Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất và gia công cơ khí hiện nay, công đoạn bốc dỡ, phân loại và chuyển giao vòng bi bán thành phẩm từ thùng chứa sang công đoạn đóng gói hoặc kiểm định chất lượng phần lớn vẫn phụ thuộc vào thao tác thủ công của người lao động. Do vòng bi có mật độ xếp dày, khối lượng kim loại lớn và thùng chứa sâu, việc bốc dỡ bằng tay gây suy giảm năng suất lao động theo thời gian, phát sinh sai sót do mệt mỏi thể lực và tiềm ẩn nguy cơ chấn thương nghề nghiệp. Nhằm tự động hóa công đoạn bốc dỡ phôi và nâng cao hiệu suất dây chuyền, đồ án tốt nghiệp mã số CKM-86 với đề tài "Thiết kế chế tạo cơ cấu hút vòng bi theo lớp" đã được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu, tính toán thiết kế và chế tạo mô hình cơ cấu hút vòng bi theo lớp tự động nhằm thay thế hoàn toàn thao tác bốc dỡ thủ công.
  2. Tích hợp hệ thống truyền động kết hợp giữa chuyển động tịnh tiến trục đứng (sử dụng động cơ servo và bộ truyền vít me - đai ốc bi) và chuyển động tịnh tiến trục ngang (sử dụng xy lanh khí nén hành trình dài).
  3. Thiết kế giải pháp đầu hút từ tính sử dụng nam châm vĩnh cửu kết hợp cơ cấu tách nhả bằng xy lanh khí nén chuyên dụng nhằm đảm bảo khả năng giữ phôi chắc chắn mà không gây tiêu hao điện năng hay tích tụ nhiệt độ.
  4. Chế tạo mô hình thực nghiệm và vận hành kiểm chứng giải pháp công nghệ tại xưởng thực hành.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu cơ điện tử gắp dỡ vòng bi công nghiệp theo diện tích lớp (quy chuẩn vòng bi mẫu có đường kính ngoài $OD = 47,2\text{ mm}$, chiều cao $OH = 25\text{ mm}$, khối lượng $150\text{ g/viên}$, tương ứng trọng lượng xấp xỉ $1,47\text{ N}$).
  • Phạm vi không gian: Không gian làm việc bao gồm thùng gỗ chứa vòng bi kích thước đáy $600 \times 800\text{ mm}$, chiều cao từ $400\text{ mm}$ đến $500\text{ mm}$ (chứa 15 lớp vòng bi), bàn trượt tịnh tiến ngang và hệ thống băng tải tiếp nhận kích thước mặt băng $1200 \times 750\text{ mm}$.
  • Phạm vi thời gian và chỉ tiêu động học: Chu kỳ hút và chuyển giao mỗi lớp vòng bi sang băng tải tiếp nhận là 20 giây/chu kỳ; tổng thời gian dỡ toàn bộ một thùng 15 lớp là 300 giây (5 phút), đạt năng suất gấp 4 lần so với thời gian thao tác bốc tay của một công nhân (khoảng 20 phút/thùng); quá trình bàn hút tiếp cận các lớp vòng bi không được gây va chạm mạnh làm trầy xước bề mặt chi tiết.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về cơ sở lý thuyết, đồ án xây dựng trên các nền tảng kỹ thuật cơ điện tử và chi tiết máy:

  • Lý thuyết máy nâng chuyển và tính toán băng tải: Áp dụng các công thức tính toán lực cản chuyển động, lực căng đai xích ($S_1, S_2, S_3, S_4$) và công suất động cơ dẫn động theo giáo trình Kỹ thuật nâng chuyển tập 2.
  • Lý thuyết thiết kế hệ dẫn động cơ khí và sức bền vật liệu: Áp dụng phương pháp tính toán trục truyền động, tính chọn then, kiểm nghiệm độ bền mỏi theo hệ số an toàn uốn - xoắn tổng hợp và kiểm nghiệm độ bền tĩnh của trục thép C45 theo tài liệu Thiết kế hệ dẫn động cơ khí (tập 1, tập 2) và Sổ tay cơ khí tập 2.
  • Lý thuyết từ tính và vật liệu từ: Nghiên cứu mật độ phân bố đường sức từ của nam châm đất hiếm Neodymium (NdFeB), cơ chế suy giảm lực từ theo khe hở không khí và tương tác từ trường khi bố trí nhiều cực từ lân cận.
  • Lý thuyết điều khiển vị trí số: Điều khiển động cơ xoay chiều servo bằng phát xung tốc độ cao từ PLC qua bộ biến đổi truyền động vít me - đai ốc bi để chuyển đổi từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến chính xác.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai đồng bộ qua các bước:

  • Phương pháp phân tích, đánh giá và lựa chọn phương án: So sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa các cơ cấu nâng hạ (vít me - đai ốc bi đối chiếu với hệ xy lanh kết hợp bánh răng - encoder) và các loại đầu hút (nam châm vĩnh cửu đối chiếu với nam châm điện).
  • Phương pháp giải tích cơ khí: Tính toán tải trọng, mô men xoắn, phản lực gối đỡ, ứng suất nguy hiểm và khả năng tải động/tĩnh của ổ lăn đỡ trục.
  • Phương pháp mô phỏng kỹ thuật (CAE): Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để mô hình hóa hình học và phân tích phần tử hữu hạn (FEA), kiểm nghiệm phân bố ứng suất và chuyển vị đàn hồi của các bát đỡ, bát liên kết xy lanh.
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình vật lý: Thiết lập các bài thử nghiệm thực tế với khoảng cách tiếp cận $h$ thay đổi từ $0\text{ mm}$ đến $12\text{ mm}$ để tìm giá trị tối ưu nhằm hút trọn vẹn 1 lớp vòng bi mà không bị dính phôi của lớp bên dưới.

Nguồn dữ liệu tính toán và thiết kế:

  • Thông số kỹ thuật đai băng tải nhựa modular mã HS-100A và bánh răng dẫn động từ hãng Hong's Belt.
  • Catalog nam châm vĩnh cửu mã NdFeB-N40 từ nhà sản xuất vật liệu từ.
  • Catalog kỹ thuật xy lanh khí nén SMC (mã MDBB80-900Z, CDQ2A50-25DZ), ray dẫn hướng con trượt HGH30C, ổ bi đỡ SKF UCF 206.
  • Thông số kỹ thuật bộ lập trình PLC Schneider TM241CE40R, màn hình HMI Delta DOP-107BV và hệ thống Servo Panasonic Minas A4.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống cơ cấu hút vòng bi theo lớp là một hệ thống cơ điện tử kết hợp cơ cấu khí nén, truyền động cơ khí chính xác và điều khiển tự động lập trình. Cấu trúc toàn hệ thống bao gồm ba phân hệ chính: cơ cấu động học chấp hành, cụm đầu hút từ tính và hệ thống điều khiển điện.

Hạng mục / Phân hệ Cụm chi tiết kỹ thuật Thông số kỹ thuật lựa chọn từ tính toán
Dẫn động nâng hạ đứng (Trục Z) Động cơ AC Servo Panasonic Minas A4 kết hợp bộ truyền vít me - đai ốc bi và ti trượt tròn dẫn hướng - Mã servo: MHMD042P1U (driver điều khiển MCDDT3502)
- Chuyển đổi chuyển động quay thành tịnh tiến điều khiển dừng tại 15 vị trí lớp
Dẫn động trượt ngang (Trục X) Xy lanh khí nén SMC kết hợp ray trượt và con trượt vuông - Mã xy lanh: MDBB80-900Z (đường kính nòng $80\text{ mm}$, hành trình $900\text{ mm}$)
- Con trượt và ray trượt: HGH30C
Cụm đầu hút từ tính 4 khay chứa nam châm vĩnh cửu NdFeB-N40, vỏ bảo vệ (cover) inox và 4 xy lanh khí nén mini compact - Nam châm: hình hộp $40 \times 20 \times 10\text{ mm}$, lực từ $16,3\text{ kgf}$ ($160\text{ N}$)
- Xy lanh đóng/ngắt từ: SMC CDQ2A50-25DZ ($d = 50\text{ mm}$, hành trình $25\text{ mm}$)
- Diện tích 4 khay gộp: $180 \times 180\text{ mm}$ mỗi khay
Băng tải tiếp nhận phôi Băng tải modular Hong's Belt HS-100A, động cơ giảm tốc 3 pha và gối đỡ trục - Vật liệu băng: Polypropylene ($9\text{ kg/m}^2$), bước mắt $50,8\text{ mm}$
- Kích thước mặt băng: $1200 \times 750\text{ mm}$
- Động cơ: SGP 71M2-4-0.37KW-B5 ($0,37\text{ kW}$, 4 cực, $1400\text{ vòng/phút}$)
- Hộp giảm tốc: NMRV50 tỉ số truyền $i = 30$
- Ổ bi gối đỡ: SKF UCF 206 ($d = 30\text{ mm}$)
Tủ điện và điều khiển Bộ điều khiển logic khả trình PLC, màn hình vận hành HMI, mạch bảo vệ và khí cụ đóng cắt - PLC: Schneider TM241CE40R (tích hợp phát xung điều khiển vị trí servo)
- Màn hình giao diện: HMI Delta DOP-107BV (màn hình cảm ứng 7 inch)
- Rơ le trung gian: Schneider RXM2LB2P7
- Bộ lọc nguồn chống nhiễu: CW4L/2-20A-R
- Van điều khiển khí nén: Van 5/3

Quy trình vận hành tự động của hệ thống được thực hiện theo chu trình tuần hoàn:

  1. Ban đầu, xy lanh ngang MDBB80-900Z đẩy cụm đầu hút từ vị trí chờ phía trên băng tải sang vị trí tâm thùng gỗ chứa vòng bi.
  2. PLC phát xung điều khiển động cơ servo xoay bộ truyền vít me - đai ốc bi hạ giàn nâng mang cụm đầu hút xuống thùng chứa theo độ sâu đã lập trình của từng lớp tương ứng. Khi đạt khoảng cách làm việc tối ưu, 4 xy lanh compact CDQ2A50-25DZ đẩy 4 khay nam châm vĩnh cửu xuống sát tấm cover inox (vị trí B). Lực từ trường xuyên qua lớp inox không nhiễm từ sẽ hút chặt toàn bộ lớp vòng bi.
  3. Động cơ servo điều khiển đảo chiều đưa cụm đầu hút cùng lớp vòng bi đi lên khỏi miệng thùng.
  4. Xy lanh trượt ngang thu hành trình kéo toàn bộ cụm đầu hút mang tải về phía trên mặt băng tải tiếp nhận.
  5. Vít me hạ thấp nhẹ đầu hút, 4 xy lanh compact kéo 4 khay nam châm đi lên vị trí tách rời (vị trí A). Do khoảng cách giữa nam châm và lớp vòng bi tăng lên, lực từ trường suy giảm hoàn toàn, lớp vòng bi rơi êm xuống mặt băng tải modular.
  6. Băng tải vận hành đưa lớp vòng bi ra khỏi khu vực đầu hút với vận tốc tính toán $500\text{ mm/s}$ để giải phóng không gian cho chu kỳ kế tiếp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về sự phát triển của máy hút vòng bi hiện nay trong nước và trên thế giới

Chương này khảo sát các ứng dụng công nghệ từ tính và chân không trong công tác nâng chuyển vật liệu kim loại. Tại thị trường Việt Nam, nhóm tác giả ghi nhận máy lọc sắt treo băng tải của Công ty ANT Việt Nam là một đại diện tiêu biểu của việc ứng dụng nam châm để bốc tách chi tiết sắt từ, song chưa có thiết bị chuyên dụng nào phục vụ việc hút bốc dỡ vòng bi theo lớp được thương mại hóa mà chủ yếu chỉ dừng lại ở các thiết kế nội bộ kín của một số doanh nghiệp. Trên thế giới, các giải pháp gắp dỡ sản phẩm từ tính được phát triển bởi các công ty chuyên ngành như Magnetool, Inc., BRAILLON MAGNETICS, Jaykrishna Magnetics Pvt., và Kanagawa Kiki Kogyo Co. Ngoài ra, giải pháp gẹp dỡ lớp chân không kết hợp kẹp cơ khí của hãng Schmalz được ứng dụng rộng rãi trong xếp dỡ pallet hỗn hợp. Tuy nhiên, các hệ thống hút dỡ vòng bi từ thùng sâu đòi hỏi tính chuyên biệt cao, thúc đẩy nhóm thực hiện đề tài nhằm làm chủ thiết kế cơ điện tử trong nước.

Chương 2: Tổng quan về đề tài

Chương này xác định căn cứ khoa học, tính cấp thiết và các yêu cầu kỹ thuật của đề tài CKM-86. Thách thức lớn nhất trong các nhà máy sản xuất vòng bi là công đoạn dỡ phôi từ thùng gỗ sâu ($400 - 500\text{ mm}$) tốn nhân công, tiềm ẩn rủi ro mệt mỏi và làm giảm nhịp độ chung của dây chuyền đóng gói. Yêu cầu kỹ thuật đặt ra bao gồm: thùng chứa có kích thước đáy $600 \times 800\text{ mm}$; thời gian hoàn thành một chu trình hút và chuyển lớp sang băng tải là 20 giây; cơ cấu hút tiếp cận không được va chạm gây biến dạng vòng bi; kết quả đầu ra bao gồm thuyết minh tính toán, bộ bản vẽ chế tạo chi tiết và mô hình cơ khí - điều khiển thực tế.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 tập trung phân tích và lựa chọn phương án công nghệ:

  • Phương án cơ cấu nâng hạ đứng: So sánh giữa cơ cấu vít me - đai ốc bi và cơ cấu xy lanh kết hợp bánh răng - encoder. Nhóm quyết định lựa chọn cơ cấu vít me - đai ốc bi dẫn động bằng động cơ servo nhờ ưu thế về độ chính xác định vị cao, linh hoạt lập trình các vị trí dừng khác nhau theo độ sâu 15 lớp, đồng thời tránh được hiện tượng rơ bánh răng làm suy giảm độ chính xác cơ học sau thời gian dài vận hành.
  • Phương án cơ cấu hút: So sánh giữa nam châm điện và nam châm vĩnh cửu. Nhóm quyết định lựa chọn nam châm vĩnh cửu đất hiếm NdFeB nhờ kết cấu nhẹ, chi phí thấp, không bị quá nhiệt khi vận hành liên tục và ổn định lâu dài. Việc ngắt lực hút được giải quyết bằng cơ chế dùng xy lanh kéo đẩy khay nam châm để thay đổi khoảng cách không khí đối với tấm cover inox.
  • Phân tích nguyên lý động học và điều khiển: Thuyết minh chi tiết nguyên lý biến đổi chuyển động quay sang tịnh tiến của trục vít me bi với ống tuần hoàn bi, cơ cấu dẫn hướng ti trượt tròn và phương thức phát xung điều khiển vị trí từ PLC sang servo driver.

Chương 4: Tính toán thiết kế cơ khí

Chương này là nội dung tính toán kỹ thuật trọng tâm của đồ án:

  • Tính toán năng suất: Với tiết diện thùng $600 \times 800\text{ mm}$ và vòng bi quy chuẩn $OD = 47,2\text{ mm}$, số lượng vòng bi trong một lớp được tính toán lý thuyết là $(600 / 47,2) \times (800 / 47,2) \approx 215\text{ viên/lớp}$. Thùng có chiều cao $400 - 500\text{ mm}$ tương ứng 15 lớp (tổng sản lượng xấp xỉ 3.225 viên). Thời gian dỡ hết thùng là 300 giây, tương đương chu kỳ hút 20 giây/lớp. Tốc độ băng tải tối thiểu để giải phóng phôi trong một chu kỳ là $800\text{ mm} / 20\text{ s} = 40\text{ mm/s}$; nhóm chọn tốc độ vận hành thực tế của băng tải là $500\text{ mm/s}$.
  • Tính toán băng tải: Chọn băng tải modular Hong's Belt HS-100A bằng nhựa Polypropylene có khối lượng $9\text{ kg/m}^2$, bề rộng $B = 0,75\text{ m}$, chiều dài $L = 1,2\text{ m}$. Lực căng băng tại các điểm được xác định: $S_1 = 2,47\text{ kg}$, $S_2 = 3,14\text{ kg}$, $S_3 = 3,457\text{ kg}$, $S_4 = 12,103\text{ kg}$. Lực cản tang dẫn động $W_{ct} = 0,437\text{ kg}$, lực kéo tổng $W_t = 10,07\text{ kg}$. Công suất tính toán cần thiết là $0,047\text{ kW}$; chọn hệ số an toàn môi trường công nghiệp bằng 1,5 cho công suất yêu cầu $0,07\text{ kW}$. Nhóm chọn động cơ 3 pha SGP 71M2-4-0.37KW-B5 ($0,37\text{ kW}$, tốc độ $1400\text{ rpm}$) kết hợp hộp giảm tốc NMRV50 tỉ số truyền $i = 30$, cho tốc độ đầu ra thực tế $46,1\text{ rpm}$ và vận tốc băng tải đạt $0,468\text{ m/s}$.
  • Tính toán trục dẫn và then: Vật liệu trục là thép C45 có giới hạn bền $\sigma_b = 850\text{ MPa}$. Đường kính sơ bộ $d = 40\text{ mm}$. Tính toán mô men xoắn và mô men uốn tại các tiết diện nguy hiểm đưa ra đường kính trục tại gối đỡ $d_A = d_D = 30\text{ mm}$, tại vị trí lắp bánh răng và khớp nối $d_B = d_C = 48\text{ mm}$. Kiểm nghiệm độ bền mỏi cho hệ số an toàn tổng hợp tại các tiết diện đều thỏa mãn điều kiện bền ($s_A = 30 > [s]$, $s_B = 49,1 > [s]$, $s_C = 49,1 > [s]$). Kiểm nghiệm độ bền tĩnh của trục đạt yêu cầu.
  • Lựa chọn gối đỡ: Chọn 2 ổ bi đỡ 1 dãy SKF UCF 206 đường kính trong $30\text{ mm}$, khả năng tải động $C = 19,5\text{ kN}$, tải tĩnh $C_0 = 11,4\text{ kN}$, tải trọng động quy ước tính toán $Q = 173\text{ N}$, đáp ứng tuổi thọ yêu cầu $L_h = 20.000\text{ giờ}$.
  • Cụm hút nam châm: Lựa chọn nam châm khối chữ nhật NdFeB-N40 kích thước $40 \times 20 \times 10\text{ mm}$, lực từ $16,3\text{ kgf}$ ($160\text{ N}$). Cụm hút được chia thành 4 khay giống nhau kích thước $180 \times 180\text{ mm}$ để thuận tiện gia công và phân phối lực.
  • Thực nghiệm khoảng cách hút $h$: Thực hiện khảo sát 7 trường hợp khoảng cách từ mặt hút đến mặt vòng bi:
Trường hợp Khoảng cách $h$ (mm) Kết quả sau thực nghiệm
1 0 Lớp vòng bi được hút hết, một số vòng bi của lớp tiếp theo bị hút dính theo
2 4 Lớp vòng bi được hút hết, vẫn còn trường hợp ít vòng bi của lớp tiếp theo bị hút lên
3 5 Đa số vòng bi được hút lên hết, có trường hợp sót lại vài vòng bi
4 9 Một số vòng bi của một lớp được hút lên, số lượng vòng bi sót lại nhiều
5 10 Một số vòng bi của một lớp được hút lên, số lượng vòng bi sót lại nhiều
6 11 Một số vòng bi của một lớp được hút lên, số lượng vòng bi sót lại nhiều
7 12 Một số vòng bi của một lớp được hút lên, số lượng vòng bi sót lại nhiều

Thực nghiệm chỉ ra khoảng cách làm việc tối ưu của cơ cấu hút nằm trong dải $h = 4 - 5\text{ mm}$.

  • Tính chọn xy lanh cụm hút: Mỗi xy lanh chịu tải trọng nâng hạ khối lượng khoảng $10\text{ kg}$. Lực tối thiểu cần thiết tính cả ma sát con trượt tròn ($\mu = 0,03$) là $F_{min} = 100,94\text{ N}$. Chọn 4 xy lanh compact SMC CDQ2A50-25DZ ($d = 50\text{ mm}$). Với áp suất khí cấp $4\text{ bar}$ ($0,4\text{ MPa}$), lực đẩy của mỗi xy lanh đạt $785,4\text{ N} > 100,94\text{ N}$, hoàn toàn thắng trọng lượng khay và lực hút dư của nam châm.
  • Tính chọn động cơ servo và vít me: Chọn động cơ Panasonic Minas A4 mã MHMD042P1U kết hợp bộ vít me - đai ốc bi và khớp nối mềm đường kính trục 14 và $16\text{ mm}$.
  • Tính chọn xy lanh và ray trượt ngang: Chọn xy lanh nòng lớn MDBB80-900Z và ray trượt vuông cùng con trượt HGH30C.
  • Kiểm nghiệm biến dạng kết cấu bằng Inventor: Mô phỏng ứng suất von Mises và chuyển vị đàn hồi của bát đỡ khung trượt ngang và bát gá đầu xy lanh kéo đẩy ngang, kết quả chuyển vị cực đại nằm trong giới hạn cho phép của vật liệu thép.

Chương 5: Tính toán thiết kế bộ điều khiển và lưu đồ giải thuật (dành cho mô hình)

Chương 5 trình bày toàn bộ giải pháp điều khiển phần cứng và phần mềm của mô hình:

  • Lựa chọn thiết bị điều khiển: Sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Schneider TM241CE40R xử lý logic và phát xung tốc độ cao điều khiển driver servo Panasonic Minas A4 MCDDT3502. Sử dụng màn hình cảm ứng HMI Delta DOP-107BV làm giao diện điều khiển, cài đặt thông số và cảnh báo lỗi.
  • Tính chọn khí cụ và đường dây: Tính toán công suất tiêu thụ của toàn bộ hệ thống gồm servo, động cơ băng tải, nguồn xung 24VDC, cuộn van khí nén và rơ le; lựa chọn aptomat (CB) bảo vệ nhánh và tổng, tính chọn tiết diện dây dẫn động lực và dây tín hiệu điều khiển theo dòng định mức. Tích hợp bộ lọc nguồn chống nhiễu CW4L/2-20A-R và rơ le trung gian Schneider 8 chân RXM2LB2P7.
  • Xây dựng thuật toán: Xây dựng sơ đồ khối điều khiển tổng thể, lưu đồ hoạt động của máy và lưu đồ thuật toán chi tiết cho chương trình PLC, đảm bảo xử lý an toàn tín hiệu cảm biến hành trình, khóa liên động khí nén và lệnh phát xung tịnh tiến từng bước của servo.
  • Thiết kế bố trí tủ điện: Thiết kế layout tủ điện 2D/3D, bố trí mặt tủ với đèn báo pha, nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop), nút nhấn khởi động/dừng và màn hình HMI; sắp xếp máng dây và các thanh cài khí cụ bên trong tủ điện khoa học.

Chương 6: Kết quả thực tế

Chương cuối trình bày các bước chế tạo, lắp ráp cơ khí và chạy thử nghiệm mô hình:

  • Quá trình thi công: Gia công hàn khung sắt chịu lực, sơn phủ chống gỉ, gia công gá đặt khung nhôm định hình, lắp ráp cơ cấu trượt ngang với ray HGH30C và xy lanh nòng $80\text{ mm}$, lắp ráp cơ cấu vít me - đai ốc bi cùng động cơ servo, chế tạo các khay nam châm vĩnh cửu bọc cover inox và lắp 4 xy lanh compact. Lắp đặt tủ điện, kéo rải dây tín hiệu cảm biến và dây động lực.
  • Vận hành và xử lý sự cố: Quá trình vận hành thử nghiệm giúp nhóm phát hiện các lỗi phát sinh như rung lắc khung gá khi xy lanh ngang đổi chiều, độ trễ áp suất khí nén và sai lệch vị trí dừng lớp; từ đó tinh chỉnh van tiết lưu giảm chấn, hiệu chỉnh thông số xung trong PLC và gia cố các thanh giằng cơ khí.
  • Kết quả thu được: Mô hình hoàn thiện chạy đúng chu trình tự động 20 giây/lớp, thực hiện hút và giải phóng vòng bi lên băng tải ổn định theo đúng các thông số lý thuyết đã tính toán.

Kết quả và đóng góp

Về mặt kết quả định lượng và kỹ thuật:

  • Chế tạo thành công mô hình cơ cấu hút vòng bi theo lớp hoạt động hoàn chỉnh, đáp ứng chính xác yêu cầu chu kỳ 20 giây cho mỗi lượt hút và chuyển giao phôi.
  • Hệ thống xử lý được sản lượng tính toán xấp xỉ 215 vòng bi/lớp trên kích thước khay thùng gỗ, đạt năng suất dỡ hết 15 lớp vòng bi trong 300 giây (5 phút), cao gấp 4 lần so với thao tác thủ công (20 phút).
  • Xác định qua thực nghiệm thông số khoảng cách hút tối ưu của bàn hút từ tính $h = 4 - 5\text{ mm}$, loại bỏ triệt để hiện tượng hút dính các vòng bi của lớp bên dưới trong khi vẫn bảo đảm hút hết $100%$ lượng vòng bi của lớp trên cùng.
  • Tính toán và kiểm nghiệm đầy đủ hệ số an toàn mỏi của trục băng tải ($s \ge 30$, vượt ngưỡng cho phép $[s]$) và lựa chọn thành công các phần tử tiêu chuẩn công nghiệp (động cơ SGP $0,37\text{ kW}$, hộp số NMRV50 $i=30$, ổ bi SKF UCF 206, xy lanh SMC $d=50\text{ mm}$ và $d=80\text{ mm}$).

Về giải pháp và đề xuất kỹ thuật:

  • Đề xuất giải pháp ngắt lực hút cơ học cho nam châm vĩnh cửu thông qua xy lanh khí nén nâng hạ khay nam châm trong khoang bọc inox không từ tính. Giải pháp này giúp đơn giản hóa mạch điện, tiết kiệm năng lượng, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng quá nhiệt thường gặp ở nam châm điện khi hoạt động ở chu kỳ ngắn liên tục.
  • Ứng dụng động cơ AC servo kết hợp bộ truyền vít me - đai ốc bi để định vị trục Z, cho phép PLC tự động điều chỉnh độ sâu hạ đầu hút chính xác theo từng bước chiều cao của 15 lớp vòng bi khác nhau trong thùng chứa sâu.

Đóng góp của đồ án:

  • Cung cấp một bộ hồ sơ tính toán thiết kế máy hoàn chỉnh từ động học, động lực học chi tiết máy, khí nén đến mạch điều khiển PLC/HMI cho bài toán bốc dỡ phôi dạng tấm/lớp kim loại.
  • Tạo tiền đề kỹ thuật và mô hình vật lý chứng minh tính khả thi của việc nội địa hóa các cơ cấu gắp đặt tự động trong các nhà máy sản xuất linh kiện phụ tùng ô tô, xe máy tại Việt Nam mà không phải nhập khẩu các hệ thống đắt tiền từ nước ngoài.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Do điều kiện kinh phí và quy mô xưởng thực tập của đồ án tốt nghiệp, cụm đầu hút của mô hình vật lý chỉ mới triển khai trên cụm 4 khay chứa có kích thước $180 \times 180\text{ mm}$ (tổng diện tích khoảng $360 \times 360\text{ mm}$), chưa thể phủ kín toàn bộ diện tích tiết diện thùng mẫu quy chuẩn công nghiệp ($600 \times 800\text{ mm}$).
  • Kết cấu khung máy bằng sắt hàn kết hợp nhôm định hình trong điều kiện gia công bán thủ công còn tồn tại sai số cơ học, dẫn đến hiện tượng rung chấn nhẹ khi xy lanh ngang hành trình $900\text{ mm}$ dừng đột ngột ở hai đầu chu trình.
  • Chưa có cơ cấu cảm biến thông minh để phát hiện các viên vòng bi bị xô lệch góc hoặc xếp chồng chéo ngoài quy chuẩn hình học.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Mở rộng quy mô cụm bàn hút phủ kín hoàn toàn kích thước thùng gỗ công nghiệp $600 \times 800\text{ mm}$ với số lượng khay nam châm lớn hơn.
  • Bổ sung cảm biến khoảng cách laser hoặc cảm biến thị giác máy (Machine Vision) trên đầu hút nhằm tự động nhận diện cao độ thực tế của từng lớp và vị trí phôi bị xô lệch, giúp hệ thống thích ứng linh hoạt với nhiều loại thùng chứa khác nhau.
  • Tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động tịnh tiến ngang bằng cách thay thế xy lanh khí nén bằng động cơ servo hoặc lắp đặt các van tỉ lệ để tạo đường cong gia tốc mềm, rút ngắn hơn nữa chu kỳ làm việc xuống dưới 20 giây.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo cơ cấu hút vòng bi theo lớp" là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn cao đối với:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa đang thực hiện đồ án môn học Thiết kế máy, Đồ án Chi tiết máy, Đồ án Tốt nghiệp về các hệ thống gắp đặt (Pick & Place) và hệ thống cấp phôi tự động.
  • Kỹ sư thiết kế cơ điện tử và cải tiến sản xuất (Kaizen/Automation) tại các nhà máy cơ khí chế tạo, phụ tùng và kho vận công nghiệp.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong văn bản:
    • Phương pháp giải tích tính toán chi tiết trục băng tải và kiểm nghiệm bền mỏi (Chương 4).
    • Kết cấu cơ khí của khay nam châm vĩnh cửu kết hợp tấm cover inox và xy lanh compact để ngắt từ trường (Chương 4).
    • Số liệu thực nghiệm về khoảng cách từ tính $h$ đối với vật liệu kim loại sắt từ (Bảng 4.1).
    • Quy trình phối hợp điều khiển giữa PLC Schneider, màn hình HMI Delta và động cơ AC Servo Panasonic Minas A4 (Chương 5).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn giải pháp nam châm vĩnh cửu kết hợp xy lanh khí nén thay vì dùng nam châm điện để hút vòng bi?
Nam châm điện tuy dễ dàng điều khiển đóng ngắt bằng việc cấp/cắt dòng điện nhưng có nhược điểm lớn là khối lượng rất nặng, giá thành cao và sinh nhiệt độ rất lớn khi phải duy trì cuộn hút liên tục trong các chu kỳ làm việc công nghiệp kéo dài. Trong khi đó, nam châm vĩnh cửu đất hiếm NdFeB có khối lượng nhẹ, giá thành hợp lý, lực từ cực mạnh và độ bền ổn định lâu dài. Nhóm tác giả đã giải quyết bài toán ngắt từ bằng cơ cấu dùng xy lanh khí nén nâng khay nam châm rời xa tấm đáy inox, làm suy giảm lực từ và nhả vòng bi rơi xuống mặt băng tải một cách êm ái mà không tốn năng lượng duy trì lực giữ.

2. Khoảng cách tiếp cận tối ưu giữa bàn hút và bề mặt lớp vòng bi được xác định là bao nhiêu qua thực nghiệm?
Qua quá trình thực nghiệm 7 trường hợp tại xưởng, khoảng cách tối ưu $h$ được nhóm xác định là từ $4\text{ mm}$ đến $5\text{ mm}$. Nếu khoảng cách $h = 0\text{ mm}$, lực từ quá mạnh sẽ hút xuyên xuống lớp phía dưới làm dính theo các vòng bi của lớp kế tiếp. Nếu khoảng cách $h \ge 9\text{ mm}$, lực từ bị suy giảm qua khe hở không khí khiến số lượng vòng bi bị sót lại trong thùng rất lớn. Khoảng cách $4 - 5\text{ mm}$ đảm bảo hút triệt để $100%$ các viên vòng bi trong lớp hiện tại mà không làm xáo trộn lớp tiếp theo.

3. Tại sao cơ cấu nâng hạ đứng sử dụng bộ truyền vít me - đai ốc bi kết hợp động cơ servo mà không dùng xy lanh khí nén kết hợp encoder?
Cơ cấu xy lanh khí nén kết hợp bánh răng và encoder có nhược điểm là độ cứng vững kém, khí nén có tính đàn hồi cao nên khó định vị chính xác nhiều điểm dừng, đồng thời sau một thời gian vận hành bánh răng dễ bị rơ mòn làm sai lệch vị trí. Trong khi đó, bộ truyền vít me - đai ốc bi kết hợp động cơ servo AC cho độ chính xác lặp lại rất cao, vận hành êm ái và cho phép lập trình linh hoạt 15 tọa độ dừng tương ứng với 15 lớp vòng bi có chiều cao giảm dần từ $500\text{ mm}$ xuống đáy thùng.

4. Băng tải tiếp nhận phôi sử dụng loại vật liệu và động cơ dẫn động nào?
Băng tải sử dụng đai xích nhựa modular của hãng Hong's Belt (mã hiệu HS-100A), chế tạo từ nhựa Polypropylene với bề rộng $750\text{ mm}$, khối lượng $9\text{ kg/m}^2$ và bước mắt $50,8\text{ mm}$. Hệ thống được dẫn động bởi động cơ điện 3 pha SGP công suất $0,37\text{ kW}$ (4 cực, tốc độ $1400\text{ rpm}$) qua hộp giảm tốc trục vít bánh vít NMRV50 tỉ số truyền $i = 30$, cho tốc độ vận hành thực tế đạt $0,468\text{ m/s}$ (xấp xỉ $500\text{ mm/s}$), hoàn toàn đủ khả năng vận chuyển 215 vòng bi ra khỏi vùng dỡ hàng trong vòng 20 giây.

5. Hệ điều hành và giám sát trung tâm của mô hình bao gồm những thiết bị chính nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Schneider TM241CE40R làm bộ xử lý trung tâm, chịu trách nhiệm nhận tín hiệu cảm biến hành trình, điều khiển các van điện từ 5/3 cấp khí nén và phát xung vị trí điều khiển driver servo Panasonic Minas A4 (mã MCDDT3502). Giao diện vận hành tại chỗ sử dụng màn hình cảm ứng HMI Delta DOP-107BV kích thước 7 inch, kết hợp hệ thống nút nhấn cơ, công tắc dừng khẩn cấp và bộ lọc nguồn chống nhiễu CW4L/2-20A-R.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo cơ cấu hút vòng bi theo lớp" đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa công đoạn dỡ phôi kim loại nặng từ thùng chứa sâu sang dây chuyền sản xuất với năng suất đạt 20 giây/lớp, cao gấp 4 lần so với thao tác thủ công. Công trình kết hợp hài hòa giữa các tính toán cơ học truyền thống về trục, ổ lăn, băng tải và mô phỏng CAE với kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại sử dụng PLC Schneider, Servo Panasonic và cụm hút nam châm vĩnh cửu ngắt từ bằng khí nén. Toàn bộ hồ sơ tính toán, bản vẽ và mô hình thực nghiệm là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng cao cho sinh viên kỹ thuật và kỹ sư chế tạo máy trong lĩnh vực tự động hóa nâng chuyển phôi công nghiệp.