Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật cơ khí với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động" do nghiên cứu sinh Nguyễn Văn Mùi thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Lê Giang Nam và TS. Bùi Quí Lực, bảo vệ năm 2019 thuộc chuyên ngành Kỹ thuật cơ khí (mã số: 9520103).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất tự động, công đoạn gia công, lắp ráp và đóng gói đòi hỏi thiết bị cấp phôi tự động liên tục nhằm nâng cao năng suất. Đối với các loại phôi rời rạc có kích thước và khối lượng nhỏ, việc ứng dụng robot hoặc băng tải thường làm tăng chi phí lắp đặt, diện tích nhà xưởng lớn và không phù hợp về mặt kinh tế - kỹ thuật. Thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động dạng phễu xoắn vít là phương án thay thế đáp ứng các yêu cầu này. Đặc biệt trong công nghiệp dược phẩm, quá trình chiết xuất và đóng nắp lọ thuốc vaccine bắt buộc phải diễn ra trong môi trường phòng sạch vô khuẩn, giảm thiểu sự tiếp xúc trực tiếp của con người với bán thành phẩm, do đó việc cấp tự động nắp chai cao su là yêu cầu kỹ thuật bắt buộc.

Tuy nhiên, thiết bị phễu rung hoạt động dựa trên lực kích rung ở chế độ cộng hưởng, kết cấu phễu, máng xoắn và các cơ cấu dẫn hướng, phân loại phôi thường được chế tạo thành một khối cơ khí gắn cứng. Mỗi thiết bị thường chỉ cấp được cho một kích thước và chủng loại phôi nhất định, việc chế tạo mang tính đơn chiếc. Phương pháp truyền thống chủ yếu dựa trên thử nghiệm thực tế nhiều lần bằng phương pháp thử - sai (trial-and-error), dẫn đến kéo dài thời gian hiệu chỉnh, chi phí gia công chế tạo lại khi kết cấu chưa đạt yêu cầu. Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định là sự thiếu hụt một quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng và phương pháp mô phỏng số tích hợp đầy đủ các yếu tố động lực học, tiếp xúc ma sát để đánh giá chính xác hành vi của phôi và tối ưu hóa kết cấu điều hướng trước khi chế tạo thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Giảm thời gian thiết kế hệ thống, đảm bảo thiết bị hoạt động ở chế độ cộng hưởng;
  2. Giảm thời gian hiệu chỉnh và thử nghiệm để hệ thống làm việc ổn định trong vùng cộng hưởng;
  3. Xây dựng mô hình thiết bị trong môi trường số nhằm thử nghiệm và xác nhận ứng xử của phôi cùng kết cấu phễu rung cấp phôi;
  4. Đưa ra quy trình thiết kế, hiệu chỉnh, kiểm nghiệm thiết bị để hệ thống sau khi chế tạo đưa vào sản xuất đạt yêu cầu ngay từ lần đầu tiên.

Nội dung nghiên cứu

Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, luận án triển khai 4 nội dung nghiên cứu:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động;
  2. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động;
  3. Mô hình hóa, kiểm tra và xác nhận mô phỏng số hệ thống thực nghiệm;
  4. Khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Khảo sát động lực học quá trình chuyển động của phôi trên rãnh xoắn ốc của phễu rung; tối ưu hóa kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Đối tượng sản phẩm ứng dụng cụ thể là nắp chai thuốc vaccine bằng cao su.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Về kết cấu và cơ cấu: Hệ thống phễu rung dạng máng xoắn vít Acsimet kết hợp hệ thống treo nhíp đàn hồi 3 lò xo lá nghiêng góc $120^\circ$ và cơ cấu kích rung bằng nam châm điện; vật liệu chế tạo phễu là thép không gỉ SUS 304.
    • Về thông số khảo sát: Dải điện áp kích thích khảo sát từ 100V đến 170V; góc nghiêng rãnh xoắn vít khảo sát từ $1{,}1^\circ$ đến $4{,}5^\circ$; tần số cấp nguồn xoay chiều 50Hz (tần số dao động cưỡng bức của phễu đạt 100Hz); hệ thống 3 bẫy điều hướng phân loại trạng thái nắp chai vaccine.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu quốc tế

Các công trình trên thế giới về hệ thống cấp phôi rung được luận án khảo cứu theo 4 nhóm vấn đề chính:

Ảnh hưởng của biên độ rung đến vận tốc di chuyển của phôi:

  • I. Lee (2000) [5] kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của biên độ dao động đến tốc độ phôi. Với biên độ $0{,}061\text{ mm}$, tốc độ phôi đạt $0{,}0937\text{ m/s}$ (sai lệch $2{,}7%$ so với thực nghiệm). Khi biên độ thực nghiệm $a$ từ $0{,}18\text{ mm}$, tần số $120\text{ Hz}$, hệ số ma sát $\mu = 0{,}5$, góc lò xo lá $18^\circ$, góc nghiêng rãnh $\alpha = 5^\circ$, vận tốc phôi ở chế độ chuyển động hỗn loạn ít phụ thuộc vào tham số điều khiển hơn so với chế độ trượt và nhảy. Thử nghiệm mở rộng trên 200, 400 và 800 phôi cho kết quả quy luật tương đồng.
  • H. Ziaei-Rad (2013) [7] xây dựng mô hình 2D mô phỏng chuyển động của phôi bằng phương pháp phần tử rời rạc (DEM) với khối lượng riêng $\rho = 7800\text{ kg/m}^3$, tần số $60\text{ Hz}$, $\mu = 0{,}5$, góc nghiêng rãnh xoắn $\theta = 5^\circ$, góc rung động $\psi = 18^\circ$. Kết quả so sánh giữa DEM và giải tích lý thuyết cho thấy mức sai lệch $10%$. Khi biên độ biến thiên từ $1a_{0\max}$ đến $4a_{0\max}$, tốc độ di chuyển của phôi thay đổi qua các pha tăng tuyến tính rồi giảm dần độ dốc.

Ảnh hưởng của biên độ rung đến định hướng phôi:

  • Berkowitz và John Canny (2001) [8] khảo sát tỷ lệ phôi đúng hướng với 350 phôi ở 6 trạng thái xuất phát từ 3 tư thế ban đầu (LT - nằm dọc đầu hướng trước, UT - thẳng đứng đầu ở trên, CT - nằm ngang đầu hướng ra) tại biên độ $0{,}6\text{ mm}$ và $1\text{ mm}$, góc nghiêng rãnh $12{,}8^\circ$.
  • I. Lee (2002) [6] ghi nhận tại biên độ $0{,}303\text{ mm}$, tỷ lệ phôi đi ra đạt giá trị cao nhất ($2{,}5\text{ phôi/s}$).
  • M. Jiang và cộng sự (2003) [9] ứng dụng mô phỏng số đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ giữa chiều rộng bẫy $b$ và khoảng cách từ tâm phôi đến thành phễu $w$; khi tỷ số $b/w > 1{,}1$, tỷ lệ phôi qua bẫy đạt $100%$.
  • Daniel Hofmann và cộng sự (2013) [10] so sánh mô phỏng và thực nghiệm trên hai loại phôi thép trong phễu polyamide với chiều cao bước rãnh $h = 1, 4, 7\text{ mm}$ và biên độ $10\text{ }\mu\text{m} \div 70\text{ }\mu\text{m}$, khẳng định chiều cao bước rãnh càng thấp thì tỷ lệ định hướng đúng càng cao.

Ảnh hưởng của tần số rung và động lực học hệ thống:

  • D. Lee (1986) [12] phân tích hình thái dao động của hệ thống treo ở các tần số từ $0$ đến $802{,}4\text{ Hz}$ (tập trung dải $52\text{ Hz} \div 618\text{ Hz}$) bằng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp cảm biến gia tốc ba trục và phần mềm STAR, cho thấy sự tương đồng giữa mô hình số và thực nghiệm.
  • Hao-Wen Ma và Gang Fang (2015) [13] dùng phần mềm MATLAB khảo sát dịch chuyển và gia tốc của phôi tại các tần số $5\text{ Hz}$, $8\text{ Hz}$, $10\text{ Hz}$ trong thời gian $2\text{ s}$, chỉ ra rằng tần số tăng làm tăng vận tốc nhưng làm giảm tính ổn định di chuyển trên máng.
  • Abhijit Kadam và Manjunath Pisotre (2017) [23] sử dụng Ansys Workbench 16.0 xác định tần số dao động riêng của hệ thống là $97\text{ Hz}$, kết quả đo thực nghiệm đạt $100\text{ Hz}$.

Các nghiên cứu kết cấu và phương pháp truyền động khác:

  • Gary P. Maul và Brian Thomas (1997) [14, 15] nghiên cứu vận tốc phôi theo bán kính phễu, ghi nhận sai lệch giữa lý thuyết và thực nghiệm là $11%$, mức ảnh hưởng của độ cứng lò xo lá lớn nhất ở tần số $60\text{ Hz}$; đồng thời so sánh phương án điều hướng bằng cơ khí và khí nén.
  • Paul C. Chao và Chien-Yu Shen (2007) [16] dùng phương pháp phân ly Rayleigh–Ritz và phương trình vi phân Lagrange thiết lập mô hình hệ thống dầm rung, ghi nhận hiện tượng cộng hưởng ở tần số $330\text{ Hz}$ trên biểu đồ Bode.
  • Emiliano Mucchi và cộng sự (2011) [17] phân tích động học đàn hồi với hai phương án bố trí nam châm điện (theo phương tiếp tuyến và phương thẳng đứng), xác định gia tốc tại phễu luôn lớn hơn tại đế đỡ và đế máy.
  • J. Leberle (2011) [74] thực nghiệm trên băng trượt rung với hệ số ma sát $0{,}25$, ghi nhận vận tốc cực đại ở góc pha $90^\circ$ và $270^\circ$; khi hệ số ma sát vượt quá $0{,}8$, sai lệch giữa mô phỏng và thực tế tăng cao do hiệu ứng trượt dính.
  • Rentao Chen và cộng sự (2011) [18] dùng phần mềm MSC ADAMS mô phỏng chuyển động của 5 phôi, ghi nhận vận tốc cực đại đạt $0{,}5\text{ m/s}$ và thời gian di chuyển hết máng dẫn từ $5{,}5\text{ s}$.

Các nghiên cứu trong nước

  • Nguyễn Phương và Nguyễn Thị Phương Giang [2] hệ thống hóa cơ sở lý thuyết động lực học quá trình phôi di chuyển trên máng, xác lập điều kiện phôi chuyển động lên khi lực quán tính thắng tổng lực cản ($F_{qt} > F_{ms} + F_{ng}$); phễu dao động ở mức $3000 \div 3500\text{ lần/phút}$ với biên độ $0{,}5 \div 1{,}5\text{ mm}$.
  • Trần Văn Địch [3] phân tích chuyển động điều hòa hình sin của máng dẫn dưới tác dụng của nam châm điện; phân loại kết cấu 1 nam châm điện cho phễu đường kính nhỏ ($D < 40\text{ cm}$) và 3 nam châm điện cho phễu đường kính lớn ($D = 30 \div 100\text{ cm}$). Nguồn điện xoay chiều tần số $50\text{ Hz}$ tạo ra tần số dao động kích thích cho máng dẫn là $100\text{ Hz}$.
  • Châu Mạnh Lực và Phạm Văn Song [19] trình bày nguyên lý vận hành của hệ thống rung dải tần $16 \div 100\text{ Hz}$, giới thiệu các kết cấu bẫy cơ khí trên rãnh xoắn để loại bỏ các phôi sai hướng rơi lại lòng phễu.
Tác giả / Tài liệu Năm Đối tượng / Thông số chính Phương pháp Kết quả chính
D. Lee [12] 1986 Hệ thống phễu rung, dải tần 0 - 802,4 Hz Mô hình số và FEM (phần mềm STAR) Tương đồng hình thái dao động giữa mô hình số và thực nghiệm
Gary P. Maul, Brian Thomas [14, 15] 1997 Vận tốc phôi theo bán kính phễu rung, tần số 60 Hz Lý thuyết giải tích và thực nghiệm Sai lệch vận tốc 11%; đề xuất kết cấu điều hướng bằng khí nén
I. Lee [5, 6] 2000, 2002 Biên độ dao động 0,061 mm và 0,303 mm; f = 120 Hz Mô phỏng số và thực nghiệm đơn phôi, đa phôi (200 - 800) Vận tốc 0,0937 m/s (sai lệch 2,7%); biên độ 0,303 mm cho năng suất 2,5 phôi/s
Berkowitz, John Canny [8] 2001 350 phôi, 6 trạng thái (LT, UT, CT); biên độ 0,6 và 1,0 mm Mô phỏng và thực nghiệm Xác định tỷ lệ đúng hướng theo biên độ với góc nghiêng rãnh 12,8°
M. Jiang và cs [9] 2003 Chiều rộng bẫy b, khoảng cách phôi - thành w Mô phỏng số và thực nghiệm Tỷ lệ b/w > 1,1 cho tỷ lệ định hướng thành công 100%
Paul C. Chao, Chien-Yu Shen [16] 2007 Dầm rung cấp phôi thẳng, dải tần 10 Hz - 1 kHz Rayleigh–Ritz, phương trình Lagrange Biểu đồ Bode xác định tần số cộng hưởng tại 330 Hz
Emiliano Mucchi và cs [17] 2011 Nam châm bố trí tiếp tuyến và thẳng đứng Thực nghiệm phân tích dao động Gia tốc phễu luôn lớn nhất; xác định phân bố gia tốc các chi tiết
J. Leberle [74] 2011 Băng tải rung, hệ số ma sát 0,25 Mô phỏng và đo đạc thực tế Sai lệch tối đa 20%; vận tốc lớn nhất tại góc pha 90° và 270°
Rentao Chen và cs [18] 2011 05 phôi khảo sát trong phễu rung Mô phỏng MSC ADAMS Vận tốc lớn nhất 0,5 m/s, thời gian thoát phôi từ 5,5 s
H. Ziaei-Rad [7] 2013 Phôi khối lượng riêng 7800 kg/m³, f = 60 Hz Phương pháp phần tử rời rạc (DEM 2D) Sai lệch 10% so với lý thuyết; mô tả đặc tính tăng vận tốc theo biên độ
Daniel Hofmann và cs [10] 2013 Phôi thép tròn và hộp; phễu polyamide; biên độ 10 - 70 μm Mô phỏng và thực nghiệm Chiều cao bước rãnh càng thấp thì tỷ lệ định hướng càng cao
Hao-Wen Ma, Gang Fang [13] 2015 Hệ rung tần số 5, 8, 10 Hz Lý thuyết và phần mềm MATLAB Tần số tăng làm tăng dịch chuyển nhưng gây mất ổn định chuyển động phôi
Abhijit Kadam, M. Pisotre [23] 2017 Cơ hệ phễu rung cấp phôi Mô phỏng Ansys Workbench 16.0 và thực nghiệm Tần số riêng mô phỏng đạt 97,4 Hz, thực nghiệm đạt 100 Hz
Nguyễn Phương, Nguyễn Thị Phương Giang [2] Giáo trình Động lực học phôi trên máng dẫn Lý thuyết giải tích Thiết lập điều kiện Fqt > Fms + Fng; xác định tần số dao động 3000 - 3500 c/min
Trần Văn Địch [3] Chuyên khảo Nam châm điện 1 nhịp, 2 nhịp; phễu xoắn Tính toán thiết kế máy Xác lập tần số dao động máng 100 Hz từ nguồn 50 Hz; tính lò xo lá
Châu Mạnh Lực, Phạm Văn Song [19] Giáo trình Cơ cấu phễu rung và các dạng bẫy định hướng Khảo sát thực nghiệm Dải tần 16 - 100 Hz; các sơ đồ bẫy cơ khí cho phôi hình dạng khác nhau

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình trước đây đa phần tách rời giữa tính toán giải tích lý thuyết, khảo sát dao động riêng hoặc mô phỏng chuyển động đơn lẻ. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: thiết lập một quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng hoàn chỉnh từ khâu tính toán giải tích, tham số hóa hình học trên CATIA, mô phỏng phần tử hữu hạn xác định tần số riêng trên Ansys Workbench, nạp hàm động học tương đương đo từ thực nghiệm vào MSC ADAMS để mô phỏng động lực học tiếp xúc đa vật thể; từ đó tối ưu hóa đồng thời các thông số công nghệ (góc nghiêng rãnh xoắn, điện áp nguồn cấp) và cấu hình hệ thống bẫy định hướng cho phôi nắp chai vaccine bằng cao su.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích lực

Chuyển động của phôi trên máng dẫn xoắn ốc Acsimet được mô tả trong hệ tọa độ gắn với mặt phẳng nghiêng của rãnh, tạo với mặt phẳng nằm ngang một góc dốc $\theta$. Lực kích rung tác dụng làm máng chuyển động theo phương tạo với mặt phẳng nghiêng góc rung động $\psi$. Tần số kích thích của lưới điện $f = 50\text{ Hz}$, tần số góc $\omega = 2\pi f$.

Dưới tác dụng của cơ cấu rung điện từ một nhịp xoay chiều, tần số dao động cưỡng bức của máng dẫn tăng lên gấp hai lần tần số dòng điện ($100\text{ Hz}$). Lực quán tính cực đại tác dụng lên phôi có khối lượng $m_p$ phân tách thành hai thành phần:

  • Thành phần song song với mặt máng: $F_{qt\parallel} = m_p \omega^2 a_0 \cos\psi$
  • Thành phần vuông góc với mặt máng (pháp tuyến): $F_{qt\bot} = m_p \omega^2 a_0 \sin\psi$

Khi biên độ dao động $a_0$ tăng dần, phản lực pháp tuyến $N$ giữa phôi và mặt rãnh biến thiên theo chu kỳ: $$N = m_p g \cos\theta - m_p \omega^2 a_0 \sin\psi$$

Điều kiện để phôi chuyển động trượt lên dọc theo máng xoắn là: $$m_p \omega^2 a_0 \cos\psi > \mu_s N + m_p g \sin\theta$$ trong đó $\mu_s$ là hệ số ma sát tĩnh giữa phôi và vật liệu máng dẫn.

Trạng thái động lực học của hệ thống được biểu thị qua tỷ số gia tốc pháp tuyến không thứ nguyên $A_n / g_n$, trong đó $A_n = a_0 \omega^2 \sin\psi$ và $g_n = g \cos\theta$. Khi biên độ dao động đủ lớn khiến tỷ số $A_n / g_n > 1{,}0$, phản lực pháp tuyến $N = 0$, phôi chuyển từ chế độ trượt thuần túy sang chế độ trượt kết hợp nhảy rời khỏi mặt máng trong mỗi chu kỳ rung.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, mô phỏng số và thực nghiệm kiểm chứng:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tính toán giải tích động lực học hạt vật chất trên mặt phẳng nghiêng rung động; tính toán độ cứng nhíp đàn hồi (lò xo lá kích thước chiều dài $l$, chiều rộng $b$, môđun đàn hồi $E$, góc nghiêng $\alpha$), xác định lực kéo nam châm điện và tính toán đệm giảm chấn cao su nhằm cô lập rung động truyền xuống nền.
  2. Phương pháp mô phỏng số:
    • CATIA: Xây dựng mô hình hình học 3D tham số hóa (parametric modeling), liên kết bảng tính để tự động cập nhật kích thước phễu, đế trên, đế dưới và hệ thống lò xo lá.
    • Ansys Workbench: Phân tích phần tử hữu hạn (Modal Analysis) xác định các mode dao động riêng và tần số dao động riêng $f_r$ của cơ hệ phễu rung nhằm thiết kế chủ động cộng hưởng đạt xấp xỉ $100\text{ Hz}$.
    • MSC ADAMS: Mô phỏng động lực học đa vật thể (Multibody Dynamics), tích hợp hàm động học chuyển động tương đương của phễu và thuật toán tiếp xúc ma sát để khảo sát quỹ đạo, vận tốc $V_{ct}$ của phôi và hành vi qua bẫy.
    • MATLAB: Ứng dụng quy hoạch thực nghiệm tìm phương trình hồi quy đa biến và xác định điểm cực trị của hàm mục tiêu năng suất cấp phôi.
  3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
    • Xác định hệ số ma sát trượt động $\mu$ giữa nắp chai vaccine cao su và mặt thép SUS 304 trên máy đo ma sát VF.
    • Đo dao động và xác định tần số dao động riêng, biên độ dịch chuyển và góc xoay của cơ hệ bằng thiết bị cảm biến gia tốc FAG Detector III (phần mềm Trendline), thiết bị đo của Nacentech (phần mềm NI) và thiết bị đo Vibropost 80 (phần mềm ReX).
    • Đo đạc vận tốc cấp phôi thực tế trên mô hình chế tạo để kiểm chứng độ chính xác của mô hình số.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

Chương 1 hệ thống hóa các dạng thiết bị cấp phôi rung gồm phễu rung xoắn vít (vận chuyển phôi theo quỹ đạo xoắn ốc đi lên) và cơ cấu rung thẳng (dẫn chuyển tiếp phôi vào máy công cụ). Tác giả so sánh hai giải pháp kích rung: cơ cấu lệch tâm dùng động cơ và cơ cấu điện từ dùng nam châm điện. Cơ cấu nam châm điện đặt ở tâm đáy phễu thường chỉ phù hợp cho phễu đường kính nhỏ ($D < 40\text{ cm}$), trong khi cơ cấu 3 nam châm điện đặt đối diện các cụm lò xo lá nghiêng góc $120^\circ$ được áp dụng cho phễu đường kính từ $30\text{ cm}$ đến $100\text{ cm}$ nhờ lực kích thích đồng đều và độ cứng vững cao hơn.

Chương này tổng kết các kết quả nghiên cứu trên thế giới về sự phụ thuộc của vận tốc và tỷ lệ định hướng phôi vào các thông số: biên độ dao động, tần số rung, góc nghiêng rãnh xoắn $\theta$, góc rung động $\psi$ và hệ số ma sát $\mu_s$. Phân tích tổng quan chỉ ra rằng các công trình trong nước của Nguyễn Phương, Trần Văn Địch, Châu Mạnh Lực chủ yếu dừng lại ở lý thuyết tính toán tĩnh và kinh nghiệm thực nghiệm truyền thống. Từ đó, tác giả khẳng định luận điểm khoa học của chương: cần thiết phải xây dựng quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng thông qua mô phỏng số, kết nối tham số hóa hình học với mô phỏng động lực học để loại bỏ quy trình thử - sai tốn kém.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế thiết bị cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

Chương 2 trình bày chi tiết cơ sở tính toán giải tích các lực tác dụng lên phôi trên máng xoắn Acsimet. Tác giả thiết lập các bất phương trình giới hạn xác định điều kiện phôi trượt lên, trượt lùi và điều kiện phản lực $N = 0$ làm phôi chuyển sang trạng thái nhảy. Đồ thị phân tích cho thấy vận tốc vận chuyển phôi $v_m$ đạt giá trị cao khi góc nghiêng rãnh xoắn $\theta$ nhỏ, tuy nhiên trong thiết kế thực tế góc $\theta$ cần duy trì ở khoảng $3^\circ \div 4^\circ$ để đảm bảo phôi leo dốc ổn định và máng có đủ chiều cao nâng phôi. Tần số làm việc hiệu quả của các cơ cấu cấp phôi rung thường nằm trong dải $30 \div 60\text{ Hz}$ đối với hệ rung thông thường hoặc $100\text{ Hz}$ đối với kích từ hai nhịp của nguồn xoay chiều $50\text{ Hz}$.

Nội dung tiếp theo tập trung tính toán thiết kế thiết bị cho đối tượng nghiên cứu là nắp chai vaccine bằng cao su:

  • Đặc tính phôi: Nắp cao su có cấu tạo hình học kết hợp giữa phần vành phẳng và phần trụ định hình, yêu cầu làm việc trong môi trường phòng sạch đòi hỏi vật liệu phễu chế tạo từ thép không gỉ SUS 304.
  • Tính toán hình học và kết cấu: Xác định đường kính phễu $D$, đường kính đế $D_d$, chiều cao phễu $H$, bước xoắn $t$, bề rộng máng dẫn.
  • Tính toán cụm đàn hồi: Tính toán kích thước 3 cụm nhíp lò xo lá (chiều dài $l$, chiều rộng $b$, chiều dày, góc nghiêng $\alpha$) đảm bảo độ cứng vững tương đương để tần số dao động riêng của toàn bộ cơ hệ đạt xấp xỉ tần số kích từ cưỡng bức $100\text{ Hz}$.
  • Tính toán nam châm điện và giảm chấn: Xác định lực hút điện từ, khe hở làm việc giữa phần ứng và lõi từ; tính toán kích thước các đệm giảm chấn cao su ở chân đế nhằm hấp thụ rung động lan truyền sang sàn thao tác.
  • Thiết kế cấu hình kênh phân loại: Dựa trên phân tích 6 trạng thái không gian của nắp chai vaccine, chương 2 thiết kế sơ bộ hệ thống 3 bẫy cơ khí liên tiếp trên máng xoắn (bẫy gạt phẳng, bẫy thu hẹp lòng máng và bẫy rãnh khe) để chỉ cho phép phôi ở tư thế đúng đi tiếp ra máng thẳng, các phôi sai hướng bị lật rơi lại đáy phễu.

Chương 3: Mô hình hóa, kiểm tra và xác nhận mô phỏng số hệ thống thực nghiệm

Chương 3 triển khai quy trình kỹ thuật số kết hợp đo đạc thực nghiệm để hiệu chuẩn mô hình:

  1. Mô hình hóa tham số hóa trên CATIA: Xây dựng mối liên kết hai chiều giữa bảng thông số thiết kế từ Excel với cây thuộc tính của phần mềm CATIA cho toàn bộ các chi tiết: phễu chứa, đế đỡ, đế trên, nhíp đàn hồi và đế máy rung. Khi thay đổi một kích thước đầu vào (như góc nghiêng rãnh xoắn $\theta$), mô hình 3D tự động tái lập kết cấu mà không cần dựng lại hình học từ đầu.
  2. Phân tích tần số dao động riêng trên Ansys Workbench: Gán đặc tính vật liệu SUS 304 cho phễu chứa, mô hình hóa tiếp xúc ngàm tại chân đế dưới của lò xo lá. Kết quả phân tích Modal xác định các mode dao động riêng cơ bản của hệ thống phễu rung, kiểm chứng tính khả thi của việc thiết kế chủ động cộng hưởng ở dải tần số quanh $100\text{ Hz}$.
  3. Đo đạc thực nghiệm xác định thông số đầu vào:
    • Đo lực ma sát và xác định hệ số ma sát trượt giữa cao su nắp vaccine và mặt phẳng inox SUS 304 trên máy đo ma sát VF.
    • Sử dụng cảm biến của thiết bị FAG Detector III (xử lý trên phần mềm Trendline) và thiết bị đo của Nacentech (xử lý trên nền phần mềm của NI) đo phổ tần số dao động thực tế của phễu.
    • Sử dụng thiết bị đo Vibropost 80 (xử lý trên phần mềm ReX) đo biên độ tịnh tiến và góc xoay của phễu theo các cấp điện áp cung cấp cho nam châm điện.
  4. Xây dựng hàm động học tương đương và mô phỏng trên MSC ADAMS:
    • Từ các giá trị biên độ dịch chuyển và góc xoay thực nghiệm, tác giả thiết lập hàm số chuyển động tương đương của phễu theo thời gian.
    • Nhập hàm động học vào cửa sổ Function Builder trong MSC ADAMS để điều khiển dao động của phễu.
    • Khai báo tiếp xúc ma sát, khối lượng và mô men quán tính của nắp chai vaccine; tiến hành chạy mô phỏng chuyển động của phôi trên rãnh xoắn.
    • So sánh vận tốc di chuyển của phôi giữa mô hình số trên ADAMS và đo đạc trên mô hình thực nghiệm thực tế; kết quả cho thấy mức độ sai lệch nhỏ, xác nhận mô hình số phản ánh sát thực tế và đủ độ tin cậy để làm công cụ tối ưu hóa.

Chương 4: Khảo sát động lực học và tối ưu kết cấu điều hướng trong phễu cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động

Chương 4 thực hiện các khảo sát tham số và bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu:

  1. Đánh giá ảnh hưởng đơn yếu tố:
    • Khảo sát sự ảnh hưởng của góc nghiêng rãnh xoắn $\theta$ đến vận tốc phôi: ở mức điện áp cố định ($160\text{ V}$), vận tốc di chuyển của phôi có xu hướng giảm dần khi tăng góc nghiêng rãnh từ $1^\circ$ lên $4{,}5^\circ$.
    • Khảo sát sự ảnh hưởng của điện áp cấp đến vận tốc phôi: tại góc nghiêng cố định ($2{,}5^\circ$), khi tăng điện áp từ $100\text{ V}$ lên $170\text{ V}$, biên độ kích rung tăng làm vận tốc phôi tăng phi tuyến theo đường cong thực nghiệm.
  2. Tối ưu hóa đồng thời điện áp và góc nghiêng rãnh xoắn:
    • Thiết lập bài toán quy hoạch thực nghiệm với 2 biến đầu vào: góc nghiêng rãnh xoắn $\theta$ biến thiên trong khoảng $1{,}1^\circ \div 4{,}5^\circ$ và điện áp cấp $U$ biến thiên trong khoảng $100\text{ V} \div 170\text{ V}$.
    • Biến đầu ra (hàm mục tiêu): vận tốc cấp phôi $v$ (cm/s).
    • Lấy ma trận số liệu từ mô phỏng số MSC ADAMS, sử dụng phần mềm MATLAB xử lý thống kê tìm phương trình hàm hồi quy bậc hai mô tả bề mặt quan hệ giữa vận tốc, góc nghiêng rãnh xoắn và điện áp.
    • Kết quả giải bài toán tối ưu trên MATLAB xác định được điểm cực trị: vận tốc cấp phôi đạt giá trị lớn nhất khi góc nghiêng rãnh xoắn $\theta = 1{,}256^\circ$ tại mức điện áp $U = 170\text{ V}$.
    • Thực nghiệm kiểm chứng chế tạo máng với góc dốc tối ưu và chạy thực tế ở các mức điện áp khẳng định sự tương thích với sai số cho phép so với kết quả mô phỏng số.
  3. Tối ưu hóa kết cấu và cấu hình hệ thống bẫy điều hướng:
    • Hệ thống điều hướng nắp chai vaccine cao su gồm 3 bẫy cơ học kế tiếp nhau nhằm định hướng nắp ở tư thế mặt phẳng hướng xuống dưới.
    • Tác giả thiết lập các phương án thay đổi cấu hình, kích thước hình học và thứ tự bố trí của 3 bẫy này trên môi trường mô phỏng số MSC ADAMS.
    • Tiêu chí đánh giá gồm: tỷ lệ phôi đúng hướng sau 30 giây đầu tiên và tổng thời gian cấp hết số lượng phôi quy định.
    • Kết quả mô phỏng số so sánh giữa các phương án cấu hình đã lựa chọn được cấu hình bẫy tối ưu, triệt tiêu hiện tượng tắc nghẽn phôi tại cửa bẫy và giảm thiểu tối đa tỷ lệ nắp đúng hướng bị rơi nhầm ngược trở lại lòng phễu.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Đã xây dựng và đề xuất hoàn chỉnh một quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng cho hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động, kết hợp đồng bộ giữa giải tích động lực học, tham số hóa hình học và mô phỏng số phần tử hữu hạn.
  2. Thiết lập mô hình mô phỏng số động lực học đa vật thể trên MSC ADAMS có tích hợp hàm động học tương đương xác định từ thực nghiệm đo rung, mô tả trung thực quá trình chuyển động trượt, nhảy và va chạm tiếp xúc của phôi trên rãnh xoắn.
  3. Xác lập phương trình hàm hồi quy toán học mô tả mối quan hệ tương tác đồng thời giữa điện áp cấp $U$, góc nghiêng rãnh xoắn $\theta$ và vận tốc di chuyển (năng suất) của phôi. Xác định được giá trị tối ưu của góc nghiêng rãnh xoắn $\theta = 1{,}256^\circ$ tại mức điện áp $170\text{ V}$ trong miền khảo sát $\theta \in [1{,}1^\circ; 4{,}5^\circ]$ và $U \in [100\text{ V}; 170\text{ V}]$.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Ứng dụng thành công mô phỏng số để khảo sát và tối ưu hóa hệ thống 3 bẫy điều hướng chuyên biệt cho nắp chai vaccine bằng cao su trên vật liệu phễu inox SUS 304, giúp giảm thiểu thời gian chế tạo thử nghiệm và chi phí sửa đổi cơ khí đơn chiếc.
  2. Xây dựng bộ cơ sở dữ liệu thiết kế tham số hóa tự động trên CATIA kết nối bảng tính Excel, cho phép rút ngắn chu kỳ thiết kế cơ khí và phục vụ tái sử dụng để thiết kế các hệ thống phễu rung cho các chủng loại phôi khác.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng và mô hình mô phỏng số đa vật thể vào thực tế sản xuất tại các viện nghiên cứu, doanh nghiệp chế tạo máy tự động hóa trong nước.
  • Đề xuất sử dụng hệ thống phễu rung inox SUS 304 với cấu hình rãnh xoắn và bẫy định hướng đã tối ưu vào các dây chuyền đóng nắp chai vaccine và dung dịch y tế tại các nhà máy dược phẩm đạt tiêu chuẩn GMP.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng được giới hạn tập trung vào một sản phẩm cụ thể là nắp chai vaccine bằng cao su với cặp ma sát tiếp xúc là cao su và inox SUS 304; chưa mở rộng đo đạc cho các dải vật liệu phôi cứng như kim loại, gốm hoặc nhựa tổng hợp.
  • Miền giá trị khảo sát thực nghiệm bị chặn ở mức điện áp từ $100\text{ V}$ đến $170\text{ V}$ và góc nghiêng rãnh xoắn từ $1{,}1^\circ$ đến $4{,}5^\circ$; chưa khảo sát các chế độ điện áp cao hơn do giới hạn an toàn của cuộn dây nam châm điện thực nghiệm.
  • Mô hình mô phỏng bỏ qua sức cản không khí và giả thiết bỏ qua sự tương tác va đập chéo phức tạp giữa các phôi với nhau khi mật độ phôi trong lòng phễu ở mức quá dày đặc.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Mở rộng khảo sát thuật toán mô phỏng và tối ưu kết cấu rãnh xoắn cho các nhóm phôi có hình dạng bất đối xứng phức tạp, tâm khối lượng lệch và phôi có tính đàn hồi cao.
  • Nghiên cứu cơ chế tự động điều khiển biến tần thích nghi để tự động bám tần số cộng hưởng của hệ thống khi khối lượng phôi trong phễu giảm dần trong quá trình cấp liệu liên tục.
  • Phát triển mô hình mô phỏng tương tác đa hạt mật độ cao để khảo sát hiện tượng tắc nghẽn phôi ở đáy phễu trước khi đi vào rãnh xoắn Acsimet.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động hóa: Tham khảo phương pháp xây dựng phương trình động lực học chuyển động trên máng rung; quy trình liên kết tham số hóa hình học từ Excel sang CATIA; quy trình phân tích Modal trên Ansys Workbench.
  • Kỹ sư thiết kế, chuyên gia công nghệ tại các nhà máy chế tạo máy: Ứng dụng quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng để tính toán kích thước nhíp lò xo lá, lựa chọn nam châm điện và góc nghiêng rãnh xoắn, loại bỏ phương pháp gia công thử - sai truyền thống.
  • Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm, thiết bị y tế và đóng gói: Tham khảo trực tiếp bản vẽ kết cấu phễu rung inox SUS 304 và thông số cấu hình 3 bẫy cơ học điều hướng nắp chai cao su lọ vaccine đảm bảo điều kiện phòng sạch vô khuẩn.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết bài toán cấp phôi tự động cho loại sản phẩm cụ thể nào và tại sao lại chọn sản phẩm đó?

Luận án tập trung giải quyết bài toán cấp phôi tự động cho nắp chai thuốc vaccine bằng vật liệu cao su. Sản phẩm này được lựa chọn do đặc thù sản xuất dược phẩm đòi hỏi môi trường chiết rót và đóng nắp phải tuyệt đối vô khuẩn, hạn chế sự tiếp xúc trực tiếp của bàn tay con người. Nắp cao su có khối lượng nhỏ, hình dạng bậc kết hợp giữa vành tròn và trụ đặc, dễ bám dính ma sát nên hệ thống phễu rung xoắn vít inox SUS 304 là giải pháp kỹ thuật tối ưu.

2. Vận tốc cấp phôi lớn nhất đạt được tại thông số công nghệ nào trong bài toán tối ưu hóa của luận án?

Thông qua quy hoạch thực nghiệm và giải bài toán tối ưu trên phần mềm MATLAB với số liệu mô phỏng từ MSC ADAMS, luận án xác định vận tốc cấp phôi đạt giá trị cực đại khi góc nghiêng rãnh xoắn $\theta = 1{,}256^\circ$ tại mức điện áp cấp cho nam châm điện là $U = 170\text{ V}$ (trong miền khảo sát góc nghiêng rãnh xoắn từ $1{,}1^\circ$ đến $4{,}5^\circ$ và điện áp từ $100\text{ V}$ đến $170\text{ V}$).

3. Những phần mềm nào được tác giả kết hợp sử dụng trong quy trình mô phỏng số?

Luận án tích hợp 4 phần mềm chuyên dụng:

  • CATIA: Tự động hóa thiết kế hình học bằng tham số liên kết bảng tính Excel;
  • Ansys Workbench: Phân tích phần tử hữu hạn (Modal) xác định tần số dao động riêng và các dạng mode dao động cơ bản của hệ thống;
  • MSC ADAMS: Mô phỏng động lực học đa vật thể, gán hàm động học tương đương từ thực nghiệm để khảo sát tương tác va chạm, vận tốc phôi và hoạt động của bẫy điều hướng;
  • MATLAB: Xử lý số liệu quy hoạch thực nghiệm, thiết lập hàm hồi quy đa biến và giải bài toán tối ưu hóa.

4. Tác giả đã sử dụng những thiết bị thực nghiệm nào để đo lường dao động và hệ số ma sát?

Tác giả đã sử dụng các thiết bị thực nghiệm:

  • Máy đo ma sát VF để đo lực và tính toán hệ số ma sát trượt giữa cao su nắp vaccine và mặt phẳng inox SUS 304;
  • Thiết bị cảm biến gia tốc FAG Detector III (sử dụng phần mềm xử lý Trendline) để đo dao động theo phương ngang và phương đứng;
  • Thiết bị đo dao động của Nacentech (Viện Ứng dụng Công nghệ, xử lý trên phần mềm NI);
  • Thiết bị đo Vibropost 80 (xử lý trên phần mềm ReX) để xác định biên độ dịch chuyển và góc xoay của phễu rung phục vụ xây dựng hàm động học tương đương.

5. Khái niệm "thiết kế chủ động cộng hưởng" trong luận án được hiểu như thế nào?

"Thiết kế chủ động cộng hưởng" là quy trình tính toán kích thước hình học, khối lượng của cụm phễu, đế trên, đế dưới và độ cứng của 3 cụm nhíp đàn hồi lò xo lá ngay từ giai đoạn thiết kế mô hình số sao cho tần số dao động riêng của cơ hệ trùng khớp hoặc bám sát tần số của lực kích rung cưỡng bức ($100\text{ Hz}$ tạo bởi nguồn điện xoay chiều $50\text{ Hz}$). Việc này giúp hệ thống đạt biên độ dao động yêu cầu với mức tiêu hao năng lượng điện từ thấp nhất, tránh hiện tượng lệch cộng hưởng gây rung yếu hoặc mất ổn định sau khi gia công cơ khí.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Mùi đã xây dựng thành công quy trình thiết kế chủ động cộng hưởng và ứng dụng chuỗi công cụ mô phỏng số (CATIA, Ansys Workbench, MSC ADAMS, MATLAB) kết hợp thực nghiệm đo rung để khảo sát động lực học hệ thống cấp phôi rung xoắn vít. Công trình đã xác lập được phương trình hồi quy xác định góc nghiêng rãnh xoắn tối ưu $\theta = 1{,}256^\circ$ tại điện áp $170\text{ V}$ và cấu hình hệ thống bẫy cơ học điều hướng nắp chai vaccine bằng cao su. Các kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học tính toán thiết kế thiết bị cấp phôi tự động và có giá trị áp dụng trực tiếp vào việc chế tạo máy móc tự động hóa phục vụ công nghiệp dược phẩm tại Việt Nam.