Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp cơ khí chính xác ngày càng phát triển, việc ứng dụng các thiết bị nâng hạ tự động đóng vai trò quan trọng trong nâng cao năng suất và giảm thiểu sức lao động. Tại Việt Nam, từ những năm 1990, công nghệ CNC và các thiết bị cơ khí hiện đại đã dần được chuyển giao và áp dụng trong sản xuất. Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho các máy móc hiện đại như máy nâng khuôn tự động vẫn còn cao, đặc biệt đối với các xưởng sản xuất nhỏ và vừa. Đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình máy nâng khuôn tự động” được thực hiện nhằm tạo ra một giải pháp máy nâng khuôn nhỏ gọn, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện sản xuất tại các xưởng cơ khí nhỏ lẻ và môi trường đào tạo kỹ thuật.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy nâng khuôn tự động sử dụng bộ truyền cơ khí vít-me – đai ốc kết hợp động cơ điện, giúp nâng hạ các chi tiết khuôn có kích thước nhỏ một cách nhẹ nhàng và hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình máy nâng khuôn tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với thời gian thực hiện trong năm 2018. Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận và thực hành các phần mềm CAD, mạch điện mà còn góp phần giảm thiểu sức người trong quá trình nâng hạ chi tiết nặng, đồng thời mở ra hướng phát triển các sản phẩm có tính ứng dụng và kinh tế cao hơn trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Đề tài dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí và điện tử sau:

  • Bộ truyền vít-me – đai ốc: Đây là bộ truyền cơ khí chính trong máy nâng, gồm vít quay và đai ốc chuyển động tịnh tiến. Vít thường làm bằng thép chịu tải lớn, đai ốc làm bằng hợp kim đồng để giảm ma sát. Bộ truyền này giúp chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động thẳng của bàn nâng, tối ưu chi phí và không gian.

  • Bộ truyền xích: Sử dụng xích con lăn và bánh xích để truyền động giữa các trục, đảm bảo hiệu suất cao, chịu tải tốt và giảm thiểu trượt so với truyền đai. Vật liệu thép cacbon và hợp kim được sử dụng để tăng độ bền và tuổi thọ.

  • Động cơ điện một chiều và mạch điều khiển: Động cơ điện một chiều có khả năng tạo mô men lớn ở tốc độ thấp, dễ dàng điều chỉnh chiều quay bằng mạch điện đơn giản với rờ-le và tụ điện. Mạch điện điều khiển gồm các rờ-le, công tắc hành trình giúp tự động hóa quá trình nâng hạ.

  • Hộp giảm tốc: Thiết bị trung gian giảm tốc độ quay của động cơ xuống tốc độ phù hợp với yêu cầu nâng hạ, đồng thời tăng mô men xoắn. Hộp giảm tốc được thiết kế theo tỷ số truyền 15:1, đảm bảo vận tốc bàn nâng khoảng 100 vòng/phút.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển động tịnh tiến, mô men xoắn, hiệu suất truyền động, điều khiển điện tử, và thiết kế cơ khí chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ tài liệu kỹ thuật, tiêu chuẩn thiết kế cơ khí, và thực nghiệm mô hình tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình máy nâng khuôn tự động do sinh viên thực hiện, với sự hướng dẫn của thạc sĩ chuyên ngành công nghệ chế tạo máy.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các bộ truyền cơ khí, động cơ điện và mạch điều khiển.

  • Thiết kế CAD: Sử dụng phần mềm SolidWorks 2016 để mô phỏng và thiết kế các chi tiết máy.

  • Chọn chi tiết tiêu chuẩn: Lựa chọn động cơ AC 90W, hộp giảm tốc tỷ số 15:1, rờ-le điện từ, bánh xe cao su và xích con lăn phù hợp với tải trọng 80kg.

  • Lắp ráp và thử nghiệm: Lắp ráp các chi tiết theo quy trình, vận hành mô hình và đánh giá hiệu quả nâng hạ.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2018, từ khảo sát lý thuyết, thiết kế, chế tạo đến thử nghiệm và hoàn thiện mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hoàn thiện mô hình máy nâng khuôn tự động: Mô hình được thiết kế và gia công thành công, có khả năng nâng hạ các chi tiết khuôn có kích thước nhỏ với tải trọng lên đến 80kg. Động cơ AC 90W kết hợp hộp giảm tốc 15:1 giúp bàn nâng vận hành ổn định với tốc độ khoảng 100 vòng/phút.

  2. Hiệu quả vận hành và tiết kiệm sức lao động: So với phương pháp nâng thủ công, mô hình giúp giảm thiểu sức người đáng kể, rút ngắn thời gian nâng hạ và tăng tính an toàn trong quá trình làm việc. Việc sử dụng bộ truyền vít-me – đai ốc giúp tối ưu không gian và chi phí so với các hệ thống khí nén hoặc thủy lực.

  3. Tính ứng dụng trong đào tạo và sản xuất: Mô hình tạo điều kiện cho sinh viên tiếp cận sớm với phần mềm CAD và mạch điện điều khiển, đồng thời có thể áp dụng trong các xưởng sản xuất nhỏ lẻ. Khả năng di chuyển linh hoạt nhờ bánh xe cao su giúp máy dễ dàng vận chuyển trong xưởng.

  4. Độ bền và độ chính xác: Các chi tiết được chế tạo từ thép CT3 và hợp kim đồng đảm bảo độ cứng, độ nhẵn bóng và độ bền cần thiết cho quá trình nâng hạ liên tục. Mạch điện điều khiển với rờ-le và công tắc hành trình giúp giới hạn vị trí nâng hạ chính xác, tránh quá tải.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân thành công của mô hình nằm ở việc kết hợp hiệu quả giữa các bộ truyền cơ khí truyền thống và công nghệ điều khiển điện tử đơn giản nhưng hiệu quả. So với các nghiên cứu khác về máy nâng sử dụng khí nén hoặc thủy lực, mô hình này có ưu điểm về chi phí đầu tư thấp, dễ bảo trì và phù hợp với môi trường sản xuất nhỏ.

Dữ liệu vận hành có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian nâng hạ và công suất tiêu thụ điện năng giữa mô hình và phương pháp thủ công, cũng như bảng thống kê tải trọng nâng tối đa và tốc độ nâng. Điều này giúp minh chứng rõ ràng hiệu quả và tính khả thi của mô hình.

Ngoài ra, việc áp dụng mô hình trong môi trường đào tạo giúp sinh viên nâng cao kỹ năng thực hành, từ thiết kế CAD đến lắp ráp và vận hành mạch điện, tạo nền tảng vững chắc cho các dự án kỹ thuật phức tạp hơn trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thiết kế mô hình nhỏ gọn hơn: Tối ưu kích thước và trọng lượng máy nâng để phù hợp với các xưởng có diện tích hạn chế, giúp tăng tính linh hoạt trong sử dụng. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do nhóm kỹ thuật và sinh viên thực hiện.

  2. Nâng công suất động cơ: Nghiên cứu và ứng dụng động cơ có công suất lớn hơn để nâng được các khuôn có kích thước và khối lượng lớn hơn, mở rộng phạm vi ứng dụng trong công nghiệp. Khuyến nghị thực hiện trong 1 năm với sự phối hợp của chuyên gia cơ điện.

  3. Ứng dụng bộ đẩy hiện đại: Áp dụng các bộ đẩy điện tử tiên tiến có khả năng điều khiển chính xác hơn, tăng độ bền và hiệu suất làm việc của máy nâng. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 9-12 tháng.

  4. Phát triển hệ thống điều khiển tự động: Tích hợp vi xử lý và cảm biến để tự động hóa hoàn toàn quá trình nâng hạ, giảm thiểu sự can thiệp của con người, nâng cao an toàn và hiệu quả sản xuất. Đề xuất thực hiện trong 1-2 năm với sự hỗ trợ của phòng thí nghiệm điện tử.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên ngành công nghệ chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức thực tiễn về thiết kế, chế tạo và vận hành máy nâng khuôn, giúp sinh viên nâng cao kỹ năng thực hành và áp dụng phần mềm CAD.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu kỹ thuật cơ khí: Tài liệu chi tiết về bộ truyền vít-me – đai ốc, động cơ điện và mạch điều khiển có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu phát triển máy móc tự động hóa.

  3. Kỹ sư và quản lý sản xuất tại các xưởng cơ khí nhỏ: Mô hình máy nâng khuôn tự động là giải pháp tiết kiệm chi phí, tăng năng suất và giảm sức lao động, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

  4. Nhà thiết kế và phát triển thiết bị công nghiệp: Tham khảo để phát triển các sản phẩm máy nâng có tính ứng dụng cao, đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường sản xuất hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy nâng khuôn tự động này có thể nâng được trọng lượng tối đa bao nhiêu?
    Mô hình hiện tại có khả năng nâng các chi tiết khuôn có tải trọng lên đến 80kg, phù hợp với các khuôn nhỏ và vừa trong sản xuất.

  2. Tại sao chọn bộ truyền vít-me – đai ốc thay vì hệ thống khí nén hay thủy lực?
    Bộ truyền vít-me – đai ốc giúp tiết kiệm chi phí, không gian, dễ bảo trì và phù hợp với môi trường sản xuất nhỏ, trong khi khí nén và thủy lực thường phức tạp, cồng kềnh và chi phí cao hơn.

  3. Mô hình có thể điều chỉnh tốc độ nâng hạ không?
    Tốc độ nâng hạ được điều chỉnh thông qua hộp giảm tốc với tỷ số truyền 15:1, cho vận tốc bàn nâng khoảng 100 vòng/phút, đảm bảo vận hành ổn định và an toàn.

  4. Quá trình vận hành máy có phức tạp không?
    Máy được thiết kế với mạch điều khiển đơn giản gồm rờ-le và công tắc hành trình, giúp người vận hành dễ dàng điều khiển nâng lên hoặc hạ xuống, đồng thời tự động ngắt khi đạt vị trí giới hạn.

  5. Mô hình này có thể áp dụng trong đào tạo sinh viên như thế nào?
    Sinh viên được tiếp cận thực hành thiết kế CAD, lắp ráp cơ khí và mạch điện điều khiển, từ đó nâng cao kỹ năng thực tế và hiểu biết về quy trình sản xuất máy móc tự động.

Kết luận

  • Đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy nâng khuôn tự động với tải trọng nâng 80kg, vận hành ổn định và hiệu quả.
  • Mô hình kết hợp bộ truyền vít-me – đai ốc và động cơ điện AC 90W, hộp giảm tốc tỷ số 15:1, đáp ứng yêu cầu nâng hạ chi tiết khuôn nhỏ.
  • Đề tài góp phần nâng cao kỹ năng thực hành cho sinh viên, đồng thời cung cấp giải pháp tiết kiệm chi phí cho các xưởng sản xuất nhỏ.
  • Đề xuất phát triển mô hình nhỏ gọn hơn, nâng công suất động cơ và ứng dụng bộ đẩy hiện đại để mở rộng phạm vi ứng dụng.
  • Các bước tiếp theo bao gồm hoàn thiện thiết kế, thử nghiệm nâng công suất và tích hợp hệ thống điều khiển tự động, nhằm nâng cao tính ứng dụng và hiệu quả sản xuất.

Mời các nhà nghiên cứu, kỹ sư và sinh viên quan tâm tiếp tục khai thác và phát triển đề tài để đóng góp vào sự tiến bộ của ngành công nghệ chế tạo máy.