Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Điều Khiển CNC Áp Dụng Cho Máy Ép Viên Gốm Áp Điện Từ Bột Thạch Anh

Gốm áp điện được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển chuyển động siêu chính xác, cung cấp giải pháp tổng thể kết hợp của sự ổn định, chính xác, đáp ứng và độ phân giải cao. Hiệu ứng áp điện – chuyển hóa điện năng thành cơ năng và ngược lại – là hiệu ứng của các vật liệu tự nhiên như thạch anh. Gốm áp điện được ứng dụng nhiều trong các cơ cấu chấp hành, cảm biến… Jacques và Pierre Curie đã phát hiện ra năng lượng điện có thể được tạo ra bằng cách tác dụng áp lực vào các tinh thể thạch anh, hiện tượng này được gọi là "hiệu ứng áp điện". Ứng dụng của gốm áp điện đang ngày càng trở nên phổ biến.

Quy trình sản xuất viên gốm áp điện sử dụng công nghệ ép viên đòi hỏi độ chính xác cao. Các yêu cầu kỹ thuật bao gồm tạo được hình dáng, kích thước theo yêu cầu; đạt được lực ép tối ưu, và đồng đều trên toàn bộ thể tích viên gốm; đảm bảo khối lượng sản phẩm viên gốm ứng với kích thước và hình dáng trong điều kiện môi trường cho phép. Sau khi ép với lượng bột 4.02 (g) với lực ép 2000 +500 (kg) ra kích thước viên gốm đường kính 11. Thông số vật liệu gốm áp điện cần tuân thủ theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất.

Quy trình công nghệ sản xuất viên gốm áp điện trong nước chủ yếu là thủ công, đơn cử như các bước ép bột thạch anh, từ khâu xác định chính xác lượng bột, đổ bột vào khuôn, ép bằng máy ép thủy lực, lấy sản phẩm ra, và kiểm tra sản phẩm. Vì vậy mà năng suất không cao, phụ thuộc vào sức người. Hơn thế nữa, hạt bụi thạch anh gây tác động xấu đến sức khỏe con người khi tiếp xúc hoặc hít phải.

Nhu cầu thực tế đặt ra là làm sao để tự động hóa quá trình sản xuất viên gốm áp điện, giảm thiểu sự phụ thuộc vào lao động thủ công và đảm bảo kiểm soát chất lượng sản phẩm. Điều này đòi hỏi một hệ thống điều khiển chính xác, có khả năng điều chỉnh các thông số ép một cách linh hoạt và đồng thời giám sát quá trình sản xuất. Việc sử dụng CNC là một trong những giải pháp để giải quyết các vấn đề trên.

Việc lựa chọn phần cứng và phần mềm là then chốt trong việc xây dựng một hệ điều khiển CNC hiệu quả. Motion card ADT-8960 của hãng ADTECH là một lựa chọn phổ biến. Phần mềm điều khiển cần có giao diện thân thiện, cho phép người dùng dễ dàng thiết lập các thông số ép và theo dõi quá trình sản xuất. Hệ thống cần cho phép lập trình thay đổi các tham số như: tốc độ, khối lượng nguyên liệu, sắp xếp sản phẩm, tần số rung.

Việc xây dựng thuật toán điều khiển tối ưu là yếu tố quan trọng để đạt được độ chính xác cao trong quá trình ép. Giao diện người dùng cần được thiết kế trực quan, dễ sử dụng, cho phép người dùng dễ dàng thiết lập các thông số ép và theo dõi quá trình sản xuất. Sơ đồ thuật toán đổ bột, ép song động, điều khiển rung, gắp sản phẩm và quay mâm cần được thiết kế và lập trình một cách chi tiết.

Tích hợp phần mềm CAD/CAM giúp tạo ra chương trình G-code và M-code một cách nhanh chóng và chính xác. Các phần mềm CAD/CAM cho phép mô phỏng quá trình ép, giúp người dùng kiểm tra và tối ưu hóa chương trình điều khiển trước khi đưa vào thực tế. Điều này giúp giảm thiểu sai sót và tiết kiệm thời gian, chi phí.

Các kết quả đo kiểm về độ chính xác, lực ép, và thời gian ép là cơ sở để đánh giá chất lượng của hệ thống. Các thông số cần đo kiểm bao gồm: Kích thước viên gốm, độ bền cơ học và cấu trúc tinh thể. Kết quả sản xuất cần đạt tiêu chuẩn và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra.

So sánh kết quả với các phương pháp sản xuất truyền thống cho thấy ưu điểm vượt trội của máy ép viên gốm điều khiển bằng CNC về năng suất, chất lượng và giảm thiểu rủi ro cho người lao động. Cần so sánh các chỉ số như năng suất, chất lượng sản phẩm, chi phí sản xuất và an toàn lao động.

Điều chỉnh các thông số ép một cách linh hoạt và theo thời gian thực, sử dụng cảm biến để theo dõi và điều chỉnh quá trình ép theo thời gian thực. Việc điều chỉnh các thông số như lực ép, tốc độ ép và nhiệt độ khuôn ép có thể giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu sai sót.

Áp dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến giúp đạt được độ chính xác cao và giảm thiểu sai số trong quá trình ép. Các thuật toán điều khiển PID, fuzzy logic, neural network có thể được áp dụng để điều khiển máy ép viên gốm một cách hiệu quả.

Nghiên cứu đã thành công trong việc xây dựng và ứng dụng hệ điều khiển CNC cho máy ép viên gốm. Kết quả thử nghiệm cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi của hệ thống trong ngành công nghiệp sản xuất gốm áp điện.

Trong tương lai, cần tập trung vào việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến, tích hợp trí tuệ nhân tạo và học máy để tối ưu hóa quá trình ép và dự đoán các vấn đề có thể xảy ra. Phát triển các hệ thống điều khiển CNC thông minh hơn, có khả năng tự học và thích nghi với các điều kiện sản xuất khác nhau.