Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển của nền sản xuất công nghiệp hiện đại, tự động hóa dây chuyền đóng vai trò quyết định trong việc tối ưu hóa bài toán cung – cầu, nâng cao năng suất, cắt giảm chi phí nhân công và gia tăng năng lực cạnh tranh cho doanh nghiệp. Việc thích ứng với nhu cầu thay đổi liên tục của mẫu mã hàng hóa đòi hỏi các hệ thống sản xuất không chỉ dừng lại ở tự động hóa cứng mà phải hướng tới các hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) dựa trên nền tảng máy CNC, robot công nghiệp và cơ cấu điều khiển khả trình. Trong dây chuyền sản xuất tự động, khâu phân loại sản phẩm là một mắt xích then chốt, tác động trực tiếp đến độ đồng đều và chất lượng của sản phẩm trước khi phân phối ra thị trường.

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống cơ khí – Sản xuất tự động" (Mã học phần: ME4503, thời gian thực hiện 16 tuần, mã đề APS1) do sinh viên Đậu Hải Quỳnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Lê Giang Nam tại Khoa Cơ điện tử – Trường Cơ khí, Đại học Bách khoa Hà Nội (học kỳ 2023.1, năm học 2023–2024), tập trung giải quyết bài toán thiết kế một hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh phục vụ phân loại sản phẩm tự động.

Nhiệm vụ thiết kế và số liệu cho trước

Nhiệm vụ trọng tâm của đề tài là tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí, hệ thống dẫn động, hệ thống khí nén và bố trí cảm biến điều khiển cho hệ thống phân loại và cấp phôi tự động dựa trên 7 thông số kỹ thuật cho trước:

  1. Chế độ cấp phôi: Cấp phôi tự động từ ống chứa.
  2. Nguồn lực cấp phôi và đẩy phôi: Hệ thống khí nén.
  3. Nguồn lực quay băng tải: Động cơ điện.
  4. Bộ truyền ngoài: Bộ truyền xích.
  5. Thông số hình học của phôi: Phôi hình trụ tròn có cùng đường kính đáy $d_1 = d_2 = d_3 = 60\text{ mm}$, chiều cao thay đổi ở 3 mức: $h_1 = 60\text{ mm}$, $h_2 = 65\text{ mm}$, $h_3 = 70\text{ mm}$.
  6. Vật liệu chế tạo phôi: Gang trắng với khối lượng riêng $D = 7{,}5\text{ g/cm}^3$.
  7. Năng suất làm việc định mức: $N = 25\text{ sp/ph}$, phạm vi điều chỉnh năng suất $N [%] = \pm 50%$ (tương ứng dải năng suất từ $N_{\min} = 12\text{ sp/ph}$ đến $N_{\max} = 38\text{ sp/ph}$).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng phân loại: Các khối phôi gang trắng hình trụ tròn có cùng đường kính $60\text{ mm}$, chiều cao phân cấp thành 3 loại. Khối lượng tương ứng của từng loại phôi được xác định từ công thức $Q = D \cdot V$:
    • Phôi loại 1 (thấp): Chiều cao $h_1 = 60\text{ mm}$, khối lượng $Q_1 = 1{,}27\text{ kg}$.
    • Phôi loại 2 (trung bình): Chiều cao $h_2 = 65\text{ mm}$, khối lượng $Q_2 = 1{,}38\text{ kg}$.
    • Phôi loại 3 (cao): Chiều cao $h_3 = 70\text{ mm}$, khối lượng $Q_3 = 1{,}48\text{ kg}$.
    • Dải khối lượng: $Q_{\min} = 1{,}27\text{ kg}$ đến $Q_{\max} = 1{,}48\text{ kg}$. Tiêu chí phân loại chính được lựa chọn là đo chiều cao bằng cảm biến siêu âm kết hợp phân tách cơ học.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế động học, động lực học hệ dẫn động băng tải, tính chọn động cơ, tính toán độ bền chi tiết máy (bộ truyền xích, trục tang dẫn động, ổ lăn, then), thiết kế cơ cấu chấp hành khí nén, xác định vị trí cảm biến và xây dựng lưu đồ điều khiển tuần tự Grafcet.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án kết hợp giữa phương pháp phân tích – tổng hợp lý thuyết cơ khí truyền động, phương pháp khảo sát đối chuẩn hệ thống tương đồng và phương pháp tính toán giải tích kiểm nghiệm kỹ thuật theo các tiêu chuẩn thiết kế chi tiết máy.

Khung lý thuyết và mô hình áp dụng

  • Động học và động lực học máy vận chuyển liên tục: Tính toán phân bố không gian phôi trên băng tải, vận tốc làm việc $v$, thời gian chu kỳ $t$, gia tốc tiếp tuyến nhằm đảm bảo phôi không bị lật khi chuyển tiếp từ cơ cấu cấp phôi sang băng tải chuyển động.
  • Lý thuyết kéo băng ma sát (Công thức Euler): Xác định lực căng băng $S_0, S_1, S_2, S_3$ và lực kéo vòng $F$ dựa trên hệ số ma sát giữa đai và tang quay cùng góc ôm $\alpha = \pi$.
  • Lý thuyết tính toán chi tiết máy: Phương pháp tính toán độ bền tiếp xúc $\sigma_H$ của răng đĩa xích, độ bền mỏi uốn – xoắn của trục theo hệ số an toàn $s$, khả năng tải động/tĩnh của ổ lăn và độ bền dập/cắt của mối ghép then.
  • Điều khiển chu trình sản xuất tự động: Mô hình hóa logic hoạt động theo lưu đồ Grafcet kết hợp sơ đồ phân phối khí nén điều khiển các cơ cấu chấp hành piston – xylanh.

Phương pháp khảo sát hệ thống phân loại tương đồng

Tác giả thực hiện khảo sát so sánh hai hệ thống phân loại công nghiệp là Vertical Crossbelt và ASM SORTER để lựa chọn phương án công nghệ thích hợp:

Tiêu chí so sánh Hệ thống Vertical Crossbelt Hệ thống ASM SORTER Phương án chọn cho đề tài
Kích thước sản phẩm $100 \times 100 \times 5\text{ mm}$ đến $600 \times 400 \times 300\text{ mm}$ $10 \times 10 \times 5\text{ mm}$ đến $200 \times 200 \times 400\text{ mm}$ Phôi trụ $D=60\text{ mm}$, $H=60 \div 70\text{ mm}$
Trọng lượng làm việc Tối đa $50\text{ kg}$ $10\text{ g}$ đến $100\text{ kg}$ $Q = 1{,}27 \div 1{,}48\text{ kg}$
Cơ cấu vận chuyển Băng tải Băng tải Băng tải dây đai PVC
Cơ cấu nhận dạng Cảm biến quang, siêu âm, camera Cảm biến quang, siêu âm, điện dung Cảm biến siêu âm đo chiều cao
Cơ cấu phân loại Xylanh khí nén đơn/kép Cánh tay Robot gạt sản phẩm Xylanh khí nén đẩy và xoay gạt
Điều chỉnh năng suất Thay đổi tốc độ băng tải Đổi tốc độ băng tải, tay gạt Điều chỉnh dải vận tốc băng tải
Nguồn cấp năng lượng 220VAC, khí nén 8 bar 220VAC, khí nén 6 bar Động cơ điện DC 24V, khí nén

Nguồn dữ liệu sử dụng

Dữ liệu tính toán trong đồ án được trích xuất từ các bảng tra tiêu chuẩn chi tiết máy (trị số hiệu suất bộ truyền, tỷ số truyền khuyến nghị, bảng công suất cho phép của xích con lăn, diện tích tiếp xúc bản lề xích, giới hạn mỏi thép C45) kết hợp catalog kỹ thuật của hãng xylanh khí nén MSQ và đồ thị động học hành trình piston.

Thiết kế và triển khai hệ thống

1. Cấu trúc cơ khí và động học băng tải

Băng tải sử dụng dây đai PVC có chiều dày $3\text{ mm}$, bề rộng $W = 200\text{ mm}$, lắp trên khung sườn nhôm định hình nhằm giảm khối lượng và chịu tải tốt. Tang dẫn động có đường kính $D = 60\text{ mm}$.

  • Ống cấp phôi: Kích thước tiết diện $100 \times 100\text{ mm}$, đường kính lòng ống $D_{\text{ống}} = 80\text{ mm}$, chiều cao $H_{\text{ống}} = 210\text{ mm}$, cho phép chứa tối đa 3 phôi xếp chồng.
  • Phân bố chiều dài băng tải: Tổng chiều dài băng tải được xác định $L = 1700\text{ mm}$, thỏa mãn điều kiện chứa tối đa $n = 3$ sản phẩm cùng lúc.
    • Khoảng cách từ đầu băng tải đến cảm biến siêu âm: $L_1 = 750\text{ mm}$.
    • Khoảng cách từ cảm biến siêu âm đến khay 1: $L_2 = 100\text{ mm}$.
    • Độ rộng miệng mỗi khay chứa: $L_3 = 150\text{ mm}$.
    • Khoảng cách giữa khay 1 và khay 2: $L_4 = 200\text{ mm}$.
    • Khoảng cách từ khay 2 đến khay 3 (cuối băng tải): $L_5 = 100\text{ mm}$.
  • Thông số vận tốc và thời gian chu kỳ:
    • Tại năng suất danh định $N = 25\text{ sp/ph}$: Vận tốc băng tải $v = 236{,}11\text{ mm/s}$, thời gian di chuyển hết băng $t = 7{,}2\text{ s}$.
    • Tại năng suất cực đại $N_{\max} = 38\text{ sp/ph}$: Vận tốc cực đại $v_{\max} = 358{,}65\text{ mm/s}$, thời gian tối thiểu $t_{\min} = 4{,}74\text{ s}$.
    • Tại năng suất cực tiểu $N_{\min} = 12\text{ sp/ph}$: Vận tốc cực tiểu $v_{\min} = 113{,}33\text{ mm/s}$, thời gian tối đa $t_{\max} = 15\text{ s}$.
  • Kiểm tra điều kiện chống lật phôi: Xylanh đẩy phôi có hành trình $S = 200\text{ mm}$, vận tốc đẩy ban đầu $v_0 = 50\text{ cm/s}$ ($0{,}5\text{ m/s}$), thời gian đẩy $t_p = 0{,}4\text{ s}$. Cân bằng momen lực quán tính $F_{\text{qt}}$ và trọng lực $P$ quanh mép lật của phôi cho thấy giới hạn vận tốc băng tải để không lật phôi là $v < 38634\text{ mm/s}$. Vận tốc cực đại $v_{\max} = 358{,}65\text{ mm/s}$ hoàn toàn thỏa mãn điều kiện ổn định.

2. Hệ thống dẫn động: Động cơ, hộp giảm tốc và bộ truyền xích

  • Công suất và chọn động cơ:
    • Lực kéo vòng băng tải: $F = 28{,}94\text{ N}$ (với lực căng nhánh nhả $S_0 = 300\text{ N}$, lực căng nhánh căng $S_3 = 343{,}94\text{ N}$).
    • Công suất làm việc trên trục tang chủ động: $P_{\text{lv}} = F \cdot v_{\max} = 10{,}39\text{ W}$.
    • Hiệu suất chung của hệ dẫn động: $\eta = \eta_{\text{ol}}^4 \cdot \eta_{\text{br}} \cdot \eta_{\text{x}} = 0{,}99^4 \cdot 0{,}97 \cdot 0{,}96 = 0{,}87$.
    • Công suất cần thiết trên trục động cơ: $P_{\text{đc}} = P_{\text{lv}} / \eta = 11{,}94\text{ W}$.
    • Số vòng quay trên trục làm việc: $n_{\text{lv}} = 114{,}27\text{ vòng/phút}$.
    • Động cơ được chọn: Động cơ điện một chiều 6DCG24-15-30 (điện áp 24VDC, công suất $15\text{W}$, dải tốc độ $30 \div 3000\text{ vòng/phút}$, kích thước mặt bích $60\text{ mm}$) tích hợp hộp giảm tốc 9XD10GZ (tỷ số truyền $u_{\text{hgt}} = 1/10$, công suất $40\text{W}$, kích thước $120 \times 100 \times 80\text{ mm}$). Tốc độ chọn khi tính toán $n_{\text{đc}} = 1600\text{ vòng/phút}$.
  • Bộ truyền xích con lăn ngoài:
    • Tỷ số truyền xích: $u_x = 1{,}4$; số răng đĩa nhỏ $Z_1 = 27$, số răng đĩa lớn $Z_2 = 39 \implies$ Tỷ số truyền thực tế $u_t = 1{,}44$ (sai lệch $2{,}86% < 4%$).
    • Loại xích: Xích con lăn tiêu chuẩn có bước xích $p = 12{,}7\text{ mm}$, đường kính chốt $d_c = 3{,}66\text{ mm}$, chiều dài ống $B = 5{,}80\text{ mm}$, tải trọng phá hỏng $Q = 18200\text{ N}$, khối lượng đơn vị $q = 0{,}65\text{ kg/m}$.
    • Khoảng cách trục thực tế: $a = 512{,}24\text{ mm}$, số mắt xích $x = 114$.
    • Kiểm nghiệm tiếp xúc răng đĩa xích (thép C45): Ứng suất tiếp xúc tính toán $\sigma_H = 153{,}8\text{ MPa} < [\sigma_H] = 600\text{ MPa}$.
    • Kiểm nghiệm va đập bản lề xích: Số lần va đập $i = 4{,}74\text{ s}^{-1} < [i] = 60\text{ s}^{-1}$.
    • Hệ số an toàn về độ bền: $s = 679{,}8 > [s] = 8{,}2$.

3. Trục tang dẫn động và gối đỡ

  • Vật liệu trục: Thép C45 có giới hạn bền $\sigma_b = 600\text{ MPa}$, ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 15\text{ MPa}$.
  • Đường kính trục sơ bộ: $d_{\text{sb}} = 20\text{ mm}$.
  • Khoảng cách các điểm đặt lực: $AB = 33\text{ mm}$, $BC = 200\text{ mm}$, $CD = 20\text{ mm}$, $DE = 45\text{ mm}$.
  • Phản lực gối đỡ: $F_{Ax} = 23{,}17\text{ N}$, $F_{Ay} = 8{,}98\text{ N}$, $F_{Dx} = 7{,}69\text{ N}$, $F_{Dy} = 20{,}34\text{ N}$.
  • Kiểm nghiệm mỏi: Tại tiết diện lắp tang dẫn $d_1 = 22\text{ mm}$, hệ số an toàn tổng hợp đạt $s = 48{,}87 > [s] = 3$; tại tiết diện gối trục $d_0 = 20\text{ mm}$, hệ số an toàn đạt vô cùng lớn, đảm bảo trục làm việc an toàn lâu dài.

4. Hệ thống khí nén, cảm biến và thuật toán Grafcet

Hệ thống điều khiển phân loại vận hành tự động theo chu trình logic:

  • Bố trí cảm biến và cơ cấu chấp hành:
    • Cảm biến quang đặt dưới ống cấp phôi: Phát hiện phôi rơi xuống vị trí chờ.
    • Xylanh A (cấp phôi): Trang bị 2 cảm biến từ tiệm cận $A_1$ (đầu hành trình) và $A_2$ (cuối hành trình) để điều khiển piston đẩy phôi lên băng tải rồi lùi về.
    • Cảm biến siêu âm: Bố trí cách đầu băng tải $750\text{ mm}$, đo chiều cao phôi để gửi tín hiệu về bộ xử lý.
    • Xylanh B (gạt phôi cao vào Khay 1): Xylanh xoay góc $70^\circ$, tích hợp công tắc hành trình $B_1, B_2$ và cảm biến quang đếm sản phẩm khay 1.
    • Xylanh C (gạt phôi trung bình vào Khay 2): Xylanh xoay góc $70^\circ$, tích hợp công tắc hành trình $C_1, C_2$ và cảm biến quang đếm sản phẩm khay 2.
    • Khay 3 (phôi thấp): Phôi tự động chạy thẳng đến cuối băng tải rơi vào khay, có cảm biến quang đếm sản phẩm khay 3.
  • Quy trình hoạt động: Nhấn START $\rightarrow$ Băng tải chuyển động $\rightarrow$ Phôi rơi kích hoạt cảm biến quang $\rightarrow$ Xylanh A đẩy phôi lên băng rồi thu về $\rightarrow$ Cảm biến siêu âm đo chiều cao $\rightarrow$ Tùy loại phôi, hệ điều khiển kích hoạt Xylanh B (phôi cao), Xylanh C (phôi vừa) hoặc cho chạy thẳng (phôi thấp) $\rightarrow$ Cảm biến quang tại các khay đếm số lượng $\rightarrow$ Nút STOP cho phép dừng khẩn cấp hoặc hệ thống tự ngắt khi hoàn thành mẻ phôi.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm

Chương này tập trung phân tích nhiệm vụ thiết kế hệ thống cấp phôi và phân loại tự động cho 3 nhóm phôi gang trắng ($h_1=60\text{ mm}, h_2=65\text{ mm}, h_3=70\text{ mm}$). Tác giả khảo sát đối chuẩn hai hệ thống phân loại thương mại Vertical Crossbelt và ASM SORTER, từ đó xác lập phương án sử dụng cảm biến siêu âm nhận dạng chiều cao và xylanh khí nén tác động gạt phôi. Chương 1 cũng trình bày toàn bộ sơ đồ động học, nguyên lý bố trí cảm biến vị trí ($A_1, A_2, B_1, B_2, C_1, C_2$), sơ đồ mạch khí nén và lưu đồ chu trình hoạt động Grafcet.

Chương 2: Tính toán, thiết kế động lực học hệ thống

Đây là nội dung trọng tâm của đồ án, bao gồm các chuỗi tính toán giải tích chi tiết:

  • Tính toán kích thước hình học băng tải ($W = 200\text{ mm}, L = 1700\text{ mm}$) và kiểm tra chống lật phôi tại vận tốc $v_{\max} = 358{,}65\text{ mm/s}$.
  • Xác định lực căng băng tải và lực kéo $F = 28{,}94\text{ N}$.
  • Tính chọn công suất động cơ điện một chiều 6DCG24-15-30 ($15\text{W}$) kết hợp hộp giảm tốc 9XD10GZ ($u=1/10$).
  • Thiết kế bộ truyền xích con lăn bước xích $p = 12{,}7\text{ mm}$, số răng $Z_1 = 27, Z_2 = 39$, khoảng cách trục $a = 512{,}24\text{ mm}$, kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc răng đĩa xích $\sigma_H = 153{,}8\text{ MPa}$ và độ bền mỏi.
  • Thiết kế kết cấu trục tang chủ động đường kính $20 \div 22\text{ mm}$, vẽ biểu đồ momen uốn – xoắn, kiểm tra độ bền mỏi đạt $s = 48{,}87$.
  • Tính chọn ổ lăn, then và xác lập thông số động học của hệ thống xylanh khí nén cấp phôi, gạt phôi.

Chương 3: Xây dựng bản vẽ hệ thống

Trình bày hệ thống bản vẽ thiết kế kỹ thuật hoàn chỉnh bao gồm bản vẽ tổng thể kết cấu hệ thống phân loại sản phẩm, cụm cơ cấu cấp phôi tự động, cụm băng tải dẫn động và các bản vẽ chế tạo chi tiết (trục tang, đĩa xích, khay chứa, khung nhôm định hình).

Chương 4: Kết luận

Tổng kết lại toàn bộ các kết quả tính toán động lực học, mức độ đáp ứng các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra ban đầu về năng suất, độ tin cậy cơ khí và tính khả thi trong việc chế tạo, lắp ráp hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán thiết kế kỹ thuật

Các thông số kỹ thuật then chốt của hệ thống phân loại sản phẩm được tổng hợp chi tiết trong bảng dưới đây:

Hạng mục / Bộ phận Thông số kỹ thuật thiết kế Giá trị tính toán / Tiêu chuẩn Đánh giá độ bền & An toàn
Năng suất hệ thống Định mức / Cực đại / Cực tiểu $25\text{ sp/ph} \ / \ 38\text{ sp/ph} \ / \ 12\text{ sp/ph}$ Đạt dải điều chỉnh $\pm 50%$
Băng tải vận chuyển Kích thước $(W \times L)$ / Vật liệu $200\text{ mm} \times 1700\text{ mm}$ / Đai PVC, khung nhôm Chống lật phôi ($v_{\max} < 38{,}63\text{ m/s}$)
Vận tốc băng tải Định mức / Cực đại / Cực tiểu $236{,}11 \ / \ 358{,}65 \ / \ 113{,}33\text{ mm/s}$ Vận hành ổn định
Động cơ dẫn động Mã hiệu / Điện áp / Công suất 6DCG24-15-30 / 24VDC / $15\text{W}$ $P_{\text{đc}} = 15\text{W} > P_{\text{ct}} = 11{,}94\text{ W}$
Hộp giảm tốc Mã hiệu / Tỷ số truyền / Công suất 9XD10GZ / $u_{\text{hgt}} = 1/10$ / $40\text{W}$ Đạt tỷ số giảm tốc yêu cầu
Bộ truyền xích ngoài Bước xích $p$ / Số răng $Z_1, Z_2$ $p = 12{,}7\text{ mm}$ / $Z_1 = 27, Z_2 = 39$ Ứng suất $\sigma_H = 153{,}8 < 600\text{ MPa}$
Khoảng cách trục xích Chiều dài $a$ / Số mắt xích $x$ $a = 512{,}24\text{ mm}$ / $x = 114$ mắt Hệ số an toàn $s = 679{,}8 > 8{,}2$
Trục tang dẫn Đường kính gối / Đường kính tang $d_0 = 20\text{ mm}, d_1 = 22\text{ mm} / D = 60\text{ mm}$ Hệ số an toàn mỏi $s = 48{,}87 > 3$
Cơ cấu khí nén Xylanh đẩy A / Xylanh xoay B, C Hành trình $200\text{ mm}$ / Góc xoay $70^\circ$ Thời gian đáp ứng $0{,}156 \div 1{,}56\text{ s}$

Đóng góp của đồ án

  • Đưa ra phương án tích hợp đồng bộ giữa cơ cấu cấp phôi trọng lực dạng ống đứng với xylanh đẩy phôi ngang, tối ưu hóa không gian cấp liệu và đảm bảo cấp từng phôi riêng lẻ với nhịp chính xác.
  • Xây dựng mô hình tính toán động học toàn diện cho bài toán ổn định phôi (chống lật) khi chuyển giao vận tốc đột ngột từ piston sang mặt băng tải.
  • Hoàn thiện chuỗi tính toán chi tiết máy truyền thống (xích, trục, ổ, then) gắn liền với hệ dẫn động điều khiển hiện đại, đảm bảo tính khả thi cao trong gia công thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi đề tài tập trung chủ yếu vào tính toán cơ khí, kết cấu động lực học và lựa chọn thiết bị phần cứng, chưa xây dựng chương trình điều khiển chi tiết trên PLC hoặc vi điều khiển thực tế.
    • Hệ thống mới chỉ thực hiện phân loại theo một tiêu chí duy nhất là chiều cao hình học của khối phôi đồng nhất về vật liệu và đường kính.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tích hợp thêm cảm biến trọng lượng (loadcell) hoặc camera xử lý ảnh công nghiệp để phân loại đa tiêu chuẩn (kích thước, khuyết tật bề mặt, màu sắc và khối lượng).
    • Nghiên cứu thuật toán điều khiển biến tần hoặc điều chế độ rộng xung (PWM) cho động cơ để tự động thay đổi tốc độ băng tải linh hoạt theo dữ liệu phản hồi từ năng suất thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Cơ khí chế tạo máy, Tự động hóa: Cung cấp quy trình mẫu chuẩn mực về phương pháp tính toán hệ dẫn động băng tải, chọn công suất động cơ, tính toán bền bộ truyền xích, trục tang và kiểm tra ứng suất mỏi theo giáo trình Chi tiết máy Việt Nam.
  • Kỹ sư thiết kế máy và hệ thống sản xuất tự động: Tham khảo các công thức xác định khoảng cách phôi ($L_1 \div L_5$), mối quan hệ giữa thời gian phản hồi của xylanh xoay và vận tốc cực đại của băng tải nhằm tránh xung đột phôi trong các module phân loại công nghiệp cỡ nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống phân loại 3 kích thước phôi phôi gang trắng dựa trên nguyên lý nào?

Phôi có cùng đường kính $60\text{ mm}$ nhưng khác chiều cao ($60\text{ mm}, 65\text{ mm}, 70\text{ mm}$). Khi phôi di chuyển qua cảm biến siêu âm đặt cách đầu băng $750\text{ mm}$, cảm biến sẽ nhận dạng chiều cao: nếu là phôi cao ($70\text{ mm}$), xylanh xoay B sẽ gạt vào Khay 1; nếu là phôi vừa ($65\text{ mm}$), xylanh xoay C gạt vào Khay 2; nếu là phôi thấp ($60\text{ mm}$), phôi đi thẳng đến cuối băng tải rơi vào Khay 3. Các cảm biến quang tại mỗi khay sẽ thực hiện đếm số lượng.

2. Vận tốc lớn nhất của băng tải ($v_{\max}$) được tính toán dựa trên điều kiện gì?

Vận tốc $v_{\max} = 358{,}65\text{ mm/s}$ được xác định từ năng suất cực đại $N_{\max} = 38\text{ sp/ph}$ và kiểm tra theo điều kiện cân bằng chống lật của phôi khi xylanh A đẩy phôi từ vận tốc $v_0 = 50\text{ cm/s}$ vào băng tải. Momen do lực quán tính $F_{\text{qt}}$ gây ra phải nhỏ hơn momen của trọng lực $P$ tại mép phôi có chiều cao lớn nhất ($70\text{ mm}$). Giới hạn lật tính toán cho phép vận tốc lên tới $38634\text{ mm/s}$, do đó hệ thống hoàn toàn đảm bảo ổn định.

3. Động cơ và hộp giảm tốc được lựa chọn có thông số kỹ thuật ra sao?

Hệ thống sử dụng động cơ điện một chiều 6DCG24-15-30 hoạt động ở điện áp 24VDC, công suất định mức $15\text{W}$, dải tốc độ $30 \div 3000\text{ vòng/phút}$ (chọn vận hành ở $1600\text{ vòng/phút}$), kết hợp hộp giảm tốc bánh răng 1 cấp 9XD10GZ có tỷ số truyền $u_{\text{hgt}} = 1/10$, công suất danh định $40\text{W}$. Công suất này đáp ứng tốt công suất cần thiết tính toán trên trục động cơ là $11{,}94\text{ W}$.

4. Các thông số hình học và chỉ tiêu kiểm nghiệm chính của bộ truyền xích là gì?

Bộ truyền sử dụng xích con lăn 1 dãy tiêu chuẩn có bước xích $p = 12{,}7\text{ mm}$, số răng đĩa nhỏ $Z_1 = 27$, số răng đĩa lớn $Z_2 = 39$ (tỷ số truyền thực tế $u_t = 1{,}44$), khoảng cách trục $a = 512{,}24\text{ mm}$ với số mắt xích $x = 114$. Bộ truyền được kiểm nghiệm đạt độ bền tiếp xúc răng đĩa xích ($\sigma_H = 153{,}8\text{ MPa} < 600\text{ MPa}$), số lần va đập bản lề ($i = 4{,}74\text{ s}^{-1} < 60\text{ s}^{-1}$) và hệ số an toàn tĩnh ($s = 679{,}8 > 8{,}2$).

5. Cơ cấu cấp phôi tự động được thiết kế với kích thước và số lượng chứa như thế nào?

Ống cấp phôi dạng đứng có chiều cao $H_{\text{ống}} = 210\text{ mm}$, đường kính trong $D_{\text{ống}} = 80\text{ mm}$, kích thước ngoài $100 \times 100\text{ mm}$, có khả năng chứa tối đa 3 phôi. Phôi rơi tự do xuống vị trí chờ được nhận biết bởi cảm biến quang và được xylanh khí nén A có hành trình $S = 200\text{ mm}$ đẩy tuần tự lên mặt băng tải.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" của sinh viên Đậu Hải Quỳnh đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế một hệ thống sản xuất tự động cỡ nhỏ phục vụ phân loại phôi trụ gang trắng với năng suất $25\text{ sp/ph} \pm 50%$. Công trình thể hiện sự kết hợp chặt chẽ giữa các phương pháp tính toán động lực học máy, tiêu chuẩn thiết kế chi tiết cơ khí (băng tải, xích, trục, then, ổ lăn) và nguyên lý điều khiển khí nén – cảm biến theo lưu đồ Grafcet. Các kết quả kiểm nghiệm đều chỉ ra rằng hệ thống làm việc ổn định, đảm bảo đầy đủ các chỉ tiêu về độ bền mỏi, độ bền tiếp xúc và khả năng vận hành tin cậy trong môi trường sản xuất công nghiệp.