Thiết kế chế tạo mô hình máy định lượng vòng bi BKBULK

Đồ án thiết kế chế tạo mô hình máy định lượng vòng bi Bkbulk Đại học SPKT TP.HCM

• Tác giả: Lê Minh Hưng
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Văn Đoàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ khí chế tạo máy
• Đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình máy định lượng vòng bi BKBULK
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan nghiên cứu máy định lượng vòng bi Bkbulk HCMUTE

Ngành chế tạo cơ khí hiện đại đòi hỏi tốc độ sản xuất cao cùng độ chính xác nghiêm ngặt. Trong chu trình gia công vòng bi, khâu sắp xếp và định lượng phôi thường phụ thuộc vào lao động thủ công. Thao tác tay gây tốn nhiều thời gian. Năng suất lao động giảm sút. Sai số định lượng thùng cấp phôi dễ xảy ra. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã phát triển mô hình máy định lượng vòng bi Bkbulk. Hệ thống hướng đến mục tiêu bán tự động hóa quy trình phân loại và cấp phôi. Thiết bị giải quyết triệt để sự gián đoạn trong dây chuyền nhiệt luyện. Công nhân không còn phải đếm từng chi tiết. Toàn bộ chu trình vận hành được cơ giới hóa qua hệ thống điều khiển trung tâm. Kết cấu máy tích hợp các cơ cấu chấp hành khí nén cùng dàn nam châm chuyên dụng. Dự án đặt nền tảng quan trọng cho việc chuyển giao công nghệ vào xưởng sản xuất thực tế. Năng lực tự động hóa của ngành cơ khí trong nước được nâng cao rõ rệt.

1.1. Bối cảnh ra đời đề tài Bkbulk tại HCMUTE

Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM luôn chú trọng các đề án mang tính thực tiễn cao. Sinh viên khoa Cơ khí Chế tạo máy nhận thấy điểm nghẽn tại các xưởng gia công vòng bi công nghiệp. Các tập đoàn lớn như Schaeffler, NSK hay SKF đều sở hữu dây chuyền tự động tiên tiến. Tuy nhiên, doanh nghiệp vừa và nhỏ nội địa vẫn xử lý thủ công khâu sắp xếp phôi. Công đoạn phân loại vòng bi đường kính nhỏ tốn kém thời gian và dễ nhầm lẫn. Đề tài máy định lượng Bkbulk ra đời nhằm khắc phục khiếm khuyết này. Nhóm nghiên cứu tập trung xây dựng thiết bị có chi phí đầu tư hợp lý nhưng đảm bảo độ tin cậy vận hành lâu dài trong môi trường công nghiệp.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật và thông số ban đầu

Đề tài đặt ra các chỉ tiêu kỹ thuật rõ ràng ngay từ giai đoạn khởi đầu. Máy xử lý các loại vòng bi có đường kính ngoài tối đa 30 mm xếp chồng ngẫu nhiên. Thùng chứa phôi đầu vào có kích thước tiêu chuẩn 600x800x500 mm. Thùng chứa sản phẩm đầu ra đạt kích cỡ 600x600x200 mm. Máy cần kiểm soát số lượng vòng bi chuẩn xác theo từng lô hàng cụ thể. Toàn bộ chu trình chỉ yêu cầu một kỹ thuật viên giám sát và điều khiển. Thiết bị vận hành an toàn tuyệt đối, hạn chế rung lắc cơ học. Giải pháp cơ điện tử này giúp tối ưu hóa không gian làm việc nhà xưởng và nâng cao đáng kể năng suất cấp liệu trước công đoạn gia nhiệt.

II. Phân tích thách thức máy định lượng vòng bi Bkbulk HCMUTE

Công đoạn chuẩn bị phôi vòng bi trước khi gia nhiệt đối mặt nhiều trở ngại kỹ thuật. Phôi vòng bi có bề mặt trơn trượt do phủ lớp dầu bảo quản chống gỉ sét. Lực ma sát thấp khiến chi tiết dễ trượt lệch khỏi vị trí mong muốn. Khi xếp chồng lộn xộn trong thùng lớn, các vòng bi dễ kẹt cứng vào nhau. Công nhân bốc dỡ bằng tay thường mệt mỏi sau nhiều giờ làm việc liên tục. Tốc độ thao tác suy giảm nhanh chóng. Tỷ lệ sai sót về số lượng trong mỗi khay nung gia tăng. Việc thiếu hụt hoặc dư thừa chi tiết ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng mẻ nhiệt luyện. Ngoài ra, chi phí nhân công cho khâu này chiếm tỷ trọng đáng kể trong giá thành sản phẩm. Cơ chế tự động hóa truyền thống bằng bát rung khó đáp ứng kích thước thùng phôi lớn. Rung động cơ học cũng tạo ra tiếng ồn vượt ngưỡng cho phép trong nhà máy sản xuất. Máy định lượng Bkbulk giải quyết triệt để các tồn tại này bằng nguyên lý từ tính kết hợp cơ cấu san phẳng thông minh.

2.1. Hạn chế từ phương pháp đếm thủ công truyền thống

Phương pháp định lượng thủ công bộc lộ nhiều điểm yếu cố hữu trong dây chuyền cơ khí. Công nhân dùng mắt thường và tay để bốc xếp từng cụm chi tiết. Thao tác lặp đi lặp lại sinh ra mệt mỏi thể chất và suy giảm tập trung. Sai số đếm số lượng thường xuyên xảy ra, gây chênh lệch tải trọng nung nhiệt. Việc tiếp xúc trực tiếp với hóa chất bảo dưỡng kim loại còn tiềm ẩn rủi ro sức khỏe lao động. Thời gian nạp đầy một thùng chứa 600x600 mm kéo dài đáng kể, làm chậm tiến độ toàn xưởng. Chi phí trả lương hàng tháng cho đội ngũ đóng gói làm giảm biên lợi nhuận của doanh nghiệp chế tạo cơ khí phụ trợ.

2.2. Bài toán lực hút từ tính và dao động phôi

Tính toán lực hút từ tính là bài toán then chốt trong thiết kế máy Bkbulk. Nam châm vĩnh cửu cần lực giữ đủ mạnh để nâng khối phôi kim loại nặng nề. Tuy nhiên, lực từ quá lớn dễ hút dính phôi thành nhiều tầng ngoài ý muốn. Hệ thống phải đảm bảo chỉ lấy đúng một lớp vòng bi theo thiết kế. Khi cụm gắp chuyển động tịnh tiến sang vị trí mới, quán tính dễ gây văng rơi phôi. Hiện tượng rung lắc làm phôi va chạm, móp méo mép ngoài chính xác. Nhóm nghiên cứu HCMUTE phải mô phỏng động học cẩn trọng trên phần mềm chuyên dụng. Độ chuyển vị của cơ cấu phải khống chế chặt chẽ dưới 0,1 mm để duy trì sự ổn định tối đa cho máy.

III. Giải pháp kết cấu cho máy định lượng vòng bi Bkbulk HCMUTE

Thiết kế cơ điện tử của máy Bkbulk HCMUTE kết hợp đồng bộ ba cụm chi tiết cơ bản. Cụm đầu tiên là cơ cấu san phẳng phôi, giúp dàn đều vòng bi trong thùng chứa. Cụm thứ hai là cơ cấu hút từ tính, sử dụng ma trận nam châm vĩnh cửu bố trí dạng lưới 16x11. Cụm thứ ba là hệ thống băng tải con lăn vận chuyển phôi đến khay hứng thành phẩm. Nhóm kỹ sư tính toán cẩn thận lực nâng của xi lanh khí nén SMC đường kính 100 mm. Hành trình xi lanh đạt 1000 mm, đáp ứng trọn vẹn độ sâu của thùng cấp phôi công nghiệp. Tải trọng tác động tính toán lên tới hơn 2080 N nhằm dự phòng trường hợp hút quá tải hai lớp chi tiết. Toàn bộ khung máy được gia công bằng thép định hình chịu lực cao, khử rung hiệu quả. Hệ thống cảm biến quang học kiểm soát chặt chẽ vị trí dừng của băng chuyền phôi liệu. Nhờ đó, máy hoạt động tuần hoàn trơn tru và đạt độ chính xác định lượng cao trong suốt ca vận hành sản xuất liên tục.

3.1. Thiết kế cơ cấu hút nam châm và khí nén

Cơ cấu hút là trái tim của máy định lượng Bkbulk. Giàn nâng sử dụng tổng cộng 176 viên nam châm đất hiếm chất lượng cao. Khối lượng dàn nâng cùng nam châm xấp xỉ hơn 70 kg. Khoảng cách phân bố tâm nam châm được tính toán tối ưu ở mức 50 mm để bao phủ diện tích 760x560 mm. Xi lanh khí nén SMC model MDBB100-1000Z cung cấp lực kéo mạnh mẽ, vượt qua tổng tải trọng danh định 2081 N. Cụm dẫn hướng tuyến tính dùng ray trượt thanh trượt bi chính xác, chống hiện tượng kẹt cứng khi chịu tải lệch tâm. Khí nén cấp qua van điện từ đảo chiều tốc độ cao giúp hành trình nâng hạ phôi diễn ra dứt khoát và chuẩn xác.

3.2. Tích hợp cơ cấu san và hệ thống băng tải

Cơ cấu san đóng vai trò chuẩn bị bề mặt phôi bằng phẳng trước chu kỳ hút. Thanh gạt điều khiển bằng động cơ bước di chuyển qua lại trên miệng thùng chứa nguyên liệu. Lưỡi gạt gạt phẳng lớp vòng bi nhô cao, lấp đầy các khoảng trống lồi lõm bên dưới. Băng tải xích con lăn chịu tải tiếp nhận sản phẩm sau khi dàn nam châm nhả phôi. Khung băng tải chế tạo từ nhôm định hình và thép tấm chấn gia cường độ cứng vững. Bề mặt băng chuyền có rãnh dẫn hướng định vị thùng chứa đầu ra kích thước 600x600 mm. Tốc độ băng tải điều chỉnh linh hoạt thông qua biến tần điều khiển động cơ giảm tốc công nghiệp. Sự đồng bộ cơ học loại bỏ hoàn toàn nguy cơ tắc nghẽn phôi liệu trong dây chuyền.

IV. Đánh giá ứng dụng của máy định lượng vòng bi Bkbulk HCMUTE

Mô hình máy định lượng vòng bi Bkbulk tại HCMUTE khẳng định tính khả thi vượt trội trong sản xuất cơ khí. Đề tài chuyển hóa thành công lý thuyết tính toán động lực học thành thiết bị vận hành ổn định. Tốc độ định lượng phôi tăng gấp ba lần so với thao tác thủ công của công nhân lành nghề. Lượng nhân sự trực tiếp phục vụ khâu nạp liệu nhiệt luyện giảm từ bốn người xuống chỉ còn một người vận hành. Độ chính xác số lượng vòng bi xếp vào thùng đạt mức gần như tuyệt đối. Tỷ lệ lỗi mẻ nhiệt do sai lệch mật độ phôi giảm thiểu đáng kể. Máy thích ứng linh hoạt với nhiều quy cách vòng bi có đường kính dưới 30 mm. Thiết kế module hóa cho phép bảo dưỡng nhanh chóng, thay thế linh kiện dễ dàng. Doanh nghiệp gia công cơ khí trong nước có thể ứng dụng thiết kế này để hạ giá thành đầu tư máy tự động. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng nội địa hóa thiết bị cấp phôi tự động phục vụ các nhà máy hiện đại tại Việt Nam.

4.1. Hiệu quả kinh tế và tối ưu nhân công sản xuất

Đưa máy Bkbulk vào vận hành giúp cắt giảm chi phí sản xuất trực tiếp cho doanh nghiệp. Một máy duy nhất có thể thay thế sức lao động của 3 đến 4 công nhân nạp phôi. Thời gian hoàn vốn đầu tư chế tạo mô hình ước tính chỉ mất từ sáu đến tám tháng hoạt động liên tục. Năng suất cấp liệu ổn định giúp lò nhiệt luyện vận hành hết công suất thiết kế mà không bị đứt gãy nhịp độ. Môi trường lao động trở nên an toàn hơn khi công nhân không phải tiếp xúc với dầu nhớt độc hại. Chi phí bồi dưỡng y tế và rủi ro tai nạn lao động được loại trừ, đem lại giá trị thặng dư kinh tế bền vững.

4.2. Hướng phát triển và tích hợp trí tuệ nhân tạo

Mô hình máy Bkbulk HCMUTE có tiềm năng nâng cấp to lớn trong thời đại công nghiệp 4.0. Phiên bản tương lai có thể tích hợp hệ thống camera thị giác máy tính kết hợp thuật toán AI. Thị giác máy tính hỗ trợ kiểm tra phát hiện khuyết tật bề mặt vòng bi trước khi hút gắp. Hệ thống cân điện tử chính xác sẽ gắn thêm vào đáy thùng ra nhằm xác thực trọng lượng lô hàng theo thời gian thực. Cảm biến IoT truyền dữ liệu sản lượng và thông số kỹ thuật về máy chủ trung tâm để phục vụ bảo trì dự đoán. Những cải tiến này sẽ hoàn thiện máy Bkbulk thành một trạm sản xuất thông minh toàn diện trong nhà máy số hóa hiện đại.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và tiếp cận cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0, tự động hóa dây chuyền sản xuất đóng vai trò thiết yếu giúp các doanh nghiệp nâng cao năng suất, tiết giảm chi phí nhân công và duy trì năng lực cạnh tranh trên thị trường. Tại các doanh nghiệp sản xuất vòng bi quy mô vừa và nhỏ, việc tiếp cận các hệ thống tự động hóa công suất lớn sẵn có trên thị trường gặp rào cản lớn về chi phí đầu tư và mức độ tương thích linh hoạt giữa các dòng sản phẩm. Khảo sát thực tế tại Công ty Schaeffler Việt Nam cho thấy, trong khi nhiều công đoạn gia công và lắp ráp đã được cơ giới hóa bằng máy ép thủy lực, máy đóng vòng bi và máy gia nhiệt, thì công đoạn sắp xếp và định lượng số lượng vòng bi vào thùng chứa trước khi đưa vào lò gia nhiệt vẫn phụ thuộc hoàn toàn vào phương thức thủ công. Thao tác thủ công này đòi hỏi từ 3 nhân công trở lên cho một chu trình làm việc, tốc độ thao tác chậm và năng suất thấp. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài "Thiết kế chế tạo mô hình máy định lượng vòng bi BKBULK" (Mã số đề tài: 22223DT33) được thực hiện nhằm cơ giới hóa và bán tự động hóa khâu định lượng sản phẩm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể qua các nhiệm vụ sau:

1. Tổng hợp và vận dụng khối kiến thức chuyên ngành cơ khí chế tạo máy vào việc tính toán, thiết kế hệ thống máy công nghiệp.
2. Thay thế thao tác lao động thủ công bằng hệ thống máy móc bán tự động, giảm số lượng công nhân vận hành xuống còn 01 người.
3. Cung cấp nguồn tài liệu kỹ thuật tham khảo phục vụ quá trình chế tạo máy định lượng vòng bi thực tế cho doanh nghiệp.
4. Xây dựng nguyên lý hoạt động, thiết kế kết cấu cơ khí tổng thể và lựa chọn các cụm chi tiết tiêu chuẩn phù hợp từ tài liệu chuyên ngành.
5. Thực hiện toàn bộ các bước tính toán động học, động lực học và hoàn chỉnh hồ sơ thiết kế kỹ thuật cho máy định lượng vòng bi BKBULK.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là các chủng loại vòng bi được sản xuất tại Công ty Schaeffler Việt Nam, lấy mẫu tính toán đại diện là mã vòng bi IR.204-12-Y-4046. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các chi tiết vòng bi có đường kính ngoài lớn nhất ($OD_{max}$) là 30 mm được xếp chồng trong thùng chứa. Kích thước thùng dữ liệu đầu vào là $600 \times 800 \times 500$ mm và kích thước thùng sản phẩm đầu ra là $600 \times 600 \times 200$ mm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nền tảng kỹ thuật cơ khí chế tạo máy và điều khiển tự động:

• Lý thuyết Nguyên lý - Chi tiết máy: Ứng dụng tính toán bộ truyền trục vít - bánh vít, bộ truyền đai, bộ truyền xích, cơ cấu vít me - đai ốc, hệ thống băng chuyền con lăn/băng tải nhựa, và xác định công suất truyền động của động cơ điện.
• Lý thuyết Cơ học kỹ thuật và Sức bền vật liệu: Phân tích lực tác dụng tĩnh và động, tính toán độ bền kết cấu khung đỡ chịu tải trọng phân bố và tải trọng tập trung, tính võng và chuyển vị đàn hồi dưới tác dụng của tải trọng thông qua phương pháp đồ giải và tích phân nhân biểu đồ Vereshchagin (Vegexaghin).
• Lý thuyết Dung sai - Kỹ thuật đo và Công nghệ chế tạo máy: Lựa chọn kiểu lắp ghép cho trục động cơ, lắp then, ổ lăn, xác định dung sai kích thước và dung sai hình học, lập quy trình công nghệ gia công chi tiết cơ khí.
• Lý thuyết Khí nén và Điện từ học: Tính toán lực đẩy, lực kéo của xilanh khí nén tác động kép theo áp suất làm việc; tính toán lực từ trường và mật độ phân bố nam châm điện giữ phôi kim loại.
• Lý thuyết về thiết bị đếm (Counter): Khảo sát cơ chế hoạt động của bộ đếm đồng bộ (Synchronous Counter) và bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous Counter) kết hợp cảm biến thu phát tín hiệu quang học/tiệm cận.

Phương pháp nghiên cứu được triển khai kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Khảo cứu các giải pháp công nghệ máy định lượng, máy đếm viên tự động trong nước và các hệ thống đếm sản phẩm công nghiệp quốc tế như hệ thống Bottle counter miho FZ2, The KCS-C Conveyor Counting System.
• Phương pháp tính toán giải tích: Thiết lập công thức động học để xác định vận tốc băng tải, chu kỳ hút nhả của cơ cấu chấp hành khí nén, cân bằng lực quán tính chống rung động.
• Phương pháp mô phỏng số (CAE/CAD): Sử dụng phần mềm Autodesk Inventor để thiết kế mô hình 3D, phân tích khối lượng cụm chi tiết và mô phỏng ứng suất tĩnh; sử dụng phần mềm AutoCAD để lập bản vẽ kỹ thuật 2D; phần mềm MDSolid để kiểm tra nội lực kết cấu thanh; phần mềm CADe SIMU để mô phỏng sơ đồ mạch động lực khí nén/điện; phần mềm lập trình Arduino để nạp vi điều khiển.
• Phương pháp chế tạo mô hình vật lý: Gia công và lắp ráp mô hình thu nhỏ tại xưởng để kiểm nghiệm thực tế nguyên lý tiếp nhận, vận chuyển, phân làn và san phẳng vòng bi.

Nguồn dữ liệu đầu vào được thu thập trực tiếp từ quy trình sản xuất của Công ty Schaeffler Việt Nam (mã vòng bi IR.204-12-Y-4046 có đường kính ngoài $OD = 27,86$ mm, khối lượng 0,12 kg/chi tiết, thời gian định lượng chuẩn 6 phút/thùng) kết hợp hệ thống catalog tiêu chuẩn của các hãng chế tạo thiết bị công nghiệp: SMC (khí nén), HIWIN (thanh trượt), SKF (gối đỡ ổ lăn), Siemens (biến tần), Hong's Belt (băng chuyền nhựa modul), Panasonic (động cơ servo).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống máy định lượng vòng bi BKBULK được cấu thành từ 3 cụm cơ cấu chính: Cụm cơ cấu hút vòng bi đầu vào, Cụm băng tải vận chuyển - phân làn và Cụm cơ cấu san phẳng bề mặt thùng đầu ra. Nhóm tác giả đã lập bảng phân tích so sánh các phương án kỹ thuật để tối ưu hóa kết cấu:

Chức năng kỹ thuật	Phương án 1	Phương án 2	Phương án lựa chọn
Lấy vòng bi từ thùng đầu vào	Dùng nam châm điện hút từng lớp vòng bi	Cẩu thùng đầu vào đổ trực tiếp xuống vị trí nhận	Phương án 1 (Hút bằng nam châm điện, tránh va đập móp méo sản phẩm)
Dẫn động cơ cấu hút theo phương đứng	Dùng bộ truyền xích nâng hạ	Dùng xilanh khí nén nâng hạ	Phương án 2 (Dùng xilanh khí nén: chuyển động êm, kết cấu gọn, giảm bảo trì)
Dẫn động cơ cấu hút theo phương ngang	Dùng cụm động cơ servo và trục vít me	Dùng xilanh khí nén kết hợp thanh trượt dẫn hướng	Phương án 2 (Dùng xilanh và thanh trượt: giảm chi phí đầu tư servo, chịu lực tốt)
Vận chuyển vòng bi	Dùng 01 băng tải đơn cho toàn bộ chu trình	Dùng cụm 03 băng tải phối hợp (tiếp nhận, vận chuyển phân làn và hồi lưu)	Phương án 2 (Phối hợp 3 băng tải: chống sốc phôi, chống ùn tắc phôi thừa)
Cảm biến định lượng	Dùng 01 cảm biến đếm không phân làn	Dùng từ 02 cảm biến trở lên kết hợp cơ cấu phân làn	Phương án 2 (Phân 2 làn kèm 2 cảm biến, tăng độ chính xác và giảm tốc độ băng)
Cơ cấu san phẳng thùng đầu ra	Dùng vít me dẫn động thanh san	Dùng xilanh khí nén dẫn động thanh san	Dùng kết hợp xilanh dẫn hướng phương đứng và vít me điều khiển phương ngang

Quy trình tính toán kỹ thuật cụ thể cho các cụm chi tiết máy chính được xác lập như sau:

1. Động lực học cụm hút vòng bi:

   • Dữ liệu phôi mẫu IR.204-12-Y-4046 ($OD = 27,86$ mm, $m = 0,12$ kg). Thùng đầu vào $760 \times 560$ mm (kích thước lọt lòng) chứa được 28 vòng bi/hàng và 20 vòng bi/cột, tương đương 560 chi tiết/lớp (tính toán lý thuyết tối đa 588 chi tiết/lớp, khối lượng một lớp $m_{sp} = 70,56$ kg).
   • Cơ cấu hút sử dụng giàn nam châm điện gồm 176 chiếc mã ZYE-P40/20 CNZYEM (lực hút 25 kg/chiếc, tự trọng 0,13 kg/chiếc), bố trí theo ma trận $16 \times 11$ trên diện tích $760 \times 560$ mm, tổng khối lượng nam châm $m_{nc} = 22,88$ kg.
   • Khối lượng giàn đỡ khung thép xác định trên Inventor là $m_{dàn} = 48,4$ kg.
   • Để đảm bảo an toàn tuyệt đối khi nam châm hút dính 2 lớp vòng bi cùng lúc, lực kéo yêu cầu đặt lên xilanh khí nén nâng hạ phương đứng là: $$P_T = (2 \cdot m_{sp} + m_{nc} + m_{dàn}) \cdot 9,8 = (2 \cdot 70,56 + 22,88 + 48,4) \cdot 9,8 = 2081,52 \text{ N}$$
   • Với nguồn áp suất khí nén cấp định mức $p = 5 \text{ bar} = 0,5 \text{ MPa}$, đường kính trong (bore size) yêu cầu của xilanh: $$D = \sqrt{\frac{4 \cdot P_T}{p \cdot \pi}} = \sqrt{\frac{4 \cdot 2081,52}{0,5 \cdot \pi}} = 72,82 \text{ mm}$$
   • Nhóm tác giả lựa chọn xilanh tiêu chuẩn SMC mã MDBB100-1000Z-A93L có đường kính piston $D = 100$ mm và chiều dài hành trình 1000 mm (đáp ứng độ sâu thùng chứa 500 mm và khoảng không gian nâng hạ an toàn 500 mm). Chuyển vị rung động khi hãm dừng tịnh tiến được khống chế trong ngưỡng 0,1 mm.

2. Động học cụm băng tải và cơ chế phân làn:

   • Năng suất công nhân đạt 625 chi tiết trong 6 phút (tương đương $n_{sp} = 1,736$ sản phẩm/giây). Hệ thống máy thiết kế đặt mục tiêu năng suất gấp 4 lần công nhân, tương đương $n_m = 7$ sản phẩm/giây.
   • Cụm vận chuyển gồm: Băng tải tiếp nhận dạng xích ($1500 \times 800$ mm) chạy tốc độ chậm để giảm xung lực rơi; Băng tải phân làn dạng nhựa modun 100A ($2000 \times 800$ mm); Băng tải hồi lưu phôi thừa ($1600 \times 400$ mm) chạy ngược chiều.
   • Băng tải phân làn được chia thành 2 làn chuyển động. Với khoảng cách giữa các tâm vòng bi giả định là $1,2 \cdot OD$, số lượng sản phẩm trên một làn dài 3500 mm là 104 sản phẩm. Vận tốc yêu cầu của băng tải tính toán sơ bộ trên 1 làn là $V_{ct} = 235,57$ mm/s; khi phân tải đều trên 2 làn song song, vận tốc làm việc yêu cầu giảm còn $V_{ct} = 117,785$ mm/s.
   • Thời gian để 104 sản phẩm di chuyển hết chiều dài băng là 29,7 giây; thời gian để hoàn thành toàn bộ mẻ 625 sản phẩm là 178,48 giây. Với sức chứa 560 vòng bi/lần hút, hệ thống thực hiện 2 chu trình nâng hạ với thời gian chu kỳ định mức là 89,24 giây/lần.
   • Dẫn động băng tải sử dụng động cơ giảm tốc Q2E-71-M4DV kết hợp biến tần Siemens 6SL3210-5BB17-5BV1, gối đỡ vòng bi SKF UCF 206, đĩa xích 2082B14 và xích tải công nghiệp C2082.

3. Cơ cấu san phẳng bề mặt:

   • Do quy luật rơi tự do vào thùng chứa tạo thành khối chất đống dạng chóp tam giác, nhóm thiết kế cụm cơ cấu thanh san dẫn động bởi xilanh khí nén kết hợp trục vít me. Thanh san gạt phẳng các lớp vòng bi nhô cao, ngăn chặn hiện tượng tràn phôi ra ngoài thành thùng $600 \times 600 \times 200$ mm.

4. Chế tạo mô hình thực nghiệm thu nhỏ:

   • Để kiểm chứng nguyên lý hoạt động trước khi sản xuất công nghiệp, nhóm tác giả gia công mô hình vật lý thu nhỏ: Khung máy hàn định hình; Cơ cấu nâng sử dụng xilanh khí nén MAL25x200-CA kết hợp nam châm điện LS-P80/38; Băng tải kích thước $700 \times 200$ mm; Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS10P1 PNP; Dẫn động thanh gạt bằng động cơ bước SGD42-60 kèm driver; Hệ thống điều khiển tích hợp mạch Arduino, mạch rơle 4 kênh, mạch cách ly quang Opto PC817 và mạch tăng áp DC-DC Boost XL6019 5A V2 cấp nguồn tổ ong AC-DC.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng giải pháp tự động hóa vào dây chuyền sản xuất vòng bi trong bối cảnh công nghiệp 4.0. Tác giả phân tích hiện trạng sản xuất tại Công ty Schaeffler Việt Nam, nơi công đoạn định lượng vòng bi trước khi gia nhiệt vẫn làm thủ công, tiêu tốn 3 nhân công và năng suất thấp. Từ đó, xác định mục tiêu thiết kế máy bán tự động thay thế sức người, chỉ cần 1 nhân công vận hành; xác lập đối tượng nghiên cứu là các mã vòng bi đường kính ngoài dưới 30 mm và phạm vi xử lý trên các thùng chứa tiêu chuẩn ($600 \times 800 \times 500$ mm và $600 \times 600 \times 200$ mm). Chương 1 cũng nêu rõ ý nghĩa khoa học trong việc vận dụng kiến thức đại học vào thực tiễn và ý nghĩa kinh tế trong việc cắt giảm chi phí sản xuất, đảm bảo an toàn lao động.

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương 2 tổng thuật các công nghệ hiện đại trong ngành sản xuất vòng bi trên thế giới (với các thương hiệu lớn như NSK, NTN, JTEKT, NACHI của Nhật Bản; FAG, INA của tập đoàn Schaeffler, Đức), bao gồm máy ép vòng bi thủy lực, máy đóng vòng bi tích hợp kiểm tra tự động và máy gia nhiệt. Tiếp đó, tác giả khảo cứu các công trình nghiên cứu về máy định lượng: trong nước mới chỉ có máy đếm viên thuốc, máy đếm và đóng gói sản phẩm tiêu dùng; ngoài nước có các hệ thống công nghiệp tiên tiến như Bottle counter miho FZ2 hay The KCS-C Conveyor Counting System. Tác giả chỉ ra lỗ hổng công nghệ: chưa có nghiên cứu hoặc thiết bị chuyên dụng nào phục vụ việc định lượng tự động cho phôi vòng bi kim loại. Cuối chương, nhóm đề xuất cấu hình kỹ thuật của máy BKBULK gồm 3 cụm: Cơ cấu hút, cụm băng tải và cơ cấu san.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Chương 3 xây dựng nền tảng tính toán cho toàn bộ thiết bị. Trọng tâm gồm có:

• Nguyên lý hoạt động và phân loại bộ đếm điện tử (bộ đếm đồng bộ và không đồng bộ).
• Hiện tượng từ trường của nam châm điện ứng dụng trong việc hút giữ kim loại có từ tính.
• Các cơ cấu chuyển động cơ bản: xilanh khí nén, bộ truyền xích, bộ truyền đai, trục vít me - đai ốc, thanh trượt và băng chuyền.
• Phương pháp tính toán cơ học: sức bền thanh giàn, nội lực trục, ma sát trượt và chọn công suất động cơ.
• Tra cứu thông số kỹ thuật các chi tiết thương mại phục vụ thiết kế: nam châm CNZYEM, xilanh SMC MDBB100-1000Z-A93L, con trượt HIWIN, con trượt LMK, giá đỡ trục C-SHFMQ25, đĩa xích 2082B14, xích C2082, biến tần 6SL3210-5BB17-5BV1, gối đỡ SKF UCF 206, khớp nối DCD, băng tải nhựa 100A, xilanh chặn CXSM10-30, cảm biến quang Keyence FU-77TZ, động cơ servo Panasonic MSMD022S41N và driver MADHT1507.

Chương 4: Phương hướng và phương pháp giải quyết

Chương này cụ thể hóa các số liệu đầu vào và phân tích lựa chọn phương án thiết kế tối ưu thông qua Bảng 4.1. Tác giả phân tích sâu về động học phôi rơi: khi xả vòng bi vào thùng đầu ra, phôi luôn có xu hướng tích tụ tạo thành hình chóp tam giác làm giảm dung tích chứa thực tế. Nhóm bác bỏ phương án can thiệp quỹ đạo rơi do tính phức tạp, thay vào đó chọn giải pháp cơ cấu san gạt cơ học trên miệng thùng. Chương 4 cũng công bố quy trình và tiến độ thực hiện đề tài gồm 6 giai đoạn trải dài trong 16 tuần: từ nghiên cứu dữ liệu, thiết kế tính toán kết cấu, hoàn thiện khung máy, lập tập bản vẽ kỹ thuật, chế tạo mô hình thu nhỏ đến viết báo cáo tổng kết.

Chương 5: Tính toán thiết kế

Đây là chương nội dung kỹ thuật trọng tâm của đồ án với hệ thống số liệu tính toán chi tiết:

• Xác định năng suất mục tiêu đạt $n_m = 7$ sản phẩm/giây (gấp 4 lần thao tác tay của công nhân).
• Thiết lập vận tốc làm việc của băng tải phân làn đạt $V_{ct} = 117,785$ mm/s.
• Tính toán lực nâng hạ của xilanh cơ cấu hút: tải trọng nguy hiểm khi hút 2 lớp phôi là $P_T = 2081,52$ N, từ đó tính ra đường kính nòng xilanh lý thuyết là 72,82 mm và quyết định chọn xilanh SMC tiêu chuẩn đường kính 100 mm, hành trình 1000 mm.
• Bố trí ma trận 176 nam châm điện ZYE-P40/20 trên giàn khung Inventor nặng 48,4 kg, đảm bảo khả năng hút 560 vòng bi/lớp.
• Tính toán động học chống rung lắc cho cụm tịnh tiến ngang, kiểm tra chuyển vị cực đại dưới 0,1 mm bằng biểu đồ nhân Vereshchagin.
• Kiểm nghiệm ứng suất uốn, xoắn của trục chủ động băng tải xích $1500 \times 800$ mm và băng tải nhựa $2000 \times 800$ mm; tính toán cơ cấu thanh gạt san phẳng điều khiển bằng xilanh.

Chương 6: Thiết kế mạch điện

Chương 6 trình bày thiết kế hệ thống điều khiển điện cho máy công nghiệp: sơ đồ đấu nối cảm biến đếm quang học FU-77TZ và cảm biến từ TL-Q5MB1_203; sơ đồ điều khiển van điện từ khí nén đóng mở xilanh nâng hạ và xilanh phân làn; cấu hình mạch biến tần Siemens điều khiển tốc độ động cơ băng chuyền; các khối rơle bảo vệ quá tải và mạch dừng khẩn cấp (Emergency Stop).

Chương 7: Gia công mô hình

Chương 7 mô tả quá trình chế tạo mô hình thực nghiệm tỷ lệ thu nhỏ để minh chứng hoạt động của máy BKBULK. Các nội dung bao gồm: chế tạo kết cấu khung cơ khí; gá đặt xilanh khí nén MAL25x200-CA và cụm nam châm điện LS-P80/38; lắp ráp băng chuyền mini $700 \times 200$ mm; kết nối cảm biến tiệm cận hồng ngoại E3F-DS10P1 PNP; lập trình điều khiển chuyển động động cơ bước SGD42-60 thông qua vi điều khiển Arduino kết hợp mạch công suất Opto PC817, biến áp tăng áp XL6019 và nguồn tổ ong AC-DC; thử nghiệm chạy máy và hoàn thiện hộp tủ điện điều khiển.

Chương 8: Hướng cải tiến

Chương cuối cùng tổng kết các điểm cần nâng cấp cho hệ thống: hoàn thiện kết cấu cơ khí cụm thanh san để hoạt động linh hoạt hơn với nhiều biên dạng phôi; nâng cấp thuật toán điều khiển để đồng bộ hóa hoàn toàn giữa tốc độ xả của băng tải hồi lưu và băng tải cấp liệu; mở rộng khả năng tiếp nhận nhiều dải kích thước vòng bi khác nhau trên cùng một dây chuyền.

Kết quả và đóng góp

Về kết quả kỹ thuật, đồ án đã hoàn thành các chỉ tiêu định lượng:

• Thiết kế hoàn chỉnh mô hình máy định lượng vòng bi công nghiệp đạt năng suất tính toán 7 sản phẩm/giây, cao gấp 4 lần so với thao tác thủ công của công nhân ($1,736$ sản phẩm/giây).
• Chu trình định lượng cho một thùng 625 chi tiết được rút ngắn xuống còn 178,48 giây (khoảng 3 phút), giảm một nửa thời gian so với mức 6 phút của quy trình thủ công truyền thống.
• Cắt giảm số lượng nhân công vận hành từ 3 người xuống còn 01 người phụ trách điều khiển bán tự động.
• Giải quyết triệt để vấn đề phôi kim loại bị biến dạng hoặc móp méo bằng giải pháp hút êm bằng từ trường nam châm điện thay cho phương án đổ rót cơ học.
• Triển khai thành công cơ cấu san phẳng phôi dạng thanh gạt dẫn động phối hợp, triệt tiêu hiện tượng dồn ứ phôi hình chóp tam giác tại thùng thành phẩm.
• Chế tạo thành công mô hình vật lý thu nhỏ chứng minh tính khả thi của nguyên lý hút mảng, phân 2 làn và đếm tự động bằng cảm biến.

Về mặt giải pháp, đồ án đề xuất giải pháp kỹ thuật kết hợp liên hoàn giữa cụm hút phôi bằng ma trận nam châm điện, cụm 3 băng tải phối hợp tốc độ (chống sốc quán tính ở đầu tiếp nhận và hồi lưu phôi thừa) cùng cơ cấu san phẳng cơ điện tử. Đóng góp nổi bật của đề tài là việc đặt nền móng nghiên cứu và thiết kế hệ thống máy định lượng tự động chuyên dụng cho ngành sản xuất chi tiết vòng bi cơ khí tại Việt Nam – một phân khúc trước đây chưa có công trình nghiên cứu hay thiết bị thương mại chuyên biệt trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế chính của đồ án thể hiện ở phạm vi nghiên cứu và mức độ triển khai:

• Hệ thống tính toán chỉ mới áp dụng cho dòng phôi vòng bi có đường kính ngoài tối đa 30 mm (khảo sát trực tiếp trên mã IR.204-12-Y-4046), chưa mở rộng cho các chủng loại vòng bi cỡ lớn hoặc vòng bi có kết cấu đặc thù.
• Sản phẩm chế tạo dừng lại ở mức độ mô hình thu nhỏ phục vụ kiểm nghiệm nguyên lý hoạt động tại phòng thí nghiệm, chưa chế tạo máy thực tế tỷ lệ 1:1 trong điều kiện môi trường công nghiệp của nhà máy Schaeffler.
• Cụm cơ cấu san phẳng bề mặt thùng đầu ra vẫn cần tiếp tục tối ưu hóa về mặt động học để thích ứng khi tốc độ cấp phôi thay đổi đột ngột.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả vạch ra gồm:

• Tiến hành gia công chế tạo hoàn chỉnh máy định lượng tỷ lệ 1:1 theo đúng các thông số tính toán ở Chương 5.
• Tối ưu hóa thuật toán điều khiển và tích hợp hệ thống camera xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) thay thế hoặc hỗ trợ cho cảm biến quang, nhằm kiểm tra thêm các khuyết tật bề mặt vòng bi trong lúc định lượng.
• Nghiên cứu cơ chế tự động cấp và thay đổi thùng chứa đầu vào/đầu ra để tiến tới hệ thống tự động hóa hoàn toàn (Full-automation).

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp này là tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ khí Chế tạo máy, Cơ điện tử và Kỹ thuật Tự động hóa. Báo cáo cung cấp tài liệu tham khảo trực tiếp cho các đề tài nghiên cứu liên quan đến máy cấp phôi tự động, hệ thống định lượng sản phẩm rời dạng kim loại, và dây chuyền tự động hóa khâu gia nhiệt sản phẩm cơ khí.

Phần nội dung đáng tham khảo nhất trong công trình là Chương 4 và Chương 5. Tại đây, phương pháp luận tính toán lực kéo xilanh khí nén có tính đến hệ số an toàn khi hút kép, phương pháp bố trí ma trận nam châm điện phân bố đều lực từ, và quy trình tính toán động học chia làn băng tải được trình bày mạch lạc, có kèm theo sơ đồ phân tích lực và bảng kiểm nghiệm biến dạng kết cấu bằng phần mềm kỹ thuật số.

Câu hỏi thường gặp

1. Kích thước thùng chứa và thông số vòng bi mẫu được sử dụng để tính toán trong đồ án là bao nhiêu? Trong đồ án, thùng chứa dữ liệu đầu vào có kích thước $600 \times 800 \times 500$ mm, thùng thành phẩm đầu ra có kích thước $600 \times 600 \times 200$ mm. Chi tiết vòng bi mẫu được tính toán đại diện là mã IR.204-12-Y-4046 của Công ty Schaeffler Việt Nam, có đường kính ngoài $OD = 27,86$ mm và khối lượng $0,12$ kg/chi tiết (phạm vi tính toán áp dụng cho vòng bi có đường kính ngoài tối đa 30 mm).

2. Tại sao nhóm tác giả lựa chọn xilanh khí nén thay vì bộ truyền xích hoặc trục vít me cho cơ cấu hút vòng bi? Ban đầu nhóm khảo sát phương án dùng bộ truyền xích cho chuyển động nâng hạ đứng và trục vít me - servo cho chuyển động tịnh tiến ngang. Tuy nhiên, bộ truyền xích đòi hỏi chi phí bảo dưỡng thường xuyên và cần nhiều tấm che bảo vệ; trục vít me kết hợp động cơ servo làm tăng đáng kể chi phí chế tạo. Việc thay thế bằng xilanh khí nén nâng đứng kết hợp xilanh - thanh trượt dẫn hướng ngang giúp hệ thống chuyển động êm hơn, kết cấu gọn gàng, chịu lực tốt, giảm thiểu chi phí đầu tư và thuận tiện cho việc căn chỉnh, bảo trì.

3. Nguyên lý hoạt động phối hợp của cụm 3 băng tải trong máy được thiết kế như thế nào? Hệ thống sử dụng 3 băng tải phối hợp:

• Băng tải tiếp nhận ($1500 \times 800$ mm): Vận hành ở tốc độ thấp, ngắt tạm thời khi đón phôi để triệt tiêu lực quán tính rơi từ cơ cấu hút.
• Băng tải phân làn ($2000 \times 800$ mm): Chạy liên tục với vận tốc thiết kế $117,785$ mm/s, chia làm 2 làn có cảm biến đếm riêng biệt để vận chuyển phôi đến thùng ra.
• Băng tải hồi lưu ($1600 \times 400$ mm): Lắp song song và sát hai băng tải chính nhưng chuyển động theo chiều ngược lại, đưa các vòng bi bị nghẽn hoặc dư thừa trên làn cấp quay trở lại vị trí đầu chu trình.

4. Cơ cấu san phẳng trong máy có nhiệm vụ gì và giải quyết hiện tượng thực tế nào? Khi rơi tự do từ băng tải xuống thùng chứa thành phẩm, các vòng bi có xu hướng tích tụ dần và xếp chồng lên nhau thành hình chóp tam giác với đỉnh nhô cao ở trung tâm. Hiện tượng này làm giảm dung tích chứa hữu ích và dễ gây tràn vòng bi ra ngoài mép thùng. Cơ cấu san sử dụng thanh gạt dẫn động bởi xilanh khí nén và trục vít me để gạt phẳng bề mặt lớp vòng bi theo phương ngang và phương đứng, phân bố đều sản phẩm trong không gian thùng $600 \times 600 \times 200$ mm.

5. Những linh kiện và thiết bị chính nào được sử dụng để chế tạo mô hình thực nghiệm trong Chương 7? Mô hình thực nghiệm được lắp ráp từ các linh kiện: xilanh khí nén MAL25x200-CA; nam châm điện LS-P80/38; băng tải mini kích thước $700 \times 200$ mm; cảm biến tiệm cận hồng ngoại E3F-DS10P1 PNP; động cơ bước SGD42-60 kèm driver điều khiển; vi điều khiển lập trình Arduino; mạch rơle 4 kênh; mạch cách ly quang Opto PC817; mạch tăng áp DC-DC Boost XL6019 5A V2 và bộ nguồn tổ ong chuyển đổi AC-DC.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế chế tạo mô hình máy định lượng vòng bi BKBULK" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán tự động hóa một công đoạn sản xuất thủ công còn tồn đọng tại Công ty Schaeffler Việt Nam. Bằng việc phối hợp cơ cấu hút bằng mảng nam châm điện, cụm băng tải phân làn linh hoạt và cơ cấu san phẳng phôi, hệ thống đạt năng suất tính toán 7 sản phẩm/giây, giúp cắt giảm 2 nhân công trực tiếp và rút ngắn một nửa thời gian làm việc trên mỗi chu trình mẻ. Kết quả tính toán kết cấu cơ khí, mô phỏng nội lực và chế tạo mô hình thu nhỏ thành công đã khẳng định tính đúng đắn về mặt khoa học cũng như khả năng ứng dụng thực tiễn của đề tài trong sản xuất công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài Việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa và hệ thống tự động hóa nhà máy sản xuất là xu hướng tất yếu hiện nay, nó tạo ra sự đột phá và mang lại hiệu quả to lớn cho các nhà máy, đó là yếu tố sống còn trong thị trường mở và toàn cầu hóa hiện nay. Các doanh nghiệp không chỉ cạnh tranh trong nước mà còn cạnh tranh với các doanh nghiệp nước ngoài, một trong những giải pháp để cạnh tranh là cải tiến sản xuất và ứng dụng các giải pháp tự động hóa vào hoạt động sản xuất để tăng năng suất và sản lượng sản phẩm. Hiện nay tại các doanh nghiệp vừa và nhỏ họ cần các hệ thống tự động hóa không quá lớn nhưng vẫn đảm bảo được năng suất. Những hệ thống tự động hóa có trên thị trường thường có công suất lớn và giá thành rất cao so với các doanh nghiệp vừa và nhỏ mặc khác các hệ thống tự động hóa trôi nỗi trên thị trường thường không phù hợp với yêu cầu với doanh nghiệp.

Ở Việt Nam một số doanh nghiệp cung ứng tự động hóa thường chỉ cung cấp cho các doanh nghiệp lớn vì những nơi đó thường có công suất rất lớn và cấu tạo phức tạp. Việc trang bị một hệ thống chuyên dụng cho một khâu thường rất tốn kém, đòi hỏi chi phí đầu tư lớn nhưng lại không phù hợp với những sản phẩm khác nhau. Trong lĩnh vực chế tạo vòng bi cũng vậy, Công Ty Schaeffler Việt Nam hiện tại việc định lượng vòng bi trước khi gia nhiệt vẫn còn làm bằng tay, tốn hơn 3 nhân công cho một chu trình làm việc, và năng suất làm việc thấp vì thế đề tài “ THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY ĐỊNH LƯỢNG VÒNG BI BKBULK “ là rất cần thiết để giải quyết vấn đề về nhân công và năng suất.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.1 Ý nghĩa khoa học ➢ Tạo điều kiện, tiền đề cho người nghiên cứu áp dụng các kiện thức, kỹ năng đã học và tập vào đời sống thực tiễn. ➢ Làm tài liệu tham khảo cho việc thực hiện máy định lượng vòng bi BKBULK sau này.2 Ý nghĩa thực tiễn Giúp nâng cao năng suất làm việc, giảm được chi phí vật chất trong quá trình sản xuất.

Góp phần nâng cao an toàn lao động.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài ➢ Tổng hợp kiến thức đã học áp dụng vào việc thiết kế và tính toán. ➢ Thay thế nhân công bằng hệ thống máy móc bán tự động 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ➢ Làm nguồn tài liệu tham khảo cho công ty sau này cho việc chế tạo máy định lượng vòng bi BKBULK. ➢ Thiết kế cơ cấu máy và hiểu được nguyên lý hoạt động. Lựa chọn các chi tiết cơ cấu phù hợp với nguyên lý hoạt động của máy từ sách và Internet.

➢ Tính toán và hoàn chỉnh thiết kế cho “Máy định lượng vòng bi BKBULK”.4 Đối tượng nghiên cứu Các loại vòng bi trong công ty Schaeffler Việt Nam.5 Phạm vi nghiên cứu Vòng bi có kích thước đường kính ngoài lớn nhất 30 mm 2 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu Hiện nay trên thế giới nói chung và Việt nam nói riêng các doanh nghiệp, nhà máy đã dần cải tiến các công đoạn sản xuất của họ bằng các trang thiết bị tự động và bán tự động. Đối với quá trình sản xuất vòng bi cũng vậy, các công đoạn sản xuất từ gia công đến lắp ráp đều có sự hỗ trợ của các thiết bị máy móc để tăng năng suất sản xuất và độ chính xác của vòng bi. Một số công ty sản xuất nổi tiếng của Nhật bao gồm NSK, NTN, JTEKT và NACHI đã sản xuất ra các vòng bi có độ chính xác cao. Ở Đức, thương hiệu FAG và INA của tập đoàn Schaeffler là những thương hiệu vòng bi nổi tiếng trên toàn thế giới.

Một số dạng máy hỗ trợ sản xuất vòng bi như: ➢ Máy ép vòng bi thủy lực Hình 2.1: Máy ép vòng bi thủy lực 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ➢ Máy đóng vòng bi Hình 2.2: Máy đóng vòng bi kết hợp hệ thống kiểm tra tự động ➢ Máy gia nhiệt Hình 2.3: Máy gia nhiệt vòng bi Có thể nhìn thấy đa số các công đoạn sản xuất vòng bi đã có sự hộ trợ của máy móc, nhưng vẫn còn tồn động một số công đoạn còn phải dùng cách làm truyền thống để thực hiện, điển hình như việc sắp xếp và định lượng số vòng bi vào thùng để đi gia nhiệt, công đoạn này rất mất thời gian và tốn nhiều nhân công vì thế nhóm đã lên ý tưởng tự động hóa cho quá trình này qua đề tài tốt nghiệp “THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY ĐỊNH LƯỢNG VÒNG BI BKBULK” 2.2 Đặc tính kỹ thuật của máy Để bán tự động quá trình định lượng vòng bi, máy định lượng vòng bi BKBUKL cần phải có các đặc tính kỹ thuật. ➢ Tiếp nhận vòng bi đầu vào 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ➢ Vận chuyển từ điểm nhận vòng bi đến vị trí đầu ra ➢ Kiểm soát được số lượng vòng bi, định lướng đúng số lượng vòng bi theo từng loại vòng bi ➢ Là hệ thống máy bán tự động chỉ cẩn 1 người vận hành cho cả quá trình. ➢ Đảm bảo độ an toàn 2.3 Kết cấu của máy Kết cấu máy bao gồm 3 cụm chính: ➢ Cơ cấu hút vòng bi ➢ Băng tải ➢ Cơ cấu san 2.4 Các nghiên cứu về máy định lượng 2.1 Các nghiên cứu trong nước Hiện nay tại Việt nam đã có rất nhiều máy đếm sản phẩm cùng nguyên lý đếm với máy định lượng vòng bi nhưng áp dụng cho các sản phẩm khác, còn vòng bi thì vẫn chưa có nghiên cứu hay máy móc áp dụng cho vòng bi. Một số máy trong nước liên quan đến tính năng đếm sản phẩm .4: Máy đếm viên và đóng gói tự động 5 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Hình 2.5: Máy đếm viên thuốc tự động 2.2 Các nghiên cứu ngoài nước Hiện nay trên thế giới đặc biệt các nước Châu Âu các máy móc hay nghiên cứu về đếm sản phẩm rất phổ biến trong những nhà máy đặc biệt các nhà máy doanh nghiệp sản xuất về lĩnh vực hàng tiêu dùng.6: Bottle counter miho FZ2 6 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI Hình 2.7: The KCS-C Conveyor Counting System with a hopper, scanning station and batch-creation stopping fingers 7 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.1 Cơ sở hình thành nguyên lý hoạt động của máy 3.1 Bộ đếm(Counter) Máy định lượng vòng bi BKBULK chức năng chính là hỗ trợ xác định số lượng vòng bi theo từng loại vòng bi.

Để máy có thể đếm được số lượng vòng bi thì cần trang bị bộ đếm cho máy. Khái niệm: Bộ đếm là thiết bị cơ học hoặc điện tử, được sử dụng để đếm và ghi nhớ số lượng các vật thể, tần số hoặc thời gian. Cấu tạo bộ đếm: ➢ Màn hình hiển thị ➢ Khu vực cài đặt ➢ Các mạch bên trong đếm số lượng tín hiệu đầu vào, xử lý và xuất tín hiệu đầu ra. Các loại bộ đếm: Bộ đếm được chia thành 2 loại chính: ➢ Bộ đếm đồng bộ (Synchronous Counter) ➢ Bộ đếm không đồng bộ (Asynchronous Counters).

Ứng dụng bộ đếm: Bộ đếm được sử dụng để theo dõi số lượng sản phẩm được sản xuất trong một dây chuyền sản xuất hoặc thậm chí trong một nhà máy. Ngoài ra, bộ đếm còn được sử dụng để thu thập dữ liệu, giám sát từ xa, hệ thống tự động hóa.2 Nam châm điện ➢ Khái niệm: là dụng cụ tạo từ trường hay một nguồn sản sinh từ trường hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua. ➢ Ứng dụng vào hệ thống máy: dựa vào qui mô và kích thước của máy, khối lượng vòng bi để lựa chọn nam châm điện phù hợp áp dụng vào máy.3 Các cơ cấu chuyển động trong máy Các cơ cấu chuyển động có thể áp dụng vào Máy định lượng vòng bi BKBUKL : ➢ Xilanh ➢ Bộ truyền xích ➢ Bộ truyền đai ➢ Vit-me đai ốc ➢ Thanh trượt ➢ Băng tải 8 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các cơ cấu được xem xét tối ưu dựa vào các chức năng của các cơ cấu để chọn để áp dụng vào cơ cấu chuyển động của máy.2 Cơ sở kiến thức tính toán cho máy Áp dụng các kiến thức đã học trong môn “Nguyên lí chi tiết máy” để tính toán các chuyển động trong máy: ➢ Chuyển động vit-me đai ốc ➢ Chuyển động trục vít ➢ Chuyển động của bộ truyền xích ➢ Vận tốc băng tải ➢ Công suất động cơ… Áp dụng các kiến thức đã học trong những môn “ Cơ kỹ thuật”, “Sức bền vật liệu”, để tính bền cho khung máy chụi tải trọng. Áp dụng các kiến thức của các môn “Dung sai kỹ thuật đo”, “Cơ sở công nghệ chế tạo máy”, “Công nghệ chế tạo máy”, để chọn được các mối lắp cho trục động cơ, lắp then…, dung sai kích thước, dung sai hình học, chuẩn lắp ráp, công nghệ gia công các chi tiết trong máy.3 Các phần mềm hỗ trợ Các phần mềm hỗ trợ cho việc tính toán thiết kế và mô phỏng máy như: ➢ INVENTOR ➢ AUTOCAD ➢ MD SOLID ➢ PHẦN MỀM LẬP TRÌNH ARDUINO ➢ CADSIMU.

9 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 3.4 Các cơ cấu tham khảo Hình 3.1: Băng tải phân làn Hình 3.2: Băng tải gắn bộ đếm có màn hình LED 10 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.3: Cơ cấu xilanh lấy sản phẩm 3.5 Các chi tiết tham khảo Hình 3.4: Thông số nam châm điện CNZYEM 11 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.5: Thông số kỹ thuật xilanh SMC mã MDBB100-1000Z-A93L Hình 3.6: Thông số con trượt của HIWIN 12 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.7: Thông số co trượt LMK Hình 3 8: Thông số giá đỡ trục C-SHFMQ25 Hình 3.9: Thông số đĩa xích 2082B14 13 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.10: Thông số xích C2082 Hình 3.11: Biên dạng băng tải xích Hình 3.12: Thông số biến tần 6SL3210-5BB17-5BV1 14 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.13: Thông số gối đỡ SKF UCF 206 Hình 3.14: Thông số khớp nối DCD 15 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.15: Thông số băng tải nhựa 100A Hình 3.16: Thông số xilanh CXSM10-30 16 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.17: Thông số cảm biến FU-77TZ Hình 3.18: Thông số kỹ thuật Động cơ servo MSMD022S41N 17 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.19: Thông số kỹ thuật driver MADHT1507 Hình 3.20: Khớp nối CBJRW70 18 CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 3.