Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, ngành Khoa học Vật liệu và Vật liệu Điện tử đóng vai trò then chốt trong phát triển công nghệ cao. Viên gốm áp điện, đặc biệt từ bột thạch anh, là vật liệu quan trọng được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử, hàng không, năng lượng nguyên tử và quân sự. Tuy nhiên, quy trình sản xuất viên gốm áp điện hiện nay tại nhiều cơ sở vẫn chủ yếu thủ công, dẫn đến năng suất thấp và tiềm ẩn nguy cơ sức khỏe do bụi thạch anh. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng hệ điều khiển CNC ứng dụng cho máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh nhằm tự động hóa quá trình sản xuất, nâng cao chất lượng và đồng đều sản phẩm.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc thiết kế và lập trình bộ điều khiển chuyển động sử dụng motion card ADT-8960 kết hợp với quy trình công nghệ ép viên gốm áp điện tại một số cơ sở sản xuất trong nước. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong năm 2018 tại Hà Nội. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện rõ qua việc cải thiện hiệu suất sản xuất, giảm thiểu tác động sức khỏe cho công nhân và tạo nền tảng phát triển các máy móc tự động hóa chuyên dụng trong ngành vật liệu điện tử. Các chỉ số kỹ thuật như lực ép 2000 ± 500 kg, khối lượng bột 4.02 g, kích thước viên gốm đường kính 11 mm được đảm bảo thông qua hệ thống điều khiển mới.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: hiệu ứng áp điện và điều khiển chuyển động CNC. Hiệu ứng áp điện mô tả khả năng chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng và ngược lại, là cơ sở vật liệu cho viên gốm áp điện từ bột thạch anh. Các khái niệm quan trọng bao gồm:

  • Hiệu ứng áp điện thuận và ngược: vật liệu biến dạng khi có điện trường và sinh điện áp khi bị biến dạng cơ học.
  • Motion card ADT-8960: thiết bị điều khiển chuyển động đa trục, hỗ trợ nội suy tuyến tính từ 2 đến 6 trục, với khả năng xử lý tín hiệu xung, encoder và các tín hiệu đầu vào/ra.
  • Thuật toán điều khiển CNC: bao gồm các thuật toán đổ bột, ép song động, rung khuôn, gắp sản phẩm và quay mâm, đảm bảo quá trình sản xuất tự động, chính xác và đồng bộ.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ thực nghiệm tại phòng thí nghiệm và các cơ sở sản xuất viên gốm áp điện sử dụng máy ép thạch anh. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các chu trình vận hành máy ép với hơn 100 sản phẩm thử nghiệm để đánh giá chất lượng và hiệu suất. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp thuận tiện, tập trung vào các quy trình sản xuất tiêu biểu.

Phân tích dữ liệu sử dụng phương pháp mô phỏng và lập trình điều khiển trên motion card ADT-8960, kết hợp đo kiểm các thông số vật lý như lực ép, khối lượng bột, kích thước viên gốm và tần số rung. Timeline nghiên cứu kéo dài 12 tháng, bao gồm thiết kế phần cứng, phát triển phần mềm điều khiển, thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xây dựng thành công hệ thống điều khiển CNC cho máy ép viên gốm áp điện: Hệ thống sử dụng motion card ADT-8960 điều khiển đồng bộ 6 trục, bao gồm trục ép song động, trục rung, trục quay mâm và robot Scara 4 DOF gắp sản phẩm. Tốc độ phân phối bột đạt 1-5 giây/sản phẩm, lực ép ổn định ở mức 2000 ± 500 kg.

  2. Thuật toán đổ bột và ép song động tối ưu: Thuật toán đổ bột tự động dựa trên số vòng quay và tốc độ quay được lập trình chính xác, đảm bảo khối lượng bột trung bình mỗi vòng quay đạt 4.02 g với sai số dưới 0.005 g. Quá trình ép song động đạt lực ép đồng đều trên toàn bộ thể tích viên gốm, giảm thiểu sai lệch kích thước sản phẩm.

  3. Tích hợp robot Scara trong quá trình gắp và phân loại sản phẩm: Robot thực hiện gắp sản phẩm ra khỏi khuôn, cân kiểm tra khối lượng với độ chính xác 0.001 g, loại bỏ sản phẩm không đạt và sắp xếp sản phẩm đạt vào khay theo thuật toán sắp xếp tự động. Tốc độ gắp sản phẩm đạt 3-5 giây/sản phẩm, nâng cao năng suất và giảm thiểu tiếp xúc với bụi thạch anh.

  4. Hệ thống rung khuôn hiệu quả: Tần số rung điều chỉnh từ 10 Hz đến 200 Hz với 8 mức, giúp làm đều bột trong khuôn, tăng chất lượng viên gốm. Thời gian rung được kiểm soát chính xác 5 giây mỗi chu trình, đảm bảo đồng nhất vật liệu.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc ứng dụng hệ điều khiển CNC với motion card ADT-8960 và các thuật toán điều khiển chuyên biệt đã nâng cao đáng kể hiệu quả sản xuất viên gốm áp điện. So với phương pháp thủ công truyền thống, hệ thống tự động giảm thiểu sai số về khối lượng bột và lực ép, đồng thời tăng tốc độ sản xuất lên khoảng 30-40%. Các biểu đồ khối lượng bột theo số vòng quay và tốc độ (Hình 3-4, 3-5) minh họa rõ sự ổn định và chính xác của quá trình cấp bột.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành tự động hóa sản xuất vật liệu điện tử, hệ thống này có ưu điểm vượt trội về tích hợp robot gắp sản phẩm và kiểm soát chất lượng trực tiếp trên dây chuyền. Việc kiểm soát lực ép và rung khuôn chính xác giúp giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi, nâng cao độ đồng đều về kích thước và tính chất vật liệu. Ngoài ra, hệ thống còn đảm bảo an toàn lao động khi giảm tiếp xúc trực tiếp với bụi thạch anh độc hại.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng hệ thống điều khiển CNC cho các dây chuyền sản xuất viên gốm áp điện quy mô công nghiệp nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sai số khối lượng bột và lực ép. Thời gian thực hiện dự kiến 12-18 tháng, do các đơn vị sản xuất chủ động thực hiện.

  2. Phát triển thêm các thuật toán điều khiển nâng cao như điều khiển PID cho lực ép và rung khuôn để tối ưu hóa quá trình ép, giảm thiểu hao hụt vật liệu và tăng độ bền sản phẩm. Chủ thể thực hiện là nhóm nghiên cứu và kỹ sư tự động hóa trong vòng 6 tháng.

  3. Mở rộng tích hợp robot tự động trong các khâu khác của dây chuyền sản xuất như đóng gói, kiểm tra chất lượng bằng cảm biến hình ảnh để hoàn thiện quy trình sản xuất tự động hóa toàn diện. Thời gian triển khai 1 năm, phối hợp giữa nhà sản xuất và đơn vị nghiên cứu.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành hệ thống CNC cho công nhân và kỹ thuật viên nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả, xử lý sự cố nhanh chóng và bảo trì định kỳ. Chủ thể là các trung tâm đào tạo kỹ thuật và doanh nghiệp sản xuất, thực hiện liên tục.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển CNC: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống điều khiển chuyển động đa trục, thuật toán điều khiển và tích hợp robot trong sản xuất vật liệu điện tử.

  2. Doanh nghiệp sản xuất vật liệu áp điện và thiết bị điện tử: Tham khảo để áp dụng công nghệ tự động hóa nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm thiểu rủi ro sức khỏe cho công nhân.

  3. Sinh viên và học viên cao học ngành Cơ điện tử, Tự động hóa: Tài liệu thực tiễn về thiết kế phần cứng, phần mềm điều khiển CNC, giúp nâng cao kỹ năng lập trình và vận hành hệ thống tự động.

  4. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách trong ngành công nghiệp vật liệu và tự động hóa: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để xây dựng các chương trình phát triển công nghệ, hỗ trợ chuyển đổi số trong sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ điều khiển CNC sử dụng trong nghiên cứu có thể áp dụng cho các loại máy ép khác không?
    Hệ điều khiển được thiết kế linh hoạt với motion card ADT-8960 hỗ trợ nội suy từ 2 đến 6 trục, có thể tùy chỉnh cho nhiều loại máy ép khác nhau trong ngành vật liệu điện tử và cơ khí chính xác.

  2. Làm thế nào để đảm bảo khối lượng bột đổ vào khuôn chính xác?
    Thuật toán đổ bột tự động dựa trên số vòng quay và tốc độ quay được lập trình chính xác, kết hợp cảm biến cân điện tử với độ phân giải 0.001 g giúp kiểm soát khối lượng bột với sai số dưới 0.005 g.

  3. Robot Scara có vai trò gì trong dây chuyền sản xuất?
    Robot Scara 4 DOF thực hiện gắp sản phẩm ra khỏi khuôn, cân kiểm tra và phân loại sản phẩm đạt hoặc loại bỏ, giúp tăng năng suất và giảm tiếp xúc trực tiếp với bụi thạch anh độc hại.

  4. Hệ thống có khả năng cảnh báo và xử lý lỗi như thế nào?
    Hệ thống giám sát liên tục các cảm biến vị trí, lực ép, trạng thái mâm quay và các xi lanh, khi phát hiện lỗi sẽ cảnh báo và dừng quy trình để đảm bảo an toàn và chất lượng sản phẩm.

  5. Thời gian hoàn thiện và đưa hệ thống vào vận hành thực tế là bao lâu?
    Theo kế hoạch nghiên cứu, thời gian thiết kế, lập trình, thử nghiệm và hiệu chỉnh hệ thống khoảng 12 tháng, sau đó có thể triển khai áp dụng trong các dây chuyền sản xuất quy mô công nghiệp.

Kết luận

  • Đã xây dựng thành công hệ điều khiển CNC sử dụng motion card ADT-8960 cho máy ép viên gốm áp điện từ bột thạch anh, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về lực ép, khối lượng bột và kích thước sản phẩm.
  • Thuật toán điều khiển đổ bột, ép song động, rung khuôn và gắp sản phẩm được phát triển và tích hợp hiệu quả, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
  • Hệ thống tích hợp robot Scara giúp tự động hóa khâu gắp và phân loại sản phẩm, giảm thiểu rủi ro sức khỏe cho công nhân.
  • Kết quả nghiên cứu mở ra hướng phát triển các máy móc tự động hóa chuyên dụng trong ngành vật liệu điện tử và cơ điện tử.
  • Đề xuất các giải pháp triển khai áp dụng công nghiệp, phát triển thuật toán nâng cao và đào tạo vận hành để tối ưu hóa hiệu quả sản xuất.

Tiếp theo, cần tiến hành mở rộng thử nghiệm trên quy mô công nghiệp và phát triển các module điều khiển nâng cao để hoàn thiện hệ thống tự động hóa toàn diện. Đề nghị các đơn vị sản xuất và nghiên cứu phối hợp triển khai ứng dụng thực tế nhằm nâng cao năng lực cạnh tranh và phát triển bền vững ngành vật liệu áp điện.