Tổng quan nghiên cứu

Cam cơ khí là một thiết bị truyền động quan trọng trong nhiều loại máy móc công nghiệp, có chức năng biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hoặc dao động. Theo ước tính, cam cơ khí được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa, điều khiển quá trình công nghệ và các bộ phận máy như van nạp, van xả động cơ đốt trong, máy đóng gói, máy in và thiết bị gia công cơ khí. Tuy nhiên, cam cơ khí tồn tại nhiều hạn chế như thiếu linh hoạt, mất nhiều thời gian để thay đổi biên dạng cam, đồng thời gây mài mòn các chi tiết máy trong quá trình vận hành.

Trước thực trạng đó, cam điện tử được phát triển nhằm khắc phục các nhược điểm của cam cơ khí. Cam điện tử sử dụng bộ điều khiển số để điều khiển động cơ servo hoặc động cơ bước, tạo ra chuyển động tịnh tiến tương tự cam cơ khí nhưng với độ chính xác cao hơn và khả năng thay đổi linh hoạt biên dạng cam. Mô hình thí nghiệm cam điện tử được nghiên cứu và chế tạo tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 9/2011 đến tháng 2/2012, nhằm thiết kế bộ điều khiển và mô hình cơ khí cho cam điện tử dựa trên các thông số cam cơ khí truyền thống.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế, chế tạo mô hình thí nghiệm cam điện tử có khả năng nhập dữ liệu biên dạng cam cơ khí, tính toán và điều khiển động cơ servo để tạo chuyển động tịnh tiến chính xác, đồng thời mô phỏng và vẽ biên dạng cam để so sánh với cam cơ khí. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào cam đĩa với ba loại cam phổ biến: cam ụ trục phôi, cam bàn dao đòn cân và cam bàn dao đứng, thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm thời gian thay đổi biên dạng cam và tăng độ chính xác trong các hệ thống truyền động công nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình thiết kế cam cơ khí truyền thống, bao gồm:

  • Thiết kế cam đĩa: Biên dạng cam được xác định dựa trên các thông số như bán kính lớn nhất (Rmax), bán kính nhỏ nhất (Rmin), đường kính con lăn (D), khoảng cách giữa tâm trục phân phối và tâm quay của cần quay (A). Các đường cong cam được vẽ dựa trên chu trình làm việc và phiếu điều chỉnh, sử dụng các cung tròn và đường cong parabol để mô phỏng chuyển động công tác và chạy không.

  • Thiết kế cam thùng và mãnh cam: Các loại cam này được thiết kế dựa trên các thông số cơ bản tương tự, với việc chia chu vi cam thành các phần nhỏ để xác định các điểm biên dạng và góc quay tương ứng.

  • Nguyên lý cam điện tử: Cam điện tử sử dụng bộ điều khiển số để điều khiển động cơ servo hoặc động cơ bước dựa trên dữ liệu biên dạng cam cơ khí. Phương pháp nội suy tuyến tính DDA (Digital Differential Analyse) được áp dụng để tính toán vị trí và vận tốc chuyển động tịnh tiến của cơ cấu chấp hành, từ đó điều khiển chính xác động cơ.

  • Các linh kiện điện tử và hệ thống điều khiển: Nghiên cứu sử dụng PLC (Programmable Logic Controller), vi điều khiển PIC 16F877A, động cơ servo và động cơ bước. PLC có ưu điểm về độ tin cậy, khả năng xử lý tín hiệu logic và tương tác với các thiết bị thông minh. Động cơ servo được sử dụng trong hệ thống hồi tiếp vòng kín để đảm bảo độ chính xác vị trí và vận tốc, trong khi động cơ bước có ưu điểm chi phí thấp và điều khiển góc quay chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu chuyên ngành về thiết kế cam cơ khí, các bộ điều khiển cam điện tử trên thế giới, và các thông số kỹ thuật của cam đĩa được xác định qua phiếu điều chỉnh và chu trình làm việc thực tế. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm ba loại cam đĩa phổ biến: cam ụ trục phôi, cam bàn dao đòn cân và cam bàn dao đứng.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Thiết kế mô hình cơ khí: Lựa chọn phương án truyền động trục vít me - đai ốc để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, dựa trên các ưu điểm về độ chính xác, chi phí và khả năng tải.

  • Mô phỏng động học: Sử dụng phần mềm Solidworks để mô phỏng nguyên lý hoạt động và lắp ráp mô hình thí nghiệm.

  • Thiết kế bộ điều khiển: Áp dụng phương pháp nội suy tuyến tính DDA để tính toán vị trí và vận tốc chuyển động, lập trình vi điều khiển để điều khiển động cơ bước và servo.

  • Thí nghiệm và so sánh kết quả: Thực hiện thí nghiệm trên mô hình cam điện tử, thu thập dữ liệu chuyển động tịnh tiến và biên dạng cam, so sánh với kết quả mô phỏng Matlab để đánh giá độ chính xác.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2011 đến tháng 2/2012, bao gồm các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lập trình, mô phỏng và thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả mô hình truyền động trục vít me - đai ốc: Mô hình thí nghiệm sử dụng cơ cấu trục vít me với đường kính ren 10 mm, bước ren 3,175 mm, chiều dài trục 354 mm, và đai ốc đường kính ngoài 20 mm. Động cơ truyền động có công suất trên 25 W đáp ứng đủ yêu cầu vận hành. Kết quả thí nghiệm cho thấy mô hình có khả năng tạo chuyển động tịnh tiến chính xác với vận tốc lên đến 0,02 m/s, phù hợp với các thông số cam cơ khí.

  2. Độ chính xác chuyển động tịnh tiến: So sánh kết quả mô phỏng Matlab và kết quả thực nghiệm cho ba loại cam đĩa cho thấy sai số vị trí chuyển động tịnh tiến dưới 5%, đảm bảo tính chính xác cao trong việc tái tạo biên dạng cam cơ khí.

  3. Khả năng vẽ biên dạng cam: Mô hình thí nghiệm kết hợp với phần mềm Matlab có thể vẽ lại biên dạng cam đĩa dựa trên dữ liệu điều khiển, giúp so sánh trực quan với biên dạng cam cơ khí truyền thống. Điều này giúp kiểm tra và hiệu chỉnh bộ điều khiển cam điện tử một cách hiệu quả.

  4. Tính linh hoạt và giảm thời gian thay đổi biên dạng cam: Việc nhập dữ liệu cam cơ khí vào bộ điều khiển số giúp giảm đáng kể thời gian thay đổi biên dạng cam so với phương pháp cơ khí truyền thống, nâng cao hiệu quả sản xuất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của độ chính xác cao trong mô hình thí nghiệm là do việc lựa chọn phương án truyền động trục vít me - đai ốc, vốn có ưu điểm về độ chính xác và khả năng tải lớn. So với các phương án khác như bánh răng thanh răng hoặc động cơ tuyến tính, phương án này có chi phí thấp hơn và dễ chế tạo hơn, phù hợp với điều kiện nghiên cứu trong nước.

Kết quả so sánh với các nghiên cứu quốc tế cho thấy mô hình cam điện tử được thiết kế có hiệu suất và độ chính xác tương đương với các bộ điều khiển cam điện tử hiện đại, đồng thời phù hợp với các ứng dụng trong công nghiệp chế tạo máy tại Việt Nam.

Việc sử dụng phương pháp nội suy DDA giúp tính toán chính xác vị trí và vận tốc chuyển động tịnh tiến, từ đó điều khiển động cơ servo và động cơ bước hiệu quả. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh biên dạng cam thực nghiệm và mô phỏng, cũng như bảng số liệu sai số vị trí theo từng góc quay cam, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của bộ điều khiển.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng nhận thấy hạn chế về phạm vi ứng dụng của mô hình thí nghiệm chỉ tập trung vào cam đĩa, chưa mở rộng sang các loại cam phức tạp hơn. Ngoài ra, việc chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho bộ điều khiển vẫn phụ thuộc vào các thông số cam cơ khí có sẵn, chưa có giải pháp tự động hóa hoàn toàn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển mở rộng mô hình thí nghiệm: Nghiên cứu nên mở rộng thiết kế và chế tạo mô hình cam điện tử cho các loại cam phức tạp hơn như cam thùng và cam không gian, nhằm tăng phạm vi ứng dụng và tính thực tiễn của hệ thống. Thời gian thực hiện dự kiến trong 12 tháng, do các đơn vị nghiên cứu và phát triển.

  2. Tối ưu hóa thuật toán điều khiển: Cần cải tiến thuật toán nội suy và điều khiển động cơ để nâng cao độ chính xác và giảm sai số vị trí xuống dưới 2%. Việc này có thể thực hiện trong vòng 6 tháng bởi nhóm kỹ sư phần mềm và điều khiển.

  3. Tích hợp hệ thống thu thập dữ liệu tự động: Xây dựng hệ thống cảm biến và phần mềm thu thập dữ liệu biên dạng cam tự động, giảm thiểu sự phụ thuộc vào dữ liệu nhập tay, nâng cao tính linh hoạt và tự động hóa. Thời gian triển khai khoảng 9 tháng, phối hợp giữa phòng thí nghiệm và đơn vị công nghệ thông tin.

  4. Ứng dụng trong sản xuất công nghiệp: Đề xuất các doanh nghiệp chế tạo máy và tự động hóa ứng dụng mô hình cam điện tử để giảm thời gian thiết kế và thay đổi biên dạng cam, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các doanh nghiệp nên triển khai thử nghiệm trong vòng 6-12 tháng để đánh giá hiệu quả.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Cơ khí chế tạo máy: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế cam cơ khí và cam điện tử, giúp nâng cao hiểu biết và kỹ năng thực hành trong lĩnh vực truyền động cơ khí.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm trong ngành công nghiệp chế tạo máy: Các kỹ sư có thể áp dụng phương pháp thiết kế và điều khiển cam điện tử để cải tiến sản phẩm, giảm thời gian thiết kế và tăng độ chính xác trong sản xuất.

  3. Doanh nghiệp sản xuất máy tự động hóa và thiết bị công nghiệp: Luận văn cung cấp giải pháp công nghệ mới giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí bảo trì và tăng tính linh hoạt trong điều khiển chuyển động.

  4. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực tự động hóa và điều khiển: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu phát triển các hệ thống điều khiển chuyển động phức tạp, đặc biệt trong ứng dụng cam điện tử.

Câu hỏi thường gặp

  1. Cam điện tử khác gì so với cam cơ khí truyền thống?
    Cam điện tử sử dụng bộ điều khiển số để điều khiển động cơ tạo chuyển động tịnh tiến tương tự cam cơ khí nhưng có ưu điểm linh hoạt hơn, dễ thay đổi biên dạng và giảm mài mòn cơ khí. Ví dụ, thay vì phải gia công lại cam cơ khí, chỉ cần thay đổi dữ liệu trong bộ điều khiển cam điện tử.

  2. Phương pháp nội suy DDA được áp dụng như thế nào trong điều khiển cam điện tử?
    Phương pháp DDA tính toán vị trí và vận tốc chuyển động tịnh tiến dựa trên các điểm dữ liệu biên dạng cam, giúp điều khiển động cơ servo chính xác theo từng bước thời gian. Đây là phương pháp nội suy tuyến tính đơn giản và hiệu quả trong điều khiển chuyển động.

  3. Tại sao chọn cơ cấu truyền động trục vít me - đai ốc cho mô hình thí nghiệm?
    Cơ cấu này có ưu điểm kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, khả năng tải lớn và độ chính xác cao khi chuyển động chậm, phù hợp với yêu cầu tạo chuyển động tịnh tiến chính xác trong mô hình cam điện tử.

  4. Mô hình thí nghiệm có thể áp dụng cho các loại cam khác ngoài cam đĩa không?
    Hiện tại mô hình chỉ tập trung vào cam đĩa do tính đơn giản và phổ biến. Tuy nhiên, với các điều chỉnh thiết kế và thuật toán điều khiển, mô hình có thể mở rộng cho các loại cam phức tạp hơn trong tương lai.

  5. Làm thế nào để kiểm tra độ chính xác của cam điện tử so với cam cơ khí?
    Độ chính xác được kiểm tra bằng cách so sánh biên dạng cam vẽ ra từ mô hình cam điện tử với biên dạng cam cơ khí thực tế, sử dụng phần mềm mô phỏng Matlab và đo đạc thực nghiệm. Sai số vị trí dưới 5% được coi là đạt yêu cầu.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết kế và chế tạo thành công mô hình thí nghiệm cam điện tử dựa trên cơ cấu truyền động trục vít me - đai ốc, đáp ứng yêu cầu chuyển động tịnh tiến chính xác.
  • Phương pháp nội suy tuyến tính DDA được áp dụng hiệu quả trong việc tính toán vị trí và vận tốc chuyển động, điều khiển động cơ servo và động cơ bước.
  • Kết quả thực nghiệm và mô phỏng cho thấy sai số vị trí chuyển động dưới 5%, đảm bảo độ chính xác cao so với cam cơ khí truyền thống.
  • Nghiên cứu góp phần giảm thời gian thay đổi biên dạng cam, nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả trong sản xuất công nghiệp.
  • Đề xuất các bước phát triển tiếp theo bao gồm mở rộng mô hình cho các loại cam khác, tối ưu thuật toán điều khiển và tích hợp hệ thống thu thập dữ liệu tự động nhằm nâng cao hiệu quả ứng dụng thực tiễn.

Để tiếp tục phát triển công nghệ cam điện tử, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên phối hợp triển khai các dự án ứng dụng thực tế, đồng thời đào tạo nguồn nhân lực có kỹ năng về thiết kế và điều khiển hệ thống cam điện tử.