Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong dây chuyền công nghệ gia công vật liệu polyme bằng phương pháp ép phun, chất lượng của sản phẩm nhựa cũng như năng suất vận hành của máy ép phụ thuộc rất lớn vào chế độ nhiệt của khuôn ép. Việc gia nhiệt sơ bộ và duy trì nhiệt độ đồng đều trên bề mặt lòng khuôn trước khi tiến hành chu kỳ phun nhựa giúp dòng nhựa nóng chảy điền đầy lòng khuôn dễ dàng hơn, triệt tiêu ứng suất dư, giảm thiểu các khuyết tật co ngót, biến dạng và tăng độ bóng bề mặt cho sản phẩm. Đồng thời, quá trình gia nhiệt này đòi hỏi phải được tự động hóa đồng bộ với chu trình đóng – mở khuôn của máy ép để loại bỏ thao tác thủ công nguy hiểm của công nhân trong vùng kẹp khuôn, rút ngắn chu kỳ sản xuất và khai thác tối đa công suất máy.

Trước yêu cầu thực tiễn đó, đề tài tốt nghiệp được thực hiện nhằm giải quyết các tồn tại kỹ thuật từ mô hình tay máy gia nhiệt thử nghiệm do nhóm sinh viên khóa trước chế tạo tại xưởng thực hành. Qua khảo sát thực tế, mô hình tiền nhiệm bộc lộ nhiều nhược điểm nghiêm trọng: độ cứng vững cơ khí thấp, rung động lớn khi chuyển động, độ chính xác định vị và tốc độ vận hành chưa đáp ứng được yêu cầu công nghệ, đặc biệt là kích thước hành trình trục vươn ngang (trục X) bị giới hạn ở mức 820 mm, không đủ chiều dài để đưa bộ phận gia nhiệt vào đúng vị trí tâm khuôn của máy ép phun công nghiệp. Do đó, nhóm nghiên cứu đặt trọng tâm vào việc tái thiết kế toàn diện, gia công chế tạo một cánh tay máy gia nhiệt hoàn toàn mới với kích thước hành trình trục X nâng lên 1100 mm và tối ưu hóa hệ thống truyền động cơ khí.

Theo phiếu giao nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ngày 01/08/2016, các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể được xác lập bao gồm:

  1. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình tay máy gia nhiệt ba bậc tự do tự động hóa theo ba phương chuyển động, phù hợp với không gian làm việc của máy ép phun nhựa.
  2. Tìm hiểu lý thuyết về robot công nghiệp và lựa chọn phương án cấu trúc động học tối ưu cho nhiệm vụ gia nhiệt khuôn.
  3. Đo đạc các thông số hình học, không gian lắp đặt thực tế trên máy ép phun tại xưởng.
  4. Gia công sửa đổi, kéo dài kích thước hành trình làm việc của trục X từ 820 mm lên 1100 mm.
  5. Tính toán động lực học, lựa chọn thông số động cơ servo và hệ trục vitme bi cho từng trục chuyển động.
  6. Thiết kế và tính toán thông số kỹ thuật bộ truyền đai răng giảm tốc cho các trục của tay máy.
  7. Thiết kế, gia công đồ gá lắp đặt hệ thống cảm biến vị trí và công tắc hành trình.
  8. Thiết kế hệ thống đường dây cấp nguồn động lực, dây dẫn tín hiệu cảm biến và hệ thống ống dẫn khí nén.
  9. Lắp ráp cơ khí sơ bộ, vận hành thử nghiệm và hiệu chỉnh sai lệch chuyển động.
  10. Thiết kế, chế tạo vỏ bao che bảo vệ cơ cấu; xử lý bề mặt bằng công nghệ sơn tĩnh điện và anode hóa nhôm.
  11. Nâng cấp thùng điện điều khiển: chế tạo vỏ che kín, bố trí phích cắm nối dây gián tiếp công nghiệp và nhãn ký hiệu chức năng.
  12. Xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh, xuất tập bản vẽ kỹ thuật 2D và hoàn thành tập thuyết minh đồ án.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ cấu cánh tay máy công nghiệp ba bậc tự do kiểu tọa độ vuông góc (Cartesian robot) phục vụ chức năng mang đầu gia nhiệt cho khuôn máy ép phun nhựa.
  • Phạm vi không gian: Khảo sát thực nghiệm trên máy ép phun nhựa thực tế tại xưởng thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và tham khảo quy trình công nghệ tại Công ty TNHH Thế Hải.
  • Phạm vi thời gian: Đề tài được triển khai thực hiện từ ngày 10/02/2016 đến ngày 17/08/2016.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án dựa trên nền tảng cơ học máy, kỹ thuật robot công nghiệp và phương pháp tính toán thiết kế chi tiết máy truyền thống:

  • Lý thuyết phân loại robot công nghiệp: Hệ thống hóa robot theo không gian làm việc hình học (tọa độ vuông góc Cartesian, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot khớp bản lề SCARA); theo 5 thế hệ phát triển (thế hệ 1 điều khiển vòng hở với cam và cữ hành trình, thế hệ 2 có cảm biến điều khiển kín, thế hệ 3 tích hợp thị giác máy, thế hệ 4 điều khiển thích nghi, thế hệ 5 tích hợp trí tuệ nhân tạo và mạng nơ-ron); theo cấu trúc điều khiển (điều khiển vòng hở dùng PLC hoặc vi bước, điều khiển vòng kín dùng động cơ servo).
  • Phương pháp tính toán trục vitme bi: Dựa trên cẩm nang lựa chọn vitme bi (Ball Screw Catalog – BSC). Tính toán bước vít $l = V_{max} / N_{max}$ dựa trên vận tốc dài lớn nhất và tốc độ quay động cơ; thiết lập phương trình xác định lực dọc trục $F_a$ trong hai trạng thái làm việc (cơ chế di chuyển ngang chịu ma sát và cơ chế di chuyển dọc thẳng đứng chịu tải trọng bản thân); tính toán tải trọng tương đương theo các dạng biến thiên lực (từng cấp, tuyến tính, dạng hàm sin); xác định tải trọng tĩnh định mức $C_0$, tải trọng động định mức $C_a$, tốc độ quay tới hạn tránh cộng hưởng uốn, tải trọng mất ổn định dọc trục, sai số vị trí do giãn nở nhiệt $\Delta L_0 = \alpha \cdot \Delta t \cdot L$, momen xoắn phát động, momen cản ma sát và ứng suất tương đương theo thuyết bền von Mises: $\sigma_{max} = \sqrt{\sigma^2 + 3\tau^2}$.
  • Phương pháp tính toán bộ truyền đai răng: Sử dụng tài liệu chuyên ngành "Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí" (TTTKHDĐCK tập I). Bộ truyền đai răng cao su nhân tạo poliauretan cốt sợi kim loại được tính toán xác định modun ăn khớp $m = 35 \sqrt[3]{P_1 / n_1}$, bề rộng đai $b = \psi_d \cdot m$, khoảng cách trục $a$, số răng ăn khớp trên bánh đai nhỏ $Z_0$, lực căng ban đầu $F_0$ và kiểm nghiệm lực vòng riêng trên đai $q_v \le [q_v]$.
  • Phương pháp tính toán ray dẫn hướng con trượt bi: Xác định tải trọng tĩnh danh nghĩa $C_0$, momen tĩnh cho phép $M_0$, hệ số an toàn tĩnh $f_s$, tải trọng động danh nghĩa $C$ và tuổi thọ danh nghĩa $L$ (theo quãng đường dịch chuyển và số giờ làm việc $L_h$) dựa trên các hệ số tải trọng $f_w$, hệ số nhiệt độ $f_T$, hệ số độ cứng ray dẫn hướng $f_H$ và hệ số ma sát lăn của con trượt bi đạt từ 0,002 đến 0,003.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được kết hợp đồng bộ:

  • Phương pháp nghiên cứu tài liệu và tiêu chuẩn kỹ thuật: Thu thập, tổng hợp các tài liệu kỹ thuật chuyên khảo trong và ngoài nước về robot học, catalog tiêu chuẩn của các hãng chế tạo vitme, ray trượt bi công nghiệp.
  • Phương pháp tính toán giải tích cơ học: Thiết lập hệ thống công thức giải tích xác định chính xác lực tác dụng, momen quán tính quy đổi và công suất truyền động cho từng trục riêng biệt.
  • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng số: Ứng dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình không gian 3D, kiểm tra va chạm động học giữa các cụm chuyển động và xuất bản vẽ chế tạo; ứng dụng công cụ mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) để phân tích phân bố ứng suất và chuyển vị biến dạng của tay máy ngang và các tấm liên kết dưới tác dụng của tải trọng làm việc.
  • Nguồn dữ liệu: Kích thước hình học và hành trình kẹp khuôn đo đạc trực tiếp từ máy ép phun nhựa; thông số tải trọng và độ cứng vững tra cứu từ catalog nhà sản xuất vitme bi, thanh trượt; dữ liệu vận hành từ nguyên mẫu tay máy thử nghiệm trước đó.

Thiết kế và triển khai

Cánh tay máy gia nhiệt được thiết kế theo cấu trúc robot tọa độ vuông góc ba bậc tự do tịnh tiến trực giao (Cartesian X-Y-Z):

  • Cụm trục Y: Đóng vai trò là hệ trục cơ sở mang toàn bộ hệ thống tay máy, thực hiện chuyển động tịnh tiến dọc theo thân máy ép phun.
  • Cụm trục X: Lắp đặt vuông góc với trục Y, thực hiện hành trình vươn ngang đưa cơ cấu gia nhiệt tiến sâu vào khoảng hở giữa hai nửa khuôn ép khi khuôn mở.
  • Cụm trục Z: Bố trí theo phương thẳng đứng gắn ở đầu cần trục X, mang cụm cấp nhiệt di chuyển lên xuống để tiếp cận bề mặt lòng khuôn ở cự ly truyền nhiệt tối ưu.

Trước khi tiến hành chế tạo, nhóm tác giả đã xây dựng và phân tích kỹ thuật giữa hai phương án bố trí hệ thống:

Tiêu chí so sánh Phương án 1: Bố trí tay máy trên bàn nâng ngoài máy ép Phương án 2: Gá đặt trực tiếp tay máy lên thân máy ép phun
Vị trí lắp đặt Đặt trên khung bàn đỡ độc lập bên cạnh thân máy ép phun. Gá bắt cố định trực tiếp lên phần cơ khí phía trên máy ép phun.
Hành trình dịch chuyển Tay máy phải vươn từ ngoài xưởng đi xuyên vào lòng khuôn máy ép. Cụm gia nhiệt chỉ dịch chuyển tịnh tiến lên xuống trực tiếp từ đỉnh khuôn.
Độ cứng vững và ổn định Kém vững chắc do liên kết qua khung đỡ rời, dễ phát sinh rung động lớn. Độ cứng vững cơ học rất cao do tận dụng trực tiếp bệ máy ép kiên cố.
Diện tích chiếm dụng Chiếm dụng nhiều diện tích mặt bằng sàn xưởng quanh máy ép. Kết cấu gọn gàng phía trên, tối ưu hóa triệt để không gian sàn sản xuất.
Thời gian chu kỳ Hành trình dịch chuyển dài làm tăng thời gian chu kỳ gia nhiệt. Rút ngắn tối đa hành trình đưa đầu nhiệt vào khuôn, tăng năng suất.
Đánh giá lựa chọn Loại bỏ do không đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và chiếm nhiều diện tích. Được lựa chọn để triển khai tính toán thiết kế và chế tạo thực tế.

Quá trình gia công chế tạo và triển khai phần cứng được thực hiện nghiêm ngặt qua các công đoạn:

  • Gia công cơ khí chính xác: Tiến hành phay, tiện, khoan và khoét lỗ định vị cho các chi tiết liên kết chịu lực quan trọng bao gồm tấm nối băng trượt trục Y, tấm nối đai ốc trục Y, tay máy ngang trục X, tấm nối băng trượt trục X, tấm nối đai ốc trục X và trục định vị trục X.
  • Nâng cấp kích thước trục X: Cắt gọt và gia công kéo dài thanh dẫn hướng và trục vitme của cụm trục X, nâng tổng chiều dài làm việc từ 820 mm lên 1100 mm, đảm bảo đầu gia nhiệt chạm tới tâm khuôn ép.
  • Công nghệ xử lý hoàn thiện bề mặt: Toàn bộ các tấm vỏ bao che bằng kim loại tấm được xử lý làm sạch và sơn tĩnh điện để tạo lớp bảo vệ chống oxy hóa công nghiệp; các chi tiết gá lắp bằng hợp kim nhôm định hình và tấm nối con trượt được xử lý qua dây chuyền anode hóa nhôm nhằm gia tăng độ cứng bề mặt, chống mài mòn và chịu được điều kiện môi trường tỏa nhiệt.
  • Nâng cấp hệ thống điện - khí nén: Thiết kế vỏ che kín cho tủ điện trung tâm; thay thế toàn bộ các mối nối dây trực tiếp bằng các giắc cắm công nghiệp dạng module đa cực; bổ sung tấm nhãn ghi chú ký hiệu chức năng cho từng cổng tín hiệu; lắp đặt hệ thống dây dẫn trong xích dẫn cáp nhựa chuyên dụng; tích hợp công tắc hành trình cơ học cùng cảm biến tiệm cận nhằm xác định vị trí biên an toàn cho cả ba trục.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu tập trung luận giải tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình gia nhiệt khuôn nhằm nâng cao năng suất và chất lượng linh kiện nhựa ép phun. Tác giả xác định rõ ý nghĩa khoa học trong việc làm chủ công nghệ thiết kế robot công nghiệp và ý nghĩa thực tiễn trong việc hỗ trợ máy ép nhựa vận hành hết công suất. Đồ án xác lập mục tiêu thiết kế, chế tạo cánh tay máy ba bậc tự do, đưa ra phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trên máy ép phun thực tế và đề xuất phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, tra cứu tài liệu chuyên ngành và thực nghiệm chế tạo.

Chương 2: Tổng quan về robot

Tác giả hệ thống hóa lịch sử hình thành và phát triển của robot công nghiệp từ thuật ngữ "robot" của Karel Capek (1922), các mốc phát minh tay máy điều khiển từ xa của Goertz (1948, 1954), robot lập trình số của Devol (1954) đến bước ngoặt đưa robot Unimation vào dây chuyền General Motors (1962) và cánh tay robot Viking lấy mẫu đất sao Hỏa của NASA (1976). Chương này phân tích chi tiết bốn phương pháp phân loại robot: theo không gian làm việc (vuông góc Cartesian, trụ, cầu, SCARA); theo 5 thế hệ robot (từ thế hệ 1 điều khiển hở đến thế hệ 5 tích hợp trí tuệ nhân tạo và mạng nơ-ron); theo bộ điều khiển (vòng hở PLC/động cơ bước và vòng kín servo); theo nguồn dẫn động. Cuối chương, tác giả tổng kết các ứng dụng thực tế của tay máy trong hàn vỏ xe hơi, phun sơn, gắp đặt vật liệu và phục vụ máy ép nhựa.

Chương 3: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 3 thiết lập toàn bộ công cụ toán học và cơ học máy phục vụ tính toán thiết kế. Tác giả khảo sát ba phương pháp gá lắp trục vitme bi (cố định – cố định, cố định – đỡ, cố định – tự do); trình bày phương pháp xác định bước vít, phương trình cân bằng lực dọc trục cho cơ cấu chuyển động ngang và thẳng đứng theo các quy luật biến thiên tải trọng (từng cấp, tuyến tính, dạng hàm sin); xác lập công thức kiểm tra tải trọng tĩnh $C_0$, tải trọng động $C_a$, tốc độ quay cho phép tránh rung động cộng hưởng, độ giãn nở nhiệt $\Delta L_0$ và ứng suất tổng hợp trên trục vít. Phần bộ truyền đai răng trình bày công thức xác định modun $m$, chiều rộng đai $b$, quan hệ hình học các bánh đai và điều kiện bền lực vòng riêng. Phần ray dẫn hướng cung cấp phương pháp tính toán tải trọng làm việc, tải trọng tương đương $P_E$, momen cho phép và công thức xác định tuổi thọ danh nghĩa $L$ theo điều kiện môi trường công nghiệp.

Chương 4: Phương hướng và các giải pháp về chế tạo tay máy gia nhiệt

Chương này cụ thể hóa các yêu cầu kỹ thuật đặt ra cho đề tài: kết cấu phải nhỏ gọn, làm việc ổn định trên máy ép phun nhựa, chịu được nhiệt độ và có hành trình trục X đủ sâu. Tác giả tiến hành phân tích ưu điểm và nhược điểm của hai giải pháp bố trí kết cấu (phương án bàn nâng ngoài máy và phương án gá lắp trực tiếp lên đỉnh máy ép). Dựa trên các tiêu chí về độ cứng vững, diện tích chiếm dụng nhà xưởng và độ dài hành trình, phương án gắn trực tiếp lên máy ép phun đã được lựa chọn làm cơ sở triển khai.

Chương 5: Tính toán thiết kế tay máy gia nhiệt

Chương 5 là chương trọng tâm với các phép tính chi tiết cho từng cụm trục:

  • Cụm trục Z: Xác định lực dọc trục tác dụng, tính chọn thông số động cơ servo truyền động, xác định kích thước bộ truyền đai răng và kiểm nghiệm khả năng chịu tải của ray dẫn hướng trục Z.
  • Cụm trục X: Tính toán lực cản chuyển động khi mang theo toàn bộ cụm trục Z, tính chọn công suất động cơ servo, lựa chọn thông số đai răng và ray trượt chịu uốn cho hành trình kéo dài 1100 mm.
  • Cụm trục Y: Tính toán lực cản tổng, tải trọng tĩnh và động tác dụng lên cụm ray trượt và vít me trục Y khi phải chịu tải trọng của cả hai cụm trục X và Z cùng hệ thống tay vươn.
  • Kiểm nghiệm bền kết cấu bằng phần mềm: Tác giả xây dựng mô hình 3D trên SolidWorks và thực hiện phân tích số kiểm tra trạng thái chịu lực của tay máy ngang trục X và tấm nối con trượt trục Y. Kết quả phân tích hiển thị cụ thể ứng suất tương đương von Mises và chuyển vị biến dạng đàn hồi dưới tác dụng của momen tải trọng, khẳng định các chi tiết đều nằm trong giới hạn bền và độ võng cho phép.

Chương 6: Chế tạo thử nghiệm

Chương cuối cùng ghi nhận toàn bộ quá trình chế tạo thực tế tại xưởng:

  • Chế tạo và lắp ráp cơ khí: Hoàn thiện gia công cơ khí các chi tiết tấm nối con trượt, tấm nối đai ốc, trục định vị và lắp ghép hoàn chỉnh cụm trục Y, cụm trục X và cụm trục Z.
  • Hoàn thiện bề mặt: Thực hiện sơn tĩnh điện cho hệ thống khung vỏ bảo vệ và tiến hành anode hóa bề mặt các chi tiết hợp kim nhôm nhằm nâng cao độ bền ăn mòn và độ thẩm mỹ.
  • Nâng cấp hệ thống điều khiển: Gia công chế tạo vỏ che kín thùng điện điều khiển, gắn hệ thống phích cắm nối gián tiếp, dán tấm nhãn ký hiệu trực quan và lắp đặt hoàn chỉnh sản phẩm trên máy ép phun nhựa.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển và cơ cấu cơ điện của tay máy gia nhiệt được tích hợp chặt chẽ nhằm đảm bảo chu trình vận hành tự động:

  • Động cơ và dẫn động: Toàn bộ ba trục chuyển động đều sử dụng động cơ servo công nghiệp kết nối với trục vitme bi thông qua bộ truyền đai răng giảm tốc. Việc sử dụng đai răng poliauretan lõi thép giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trượt, giảm chấn động khi đảo chiều đột ngột và bảo vệ động cơ khi có sự cố kẹt cơ khí.
  • Cảm biến và định vị: Trên mỗi trục chuyển động, nhóm tác giả bố trí cặp công tắc hành trình cơ học ở hai vị trí giới hạn biên (limit switches) nhằm ngắt khẩn cấp khi chuyển động vượt quá hành trình cho phép. Đồng thời, các cảm biến tiệm cận được lắp đặt tại các mốc gốc tọa độ để phản hồi vị trí ban đầu (home position) về tủ điều khiển, phục vụ việc định vị chính xác vị trí vươn vào lòng khuôn.
  • Thiết kế module hóa tủ điện: Nhóm nghiên cứu đã nâng cấp toàn bộ tủ điện điều khiển từ dạng đấu nối dây trần sang dạng vỏ hộp kim loại kín chống bụi và chống nhiễu công nghiệp. Các cổng cấp nguồn và tín hiệu điều khiển ra ngoài tay máy được quy chuẩn thành các phích cắm gián tiếp công nghiệp đa chân, cho phép tháo lắp nhanh chóng khi bảo trì hoặc vận chuyển.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể và bàn giao đầy đủ các sản phẩm theo đúng nhiệm vụ ban đầu:

  • Chế tạo thành công mô hình phần cứng cánh tay máy gia nhiệt ba bậc tự do (Cartesian X-Y-Z) hoàn chỉnh, vận hành đồng bộ và lắp đặt trực tiếp trên máy ép phun nhựa.
  • Nâng cấp thành công kích thước hành trình trục X từ 820 mm lên 1100 mm, giúp cơ cấu mang đầu gia nhiệt tiếp cận chính xác vị trí tâm của bộ khuôn ép.
  • Cung cấp đầy đủ bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật bao gồm: tập file mô hình 3D trên SolidWorks, tập bản vẽ gia công chế tạo chi tiết 2D của các cụm trục X, Y, Z và tập thuyết minh tính toán động lực học cơ khí.
  • Hoàn thiện quy trình công nghệ xử lý bề mặt chi tiết máy: 100% vỏ che kim loại được sơn tĩnh điện và các chi tiết gá kẹp nhôm được xử lý anode hóa nhôm, đảm bảo khả năng chịu nhiệt và độ bền công nghiệp.
  • Cải tiến thùng điện điều khiển thành cụm module kín an toàn, có phích cắm kết nối gián tiếp và bảng tên ký hiệu rõ ràng.

Các giải pháp và kiến nghị kỹ thuật do nhóm tác giả đề xuất:

  • Khẳng định phương án lắp đặt trực tiếp tay máy lên khung máy ép phun là giải pháp tối ưu cho các thiết bị phụ trợ ngành nhựa nhờ ưu thế về độ vững chắc, tiết kiệm diện tích sàn và rút ngắn chu kỳ làm việc.
  • Đề xuất ứng dụng đồng bộ động cơ servo, vitme bi và đai răng nhằm duy trì độ chính xác lặp lại của chuyển động trong môi trường làm việc rung động và nhiệt độ cao.

Đóng góp so với các nghiên cứu trước:

  • Khắc phục triệt để các nhược điểm về độ rung lắc, độ võng kết cấu và giới hạn hành trình trục vươn của mẫu tay máy thử nghiệm tiền nhiệm.
  • Chuẩn hóa quy trình tính toán thiết kế cơ khí cho tay máy chuyên dụng: từ khâu phân tích bài toán lực dọc trục, chọn lựa linh kiện tiêu chuẩn theo catalog (BSC, TTTKHDĐCK) đến khâu kiểm nghiệm độ bền bằng mô phỏng phần tử hữu hạn trên máy tính trước khi gia công thực tế.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Trọng tâm của đồ án chủ yếu tập trung vào phần cơ khí (thiết kế, gia công, lắp ráp và kiểm nghiệm bền tĩnh kết cấu); phần điều khiển mới dừng lại ở mức đấu nối dây, lắp đặt cảm biến hành trình và chạy thử nghiệm chuyển động cơ bản, chưa xây dựng chương trình điều khiển tích hợp sâu với bộ điều khiển trung tâm của máy ép phun.
  • Đề tài chưa ghi nhận số liệu đo đạc thực nghiệm về trường phân bố nhiệt độ và thời gian gia nhiệt thực tế trên bề mặt lòng khuôn trong các chu kỳ ép nhựa liên tục.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Lập trình bộ điều khiển lập trình (PLC) hoặc bộ vi điều khiển chuyên dụng để đồng bộ hóa hoàn toàn tín hiệu vận hành của tay máy với chu trình mở khuôn – đóng khuôn của máy ép nhựa.
  • Khai thác module ANSYS CFX (đã đề cập trong số liệu ban đầu) để mô phỏng truyền nhiệt, phân tích dòng khí nóng hoặc bức xạ nhiệt từ đầu gia nhiệt lên lòng khuôn nhằm tối ưu hóa công suất tỏa nhiệt và thời gian chờ của chu kỳ ép.
  • Tích hợp thêm cảm biến đo nhiệt độ không tiếp xúc (hồng ngoại) trên đầu tay máy để giám sát nhiệt độ khuôn theo thời gian thực và tự động điều khiển ngắt nhiệt độ theo vòng kín.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu kỹ thuật có giá trị ứng dụng và tham khảo thực tiễn cao:

  • Đối tượng thụ hưởng: Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot đang thực hiện đồ án thiết kế máy, đồ án tốt nghiệp về hệ thống tự động hóa công nghiệp hoặc các cơ cấu dẫn động ba trục tọa độ Đề-các; các kỹ sư cơ khí chế tạo máy phụ trợ cho ngành công nghệ gia công chất dẻo.
  • Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
    • Phương pháp luận và toàn bộ chuỗi công thức tính toán kiểm nghiệm hệ thống dẫn động trục vitme bi, bộ truyền đai răng và ray trượt bi công nghiệp tại Chương 3 và Chương 5.
    • Quy trình mô hình hóa 3D, phân tích ứng suất và chuyển vị bằng phần tử hữu hạn cho các tấm nối và tay máy dạng cần công-xôn trên phần mềm SolidWorks.
    • Quy trình công nghệ gia công, xử lý bề mặt (sơn tĩnh điện, anode nhôm) và bố trí cơ điện công nghiệp tại Chương 6.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đề tài lại lựa chọn phương án gắn tay máy trực tiếp lên máy ép phun thay vì đặt trên bàn đỡ di động bên ngoài?
    Theo phân tích của nhóm tác giả tại Chương 4, phương án đặt trên bàn nâng bên ngoài có nhược điểm là kết cấu cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích sàn xưởng và có hành trình di chuyển rất dài từ ngoài vào trong máy ép, dẫn đến rung động lớn và giảm độ chính xác định vị. Trong khi đó, việc gắn trực tiếp lên thân máy ép giúp tận dụng độ cứng vững kiên cố của bệ máy, giảm thiểu không gian chiếm dụng, rút ngắn hành trình di chuyển của bộ phận gia nhiệt và nâng cao tốc độ chu kỳ làm việc.

  2. Kích thước trục X của cánh tay máy được cải tiến thay đổi cụ thể như thế nào so với mô hình cũ?
    Từ việc phân tích các hạn chế của mô hình tay máy gia nhiệt do nhóm sinh viên trước chế tạo, nhóm tác giả đã thiết kế và gia công sửa đổi chiều dài hành trình làm việc của trục X tăng từ 820 mm lên 1100 mm. Việc gia tăng kích thước này đảm bảo cơ cấu mang đầu gia nhiệt vươn sâu vào đúng vị trí tâm lòng khuôn của máy ép phun công nghiệp thực tế.

  3. Hệ thống dẫn động cơ khí của các trục chuyển động X, Y, Z sử dụng những cụm chi tiết tiêu chuẩn nào?
    Cả ba trục chuyển động đều được trang bị động cơ servo công nghiệp làm nguồn động lực, truyền động qua bộ truyền đai răng giảm tốc (dùng đai răng cao su poliauretan cốt sợi kim loại) kết nối với trục vitme bi để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, kết hợp cùng hệ thống ray dẫn hướng con trượt bi công nghiệp có hệ số ma sát nhỏ ($0{,}002 \div 0{,}003$) nhằm định hướng chuyển động chính xác.

  4. Các chi tiết cơ khí sau khi chế tạo được bảo vệ và xử lý bề mặt bằng những công nghệ nào?
    Theo văn bản tại Chương 6, toàn bộ các chi tiết vỏ bao che bằng kim loại tấm được xử lý làm sạch và sơn tĩnh điện để chống oxy hóa; các chi tiết tấm gá nối gia công từ hợp kim nhôm (như tấm nối băng trượt, tấm nối đai ốc) được xử lý bằng công nghệ anode hóa nhôm nhằm tăng cường độ cứng bề mặt, chống mài mòn và chịu được điều kiện làm việc gần nguồn nhiệt.

  5. Nhóm tác giả đã sử dụng những công cụ phần mềm kỹ thuật nào trong quá trình thực hiện đồ án?
    Đồ án đã sử dụng phần mềm SolidWorks để thiết kế mô hình 3D toàn bộ hệ thống, xuất tập bản vẽ chế tạo 2D và mô phỏng ứng suất đàn hồi, chuyển vị biến dạng của các chi tiết cơ khí chịu lực; đồng thời đề cập tài liệu định hướng ứng dụng phần mềm ANSYS (Module CFX) phục vụ phân tích truyền nhiệt và hệ thống dẫn động cơ khí theo sách TTTKHDĐCK tập I.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, gia công chế tạo cánh tay máy" của nhóm tác giả Thái Quang Huy, Nguyễn Ngọc Ân và Phan Tiến Dũng dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Sơn Minh đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa khâu gia nhiệt khuôn cho máy ép phun nhựa thông qua hệ thống tay máy tọa độ Descartes ba bậc tự do vững chắc. Đề tài đã hoàn thành khối lượng công việc toàn diện từ khảo sát thực tế, tính toán giải tích động lực học, mô phỏng kiểm nghiệm bền đến gia công chế tạo cơ khí, hoàn thiện bề mặt và lắp ráp thử nghiệm thành công mô hình phần cứng. Sản phẩm thực tế đã khắc phục triệt để các hạn chế của thế hệ thử nghiệm tiền nhiệm (đặc biệt là việc nâng hành trình trục X lên 1100 mm), tạo tiền đề quan trọng cho việc phát triển các hệ thống thiết bị phụ trợ tự động hóa trong ngành công nghệ ép phun chất dẻo.