Quy trình tối ƣu 99 4.3.2 Các đại lƣợng đầu vào 99 4.3.3 Các đại lƣợng đầu 99 4.3.4 Các đại lƣợng cố định 99 4.3.5 Xây dựng quy hoạch thực nghiệm 100 4.3.5.1 Quy trình lấy số liệu mơ số 100 4.3.5.2 Số liệu mô số 100 4.3.5.3 Lý thuyết quy hoạch thực nghiệm [39,40,41] 102 4.3.5.4 Tìm hàm hồi quy 104 4.3.5.5 Tối ƣu hóa hàm mục tiêu 105 4.3.6 Thực nghiệm, kiểm tra so sánh với mơ hình số 106 4.4 Tối ƣu hóa kết cấu điều hƣớng phơi đến suất cấp phôi 108 4.4.1 Kết cấu cấu hình hệ thơng điều hƣớng 108 4.4.2 Năng suất cấp phôi 109 4.4.3 Các đại lƣợng cố định 110 4.4.4 Mô số kết cấu điều hƣớng 111 Kết luận chƣơng 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 114 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117 PHỤ LỤC 123 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ký hiệu, viết tắt Đơn vị Automatic Dynamic Analysis of Mechanical ADAMS AW b Bowl Ý nghĩa System (mô động lực học đa vật thể) Ansys Workbench mm Chiều rộng lò xo Phễu Computer Aided Three-Dimensional Interactive Application (xử lý tƣơng tác khơng gian ba CATIA chiều có trợ giúp máy tính) D mm Đƣờng kính phễu Dd mm Đƣờng kính đế E Pa module đàn hồi f Hz Tần số rung 10 fr Hz Tần số dao động riêng hệ 11 H mm Chiều cao phễu 12 h mm Chiều cao chi tiết 13 NX 14 l mm 15  α Độ Góc nghiêng rãnh xoắn Độ Độ Góc nghiêng lị xo Góc lực qn tính mặt phẳng nghiêng mm Nm Hệ số ma sát phôi rãnh Bƣớc xoắn Mô men xoắn 16 17 18 19 20  μs t T 21 22 Track 23 24  SUS 304 25 Vct Phần mềm NX Chiều dài lò xo Máng dẫn hƣớng Hệ số tần suất  Hệ số hấp thụ Inox 304 cm/s Vận tốc phôi viii 25 A Study on the Vision-Based Flexible Vibratory Feeding System 2011 26 Design, fabrication and commissioning of the KSTAR TF current feeder system 2011 27 Dynamic design and simulation of a vibratory hopper 2011 28 A Study on the Machine Vision Assisted Vibratory Feeding System 2012 29 Elastodynamic analysis of vibratory bowl feeders: Modeling and 2013 30 A numerical 2D simulation of part motion in vibratory bowl 2013 X 2013 X 31 32 Automated Shape Optimization of Orienting Devices for Vibratory Bowl Feeders Dynamical analysis of vibratory feeder and feeding part considering interaction by an improved imcrement harmonic balance method X X X X [35] X X X X 2014 X 126 [36] X X [18] X X [37] X [17] X X [7] X X [10] X X X X X X [38] 33 34 Kinematics analysis and experimental investigation of an inclined feeder with horizontal vibration Modal Analysis of Vibratory Bowl Feeder Machine 2015 X X X X [13] 2017 X X X X [23] X X [43] 35 Vibration control of flexible linkage mechanisms using piezoelectric films 1994 36 Feedback control for electromagnetic vibration feeder 2001 37 Fundamentals of Vibrations 2001 38 39 Piezothermoelastic analysis of an optical beam deflector An experimental study of active vibration control of composite structures with a piezo-ceramic actuator and a piezo-film sensor X X X X [44] X 2001 1997 X X X 127 X X X X X X [45] X X [46] [47] 40 Vibration and position tracking control of piezoceramic-based smart structures via 1999 X [48] QFT 41 Design, Fabrication and Analysis of Vibratory Feeder 2013 42 Force Analysis of Vibratory Bowl Feeder for automatic assembly 2005 43 Mechanical Vibrations 2011 44 Design of Machine Elements 2011 X 45 Expert System for Vibratory Bowl Feeder Tooling 2009 X 46 Simulation of Conveying Processes in Vibratory Conveyors 2012 X X X 128 X X X X X X X X X [49] X [50] X X [51] [52] [53] X [54] 47 Physically Based Simulation in Parts Feeding 2012 X 48 Design of a Modular Feeder for Optimal Operating Performance 2010 X X 49 Dynamics of Vibratory Bowl Feeders 2005 X X 50 On the conveying velocity of a vibratory feeder 1997 51 DEM simulation of particles damping 2004 52 Modeling the dependence of the coefficient of restitution on the impact velocity in elasto-plastic collisions 1999 53 A study on a novel vibrating conveyor 2010 X X X X X X X X X [55] X [56] X [57] X [58] X X X X 129 [59] [60] X X X [61] 54 Configuration and Validation of Dynamic Simulation for Design of Vibratory Bowl 2016 X X X X X [62] Feeders 55 Optimisation of Trap Design for Vibratory Bowl Feeders 2018 X X X X [63] 56 Configuration system for simulation based design of vibratory bowl feeders 2016 X X X X [64] 57 Automatic Selection and Sequencing of Traps for Vibratory Feeders 2017 X X X X [65] 58 Nonlinear vibrations of dynamical systems with a general form of piecewiselinear viscous damping by incremental harmonic balance method 2002 X X X X 58 Bifurcation and chaos of a harmonically excited oscillator with both stiffness and viscous damping piecewise linearities by X 2003 X incremental harmonic balance method 130 X X [66] X [67] 59 Super- and sub-harmonic response calculations for a torsional system with clearance nonlinearity using the harmonic balance method 2005 X X X X X X X X [68] X [69] Bifurcation analysis of aeroelastic systems 60 with hysteresis by incremental harmonic balance method 2012 61 Trap design for vibratory bowl feeders 2011 X X 62 Blades:A New Class of Geometric Primitives for Feeding 3D Parts 2006 X X X X X [70] X X [71] X X [72] X X [73] onVibratory Tracks 63 On the Design of Guillotine Traps for Vibratory Bowl Feeder 2005 64 Automated generation of orienting devices for vibratory bowl feeders 2017 65 Automated supply of micro parts based on the micro slide conveyi ng principle 2011 X X X X X 131 X X X [74] Phụ lục 2: Thông số kiểm định thiết bị đo 132 Phụ lục 3: Giấy chứng nhận kết đo 133 Phụ lục 4: Một số hình ảnh q trình thí nghiệm Hình phụ lục 4.1 Đo dao động theo phương thẳng đứng thiết bị Detector III FAG Hình phụ lục 4.2 Đo dao động theo phương thẳng đứng thiết bị Detector III FAG 134 Hình phụ lục 4.3 Điều chỉnh điện áp trình đo Hình phụ lục 4.4 Hiển thị xử lý số liệu 135 Hình phụ lục 4.5 Thiết bị đo Nacentech Hình phụ lục 4.6 Hiển thị xử lý số liệu 136 Hình phụ lục 4.7 Xác định tần số dao động riêng thiết bị đo VIBROPOST 80 Hình phụ lục 4.8 Hiển thị xử lý số liệu 137 Hình phụ lục 4.9 Đo biên độ dao động theo phương thẳng đứng dùng mơ hình thay Hình phụ lục 4.10 Đo biên độ dao động theo phương ngang dùng mô hình thay 138 Hình phụ lục 4.11 Đo biên độ mơ hình thực nghiệm theo hai phương Hình phụ lục 4.12 Kết xử lý số liệu 139 Hình phụ lục 4.14 Đo biên độ dao động theo phương thẳng đứng thiết bị đo laze Hình phụ lục 4.15 Đo biên độ dao động theo phương ngang thiết bị đo laze 140 ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Văn Mùi 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... hóa kết cấu điều hƣớng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động 3 Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu ƣu, nhƣợc điểm phạm vi ứng dụng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. .. cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động - Mơ hình hóa, kiểm tra xác nhận mô số hệ thống thực nghiệm - Khảo sát động lực học tối ƣu kết cấu điều hƣớng hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý