Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa, tự động hóa các dây chuyền sản xuất là phương thức giúp doanh nghiệp nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm, giảm thiểu chi phí nhân công và gia tăng năng lực cạnh tranh. Thực tiễn sản xuất công nghiệp đòi hỏi sự chuyển dịch sang các hệ thống sản xuất linh hoạt với mức độ tự động hóa cao trong nhiều công đoạn như gia công, chế biến, vận chuyển và đóng gói. Trong chu trình sản xuất đó, công đoạn phân loại sản phẩm giữ vai trò quyết định đối với chất lượng thành phẩm trước khi xuất xưởng. Việc phân loại thủ công bộc lộ nhiều hạn chế do tính chất lặp đi lặp lại mang tính đơn điệu, dễ gây mệt mỏi cho công nhân và khó tránh khỏi sai sót, nhầm lẫn trong quá trình phân nhóm sản phẩm theo chất lượng, kích thước hoặc chủng loại.

Đồ án "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" được sinh viên Vũ Minh Nhật thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Nhã Tường Linh tại Bộ môn Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (tháng 07/2022). Mục tiêu nghiên cứu của đồ án là củng cố kiến thức chuyên ngành về thiết kế hệ thống cơ khí sản xuất tự động, kết nối nền tảng lý thuyết với các ứng dụng thực tế trong việc vận chuyển, đếm và phân loại sản phẩm, nhằm đưa ra một phương án kết cấu khả thi giúp tiết giảm nhân công và nâng cao hiệu quả làm việc.

Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể trong văn bản bao gồm:

  1. Tổng quan hóa lý thuyết về hệ thống phân loại sản phẩm, phân tích chức năng, nguyên lý vận hành chung và phạm vi ứng dụng trong công nghiệp.
  2. Khảo sát, so sánh và lựa chọn phương án kỹ thuật cho từng thành phần cơ bản của hệ thống: loại băng tải vận chuyển, bộ truyền động ngoài, động cơ điện, cơ cấu chấp hành khí nén và cụm cảm biến nhận diện.
  3. Tính toán thiết kế các thông số hình học, động học và phân tích lực kéo căng của hệ thống băng tải đai cao su.
  4. Tính chọn công suất động cơ điện một chiều tích hợp hộp giảm tốc và thiết kế bộ truyền xích con lăn ngoài.
  5. Thiết kế kết cấu trục tang dẫn, kiểm nghiệm độ bền tĩnh, độ bền mỏi của trục, tính chọn mối ghép then và ổ lăn đỡ trục.
  6. Thiết kế cơ cấu cấp phôi tự động gián đoạn và tính toán các thông số làm việc, kích thước nòng xi lanh khí nén của cơ cấu đẩy phân loại sản phẩm.
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ khí tự động thực hiện chức năng cấp phôi, vận chuyển và phân loại phôi sản phẩm. Phôi gia công là các khối trụ có đường kính bằng nhau ($d = 150\text{ mm}$), khối lượng biến thiên từ $Q_{\min} = 0,2\text{ kg}$ đến $Q_{\max} = 5\text{ kg}$, chiều cao khác nhau.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đồ án tập trung tính toán thiết kế cơ khí và cơ cấu chấp hành khí nén cho bài toán cụ thể theo đề bài số HTSXTĐ01-6, với năng suất yêu cầu là $40\text{ sản phẩm/phút}$. Không gian ứng dụng là các phân xưởng sản xuất tự động và thời gian hoàn thành đồ án là tháng 07/2022.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp thiết kế

Hệ thống phân loại sản phẩm trong đồ án được xây dựng dựa trên các cơ sở lý thuyết kỹ thuật cơ khí, nguyên lý máy, sức bền vật liệu và truyền động khí nén:

  • Lý thuyết truyền động băng tải liên tục: Sử dụng phương pháp phân tích lực căng dây băng tải theo các đoạn đặc trưng dựa trên điều kiện ma sát Euler ($S_3 \le S_0 \cdot e^{f\alpha}$) nhằm chống trượt trơn giữa dây đai và tang dẫn động; tính toán lực cản chuyển động trên các đoạn nằm ngang có tải, không tải và đoạn uốn cong qua tang đổi hướng.
  • Lý thuyết thiết kế chi tiết máy và bộ truyền cơ khí: Phương pháp tính toán chọn động cơ điện và phân phối tỉ số truyền; tính toán động học và độ bền bộ truyền xích con lăn theo chỉ tiêu công suất cho phép $[P]$, kiểm nghiệm hệ số an toàn chống đứt xích và kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc của răng đĩa xích; phương pháp tính toán trục chịu tải trọng uốn - xoắn kết hợp, xác định đường kính trục theo mômen tương đương và kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi ($s_j \ge [s]$); phương pháp tính toán kiểm nghiệm mối ghép then bằng theo độ bền dập và độ bền cắt.
  • Lý thuyết truyền động và điều khiển khí nén: Khung lý thuyết về cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng bằng xi lanh khí nén hai chiều; xác định lực tác dụng dựa trên phương trình cân bằng động lực học giữa áp lực khí nén với lực cản ma sát và lực quán tính sinh ra trong giai đoạn tăng tốc đẩy sản phẩm ($p_1 \cdot \mu \cdot \frac{\pi D^2}{4} \ge F_{\text{ms}(\max)} + F_{\text{qt}}$).
  • Nguồn dữ liệu sử dụng: Đồ án sử dụng dữ liệu đầu vào chuẩn hóa từ đề bài số HTSXTĐ01-6 và hệ thống bảng tra thông số tiêu chuẩn công nghiệp (bảng hiệu suất bộ truyền 2.3, bảng đặc tính xích con lăn 5.2, 5.5, 5.9, bảng tiêu chuẩn then bằng 9.1, bảng thông số ổ lăn 10.2, cùng các bảng hệ số tập trung ứng suất 10.3, 10.6, 10.9, 10.10, 10.11 trong tài liệu thiết kế chi tiết máy).

Thiết kế và tính toán kỹ thuật hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm được thiết kế gồm ba cụm cơ cấu chính: cụm cấp phôi - băng tải vận chuyển, cụm dẫn động cơ khí (động cơ, bộ truyền xích, trục tang) và cụm chấp hành phân loại khí nén.

1. Động học và động lực học hệ thống băng tải

Với năng suất $N = 40\text{ sản phẩm/phút}$ và khoảng cách tâm giữa hai sản phẩm liên tiếp là $2d = 0,3\text{ m}$, chiều dài băng tải được chọn là $L = 1,8\text{ m}$ (chứa tối đa 6 sản phẩm cùng lúc).

  • Khối lượng tải lớn nhất trên băng: $M_{\max} = 6 \times 5 = 30\text{ kg}$.
  • Thời gian một sản phẩm di chuyển hết chiều dài băng tải: $t = \frac{60}{40} \times 6 = 9\text{ s}$.
  • Vận tốc làm việc của băng tải: $v = \frac{L}{t} = \frac{1,8}{9} = 0,2\text{ m/s}$.
  • Kết cấu băng tải: Dây đai cao su có khối lượng riêng $\rho = 1250\text{ kg/m}^3$, chiều dày đai $3\text{ mm}$, khung sườn thép CT45; đường kính tang quay dẫn động được chọn là $D = 60\text{ mm}$; hệ số ma sát giữa trục tang và băng tải là $\mu = 0,3$.
  • Phân tích lực kéo căng: Lực cản nhánh không tải $W_{0/1} = 3,178\text{ N}$; lực cản trên tang đổi hướng bị động $W_{1/2} = 0,05 \cdot S_1$; lực cản nhánh có tải $W_{2/3} = 91,467\text{ N}$. Lực căng nhánh nhả chọn $S_0 = 3800\text{ N}$, suy ra lực căng $S_1 = 3803,178\text{ N}$. Lực kéo tiếp tuyến trên tang dẫn động đạt $F = 284,8\text{ N}$. Lực căng đai ban đầu $F_0 = 960\text{ N}$ (ứng suất căng $\sigma_0 = 2\text{ MPa}$), lực vòng $F_t = 843,27\text{ N}$, tổng lực kéo yêu cầu $F_{\text{kéo}} = 1128,07\text{ N}$.
  • Công suất yêu cầu trên trục tang dẫn: $N_{\text{yc}} = \frac{F \cdot v}{1000} = \frac{284,8 \times 0,2}{1000} = 0,0569\text{ kW} = 56,96\text{ W}$.

2. Tính chọn nguồn động lực và bộ truyền xích ngoài

  • Số vòng quay trên trục tang công tác: $n_{\text{lv}} = \frac{60 \cdot v}{\pi \cdot D} = \frac{60 \times 0,2}{\pi \times 0,06} \approx 63,66\text{ rpm}$.
  • Với hiệu suất truyền động chung $\eta = 0,9504$, công suất cần thiết trên trục động cơ là $P_{\text{đc}} = \frac{56,96}{0,9504} = 59,93\text{ W}$.
  • Động cơ được chọn: Động cơ điện một chiều liền hộp giảm tốc của hãng ZD, mã hiệu 5IK60GN-AF, công suất định mức $60\text{ W}$, tốc độ động cơ $1550\text{ rpm}$, tốc độ trục ra hộp giảm tốc là $166\text{ rpm}$.
  • Tỉ số truyền tính lại của hệ thống: $u = \frac{166}{63,66} \approx 2,6$.
  • Bộ truyền xích ngoài: Sử dụng loại xích con lăn 1 dãy. Số răng đĩa xích dẫn $z_1 = 25$, số răng đĩa xích bị dẫn $z_2 = 64$. Tỉ số truyền thực tế $u_t = \frac{64}{25} = 2,56$, sai lệch tỉ số truyền $\Delta u = 0,01% < 4%$. Công suất tính toán của bộ truyền xích $P_t = 86,2992\text{ W} = 0,0863\text{ kW}$. Bước xích tiêu chuẩn $p = 12,7\text{ mm}$, đường kính chốt $d_c = 3,66\text{ mm}$, chiều dài ống $B = 5,8\text{ mm}$, công suất cho phép $[P] = 0,68\text{ kW}$. Số mắt xích chọn $X = 126$, khoảng cách trục thực tế $a = 514,452\text{ mm}$. Hệ số an toàn độ bền của xích $s = 101,45$ (vượt xa giới hạn $[s] = 7$). Đĩa xích chế tạo bằng gang xám, đường kính vòng chia đĩa chủ động $d_1 = 101,33\text{ mm}$, đĩa bị động $d_2 = 258,826\text{ mm}$. Lực tác dụng của bộ truyền xích lên trục $F_r = 77,97\text{ N}$.

3. Tính toán kết cấu trục tang, then và gối đỡ

  • Trục tang dẫn được chế tạo từ thép 45 có giới hạn bền $\sigma_b = 600\text{ MPa}$, ứng suất xoắn cho phép $[\tau] = 15,3\text{ MPa}$.
  • Lực tác dụng lên trục bao gồm lực căng băng tải hướng tâm $F_{r1} = 7884,8\text{ N}$, lực xích $F_{r2} = 77,97\text{ N}$, mômen xoắn $T = 8980\text{ N}\cdot\text{mm}$.
  • Phản lực tại các gối tựa: $F_{Ax} = 3942,4\text{ N}$, $F_{Cx} = 3942,4\text{ N}$, $F_{Ay} = -12,87\text{ N}$, $F_{Cy} = 90,84\text{ N}$.
  • Kích thước đường kính trục tại các tiết diện: vị trí lắp then đĩa xích $d_0 = 12\text{ mm}$, ngõng trục lắp ổ bi $d_1 = 17\text{ mm}$, đoạn trục giữa $d_B = 50\text{ mm}$.
  • Then bằng trên trục đĩa xích: Kích thước tiết diện $b \times h = 4 \times 4\text{ mm}$, chiều dài $l = 15\text{ mm}$, chiều sâu rãnh then trên trục $t_1 = 2,5\text{ mm}$, trên lỗ $t_2 = 1,8\text{ mm}$. Ứng suất dập $\sigma_d = 79,82\text{ MPa} \le [\sigma_d] = 100\text{ MPa}$, ứng suất cắt $\tau_c = 49,89\text{ MPa} \le [\tau_c] = 60\text{ MPa}$.
  • Kiểm nghiệm mỏi trục: Hệ số an toàn mỏi tổng hợp tại tiết diện nguy hiểm đạt $s_j = 14,4 > [s]$, đảm bảo độ bền mỏi dài hạn.
  • Ổ lăn đỡ trục: Chọn loại ổ bi đỡ một dãy SKF 6203 với đường kính trong $d = 17\text{ mm}$, đường kính ngoài $D = 40\text{ mm}$, khả năng tải động $C = 9,55\text{ kN}$, khả năng tải tĩnh $C_0 = 4,75\text{ kN}$.

4. Cơ cấu chấp hành và hệ thống khí nén

  • Hệ thống cấp phôi: Hoạt động theo nguyên lý cấp phôi tự động gián đoạn theo chu kỳ, đưa từng khối trụ vào băng tải đồng bộ với nhịp độ vận chuyển ($1\text{ giây/sản phẩm}$).
  • Xi lanh khí nén phân loại: Sử dụng loại xi lanh tác động hai chiều. Áp suất nguồn làm việc $p = 6\text{ bar} = 6 \times 10^5\text{ N/m}^2$, áp suất khoang thoát khí tối thiểu $1,4\text{ bar}$, hệ số hiệu dụng xi lanh $\mu = 0,5$.
  • Lực ma sát lớn nhất khi phôi trượt trên băng: $F_{\text{ms}(\max)} = 0,3 \times 5 \times 9,81 = 14,7\text{ N}$.
  • Động học cơ cấu đẩy: Chu kỳ phôi $t_{\text{liên tiếp}} = 1\text{ s}$. Thời gian xi lanh tiến ra đẩy phôi $t_1 = 0,8\text{ s}$, thời gian lùi về $t_2 = 0,5\text{ s}$. Hành trình làm việc $H = 200\text{ mm} = 0,2\text{ m}$. Gia tốc chuyển động đẩy: $a = \frac{2s}{t_1^2} = \frac{2 \times 0,2}{0,8^2} = 0,625\text{ m/s}^2$. Lực quán tính của phôi: $F_{\text{qt}} = 5 \times 0,625 = 3,125\text{ N}$.
  • Đường kính nòng xi lanh tính toán lý thuyết: $D \ge \sqrt{\frac{4(F_{\text{qt}} + F_{\text{ms}(\max)})}{p \cdot \mu \cdot \pi}} = \sqrt{\frac{4 \times (3,125 + 14,7)}{6 \times 10^5 \times 0,5 \times \pi}} \approx 0,0087\text{ m} = 8,7\text{ mm}$.
  • Thiết bị lựa chọn thực tế: Xi lanh khí nén hai chiều mã hiệu CDJ2B10-200Z-B, đường kính nòng $D = 10\text{ mm}$, hành trình $S = 200\text{ mm}$. Cụm van điều khiển gồm bộ lọc khí, van điều áp kèm đồng hồ đo, van phân phối $3/2$ và van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng.
Cụm cơ cấu Thông số kỹ thuật chính Giá trị tính toán / lựa chọn
Băng tải đai Chiều dài ($L$) $\times$ Chiều rộng ($W$) $\times$ Chiều dày ($H$) $1,8\text{ m} \times 0,16\text{ m} \times 0,003\text{ m}$
Vận tốc làm việc ($v$) / Đường kính tang dẫn ($D$) $0,2\text{ m/s}$ / $60\text{ mm}$
Công suất trên trục công tác ($P_{\text{lv}}$) $56,96\text{ W}$
Động cơ & Giảm tốc Hãng sản xuất / Mã hiệu thiết bị ZD / 5IK60GN-AF
Công suất định mức / Tốc độ trục ra $60\text{ W}$ / $166\text{ rpm}$
Bộ truyền xích Loại xích / Bước xích ($p$) / Số mắt xích ($X$) Xích con lăn 1 dãy / $12,7\text{ mm}$ / $126$ mắt
Số răng đĩa xích dẫn ($z_1$) / đĩa xích bị dẫn ($z_2$) $25$ răng / $64$ răng
Khoảng cách trục ($a$) / Hệ số an toàn bền ($s$) $514,452\text{ mm}$ / $101,45$ ($[s]=7$)
Trục & Ổ lăn Vật liệu trục / Đường kính ngõng trục lắp ổ ($d_1$) Thép 45 / $17\text{ mm}$
Mã hiệu ổ lăn / Loại ổ SKF 6203 / Ổ bi đỡ một dãy
Kích thước then bằng ($b \times h \times l$) $4\text{ mm} \times 4\text{ mm} \times 15\text{ mm}$
Khí nén & Piston Mã hiệu xi lanh / Hành trình ($S$) CDJ2B10-200Z-B / $200\text{ mm}$
Đường kính nòng ($D$) / Áp suất làm việc ($p$) $10\text{ mm}$ / $6\text{ bar}$
Thời gian đẩy ($t_1$) / Gia tốc đẩy ($a$) $0,8\text{ s}$ / $0,625\text{ m/s}^2$

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Chương này tập trung trình bày tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu phân loại trong quy trình sản xuất công nghiệp hiện đại nhằm thay thế sức lao động thủ công đơn điệu và hạn chế lỗi phế phẩm. Tác giả phân loại hệ thống phân loại sản phẩm theo phương pháp điều khiển (tự động, bán tự động) và theo đặc trưng nhận diện của sản phẩm (kích thước, màu sắc, khối lượng, mã vạch, vật liệu). Văn bản nêu rõ các lĩnh vực ứng dụng điển hình bao gồm: dây chuyền sản xuất chi tiết máy, hàng tiêu dùng, linh kiện điện tử và dây chuyền lắp ráp. Nguyên lý vận hành chung của hệ thống được xác lập: sản phẩm phân bố đều trên băng tải, di chuyển qua trạm cảm biến để thu thập dữ liệu thuộc tính; bộ điều khiển trung tâm tiếp nhận, phân tích tín hiệu và phát lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành cơ khí thực hiện việc chuyển hướng, phân loại hoặc gạt bỏ sản phẩm lỗi vào các vị trí quy định. Cấu trúc hệ thống được phân rã thành 4 cụm kỹ thuật: cụm truyền động (động cơ điện), cụm truyền tải năng lượng (bộ truyền xích/đai), cụm chấp hành (piston khí nén) và cụm cảm biến kèm bộ điều khiển tự động.

Chương 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

Nội dung chương 2 khảo sát chi tiết cấu tạo, nguyên lý làm việc và phân tích ưu - nhược điểm của các phân hệ phần cứng để đưa ra phương án lựa chọn tối ưu cho đề tài:

  • Hệ thống băng tải: Khảo sát 7 dạng kết cấu gồm băng tải cao su, băng tải rung, băng tải con lăn, băng tải xích, băng tải xoắn ốc, băng tải linh hoạt và băng tải xích cào. Tác giả chọn phương án băng tải dây đai cao su nhờ ưu thế kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ vận hành và bảo dưỡng. Dù vậy, tác giả cũng ghi nhận nhược điểm về độ chính xác vận chuyển không cao và hiện tượng suy giảm ma sát theo thời gian.
  • Bộ truyền ngoài: Đặt ra phép so sánh kỹ thuật giữa bộ truyền đai và bộ truyền xích. Tác giả lựa chọn bộ truyền xích con lăn do yêu cầu hệ thống làm việc ở dải vận tốc trung bình nhưng tải trọng kéo lớn, đòi hỏi tỉ số truyền cố định không xảy ra hiện tượng trượt nhằm duy trì hiệu suất ổn định và giảm áp lực căng tác dụng lên trục gối đỡ.
  • Cơ cấu chấp hành khí nén: Trình bày cấu trúc hệ thống khí nén công nghiệp gồm trạm nguồn (máy nén, bình tích áp, bộ xử lý khí lọc bụi, tách nước), khối điều khiển van và khối chấp hành (xi lanh, giác hút). Phân tích ưu thế truyền động thẳng gọn nhẹ, tốc độ phản hồi nhanh, an toàn chống quá tải, cùng các mặt hạn chế như lực cản đàn hồi của khí nén làm giảm tính ổn định vận tốc khi đổi tải và tiếng ồn khí xả. Thiết lập sơ đồ khí nén phân loại theo chiều cao gồm nguồn khí, van lọc, van điều áp, đồng hồ đo áp suất, van phân phối 3/2 và van tiết lưu.
  • Cụm cảm biến: Phân loại cảm biến theo nguồn cấp (tích cực, thụ động), chế độ vận hành và chức năng ứng dụng (tiệm cận, nhiệt, quang, màu, gia tốc). Xác lập giải pháp kỹ thuật sử dụng cảm biến quang để phân loại sản phẩm theo kích thước (dựa trên mức độ che khuất chùm sáng) và cảm biến màu dựa trên hệ số phản xạ quang học của bề mặt phôi.
  • Động cơ dẫn động: Khảo sát các dòng động cơ điện xoay chiều, một chiều, động cơ bước và servo. Tác giả chọn động cơ điện một chiều (DC) nhờ đặc tính kết cấu đơn giản, chi phí đầu tư thấp, dễ điều khiển tốc độ và bảo quản. Trình bày lý thuyết mạch phần ứng, phương trình dòng điện $I = \frac{V_{\text{nguồn}} - V_{\text{điện động}}}{R_{\text{phần ứng}}}$ và công suất cơ hữu ích sinh ra $P = I \cdot V_{\text{phản điện động}}$.

Chương 3: Tính toán, thiết kế hệ thống

Chương 3 là phần trọng tâm kỹ thuật của đồ án, hiện thực hóa các yêu cầu của đề tài HTSXTĐ01-6 thành các thông số kích thước và tính toán bền cụ thể:

  • Mục I: Tính toán hình học và động học băng tải đai cao su. Xác định chiều dài làm việc $L = 1,8\text{ m}$, vận tốc băng tải $v = 0,2\text{ m/s}$, thời gian lưu chuyển sản phẩm $t = 9\text{ s}$, tải trọng động lớn nhất $M_{\max} = 30\text{ kg}$. Phân tích lực căng dây đai tại 4 điểm nút đặc trưng ($S_0$ đến $S_3$), xác định lực kéo tiếp tuyến $F = 284,8\text{ N}$, lực vòng $F_t = 843,27\text{ N}$, lực căng ban đầu $F_0 = 960\text{ N}$ và công suất trục công tác $N_{\text{yc}} = 56,96\text{ W}$.
  • Mục II: Tính chọn động cơ điện và bộ truyền ngoài. Tính toán công suất cần thiết $P_{\text{đc}} = 59,93\text{ W}$, tốc độ quay trục công tác $n_{\text{lv}} = 63,66\text{ rpm}$; lựa chọn động cơ liền hộp giảm tốc ZD mã 5IK60GN-AF ($60\text{ W}$, $166\text{ rpm}$). Thiết kế bộ truyền xích con lăn: chọn bước xích $p = 12,7\text{ mm}$, số răng đĩa xích $z_1 = 25$, $z_2 = 64$, khoảng cách trục $a = 514,452\text{ mm}$, số mắt xích $X = 126$; kiểm nghiệm hệ số an toàn chống đứt đạt $s = 101,45$ ($[s] = 7$); tính toán kích thước hình học đĩa xích và lực căng tác dụng lên trục $F_r = 77,97\text{ N}$.
  • Mục III: Thiết kế kết cấu trục và chọn gối đỡ ổ lăn. Lập sơ đồ phân tích lực trong không gian, giải hệ phương trình cân bằng tĩnh học để xác định các thành phần phản lực gối đỡ ($F_{Ax}, F_{Cx}, F_{Ay}, F_{Cy}$). Xác định đường kính các đoạn trục theo mômen tương đương ($d_0 = 12\text{ mm}, d_1 = 17\text{ mm}, d_B = 50\text{ mm}$). Chọn then bằng kích thước $4 \times 4 \times 15\text{ mm}$ và kiểm nghiệm độ bền dập, cắt đều đạt yêu cầu. Kiểm tra độ bền mỏi của trục tại các tiết diện nguy hiểm có rãnh then và lắp căng độ dôi ($s_j = 14,4 > [s]$). Chọn ổ bi đỡ một dãy SKF 6203.
  • Mục IV: Thiết kế hệ thống cấp phôi và piston khí nén. Xác định nguyên lý cấp phôi tự động gián đoạn theo chu kỳ cho phôi khối trụ đường kính bằng nhau, khác chiều cao. Phân tích động lực học quá trình đẩy sản phẩm: thời gian đẩy $t_1 = 0,8\text{ s}$, thời gian lùi $t_2 = 0,5\text{ s}$, lực ma sát trượt lớn nhất $F_{\text{ms}(\max)} = 14,7\text{ N}$, lực quán tính $F_{\text{qt}} = 3,125\text{ N}$. Tính toán đường kính xi lanh tối thiểu $D \ge 8,7\text{ mm}$ ở áp suất $6\text{ bar}$ với hệ số hiệu dụng $\mu = 0,5$. Lựa chọn thiết bị tiêu chuẩn là xi lanh hai chiều CDJ2B10-200Z-B có đường kính nòng $D = 10\text{ mm}$ và hành trình đẩy $S = 200\text{ mm}$.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

  • Kết quả kỹ thuật cụ thể:
    1. Xác lập đầy đủ bộ thông số động học của dây chuyền phân loại: vận tốc băng chuyền $0,2\text{ m/s}$, đáp ứng chính xác năng suất $40\text{ sản phẩm/phút}$ với tải trọng tối đa $30\text{ kg}$ trên băng.
    2. Hoàn thiện chuỗi tính toán dẫn động cơ khí: lựa chọn cụm động cơ ZD 5IK60GN-AF ($60\text{ W}$, $166\text{ rpm}$) kết hợp bộ truyền xích con lăn 1 dãy ($p = 12,7\text{ mm}, z_1 = 25, z_2 = 64$) đạt tỉ số truyền thực tế $u_t = 2,56$ với độ lệch tỉ số truyền rất nhỏ ($0,01%$).
    3. Hoàn thiện tính toán kiểm nghiệm kết cấu trục tang và phụ kiện: trục thép 45 đảm bảo độ an toàn mỏi ($s_j = 14,4$), mối ghép then bằng thỏa mãn chỉ tiêu bền dập và cắt, hệ thống gối đỡ sử dụng ổ lăn tiêu chuẩn SKF 6203.
    4. Lựa chọn thành công cơ cấu chấp hành khí nén: xi lanh hai chiều CDJ2B10-200Z-B ($D = 10\text{ mm}, S = 200\text{ mm}$) hoạt động ở áp suất $6\text{ bar}$, đáp ứng chu trình đẩy phôi trong thời gian $0,8\text{ s}$ với gia tốc $a = 0,625\text{ m/s}^2$.
  • Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất:
    1. Đề xuất kết hợp bộ truyền ngoài bằng xích thay cho bộ truyền đai nhằm triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trượt vận tốc, đảm bảo tính đồng bộ nhịp nhàng giữa tốc độ cấp phôi và vận tốc dịch chuyển của băng tải.
    2. Đề xuất quy trình cấp phôi gián đoạn theo chu kỳ độc lập, biến đổi quá trình nạp phôi bán tự động thành chu trình tự động khép kín.
    3. Tích hợp van tiết lưu và van phân phối 3/2 trong mạch điều khiển khí nén để điều chỉnh vận tốc chuyển động tịnh tiến của cần piston, khử tải va đập mạnh khi tiếp xúc với phôi.
  • Đóng góp của đề tài: Đồ án đã giải quyết bài toán thiết kế cơ khí hoàn chỉnh từ khâu tiếp nhận thông số đầu vào lý thuyết đến khâu tính toán giải tích chi tiết và chọn lựa chính xác mã hiệu các thiết bị cơ khí, điện, khí nén tiêu chuẩn đang lưu hành trên thị trường công nghiệp (động cơ ZD, ổ bi SKF, xi lanh nòng nhỏ tiêu chuẩn SMC).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế được đề cập trong văn bản:
    1. Băng tải dây đai cao su có độ chính xác vị trí vận chuyển không cao; hệ số ma sát giữa dây đai và bề mặt con lăn/tang quay có xu hướng suy giảm theo thời gian làm việc do mài mòn cơ học.
    2. Băng tải hoạt động chịu ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường, tác động trực tiếp đến sự giãn nở của con lăn và độ chùng của dây đai.
    3. Khí nén có tính đàn hồi lớn, dẫn tới việc duy trì vận tốc chuyển động thẳng đều của piston gặp khó khăn khi tải trọng phôi thay đổi đột ngột giữa các chu kỳ.
    4. Tiếng ồn phát sinh lớn khi xả dòng khí nén áp suất cao ra môi trường bên ngoài và tiếng ồn do va đập giữa các mắt xích ở vận tốc cao.
    5. Đồ án mới tập trung giải quyết bài toán tính toán cơ khí, động lực học và chọn thiết bị chấp hành, chưa đi sâu vào việc xây dựng mạch điều khiển điện tử chi tiết, lập trình thuật toán điều khiển (PLC/vi điều khiển) cũng như thuật toán xử lý tín hiệu cảm biến nhận dạng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Dựa trên phạm vi và giới hạn của đề tài, các hướng phát triển kỹ thuật tiếp theo bao gồm việc thiết kế chi tiết hệ thống điều khiển tự động hóa tích hợp bộ điều khiển lập trình (PLC) hoặc vi điều khiển; nghiên cứu lắp đặt bộ giảm thanh tại cổng xả khí nén; khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và sự mài mòn đai lên độ chính xác phân loại của hệ thống khi chạy thử nghiệm dài hạn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Tự động hóa và Kỹ thuật Hệ thống Công nghiệp khi thực hiện đồ án môn học Chi tiết máy, Đồ án Thiết kế hệ thống cơ khí sản xuất tự động hoặc Đồ án tốt nghiệp đại học có đề tài liên quan đến dây chuyền vận chuyển và phân loại sản phẩm.

Các nội dung và phương pháp tính toán có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm:

  • Phương pháp phân tích lực căng dây băng tải theo các đoạn đặc trưng dựa trên công thức Euler, giúp sinh viên nắm vững trình tự xác định lực cản chuyển động và công suất yêu cầu trên trục tang dẫn.
  • Toàn bộ quy trình tính toán thiết kế bộ truyền xích con lăn ngoài, bao gồm các bước tra cứu hệ số điều kiện làm việc, chọn số răng đĩa xích, tính toán khoảng cách trục thực tế và kiểm nghiệm độ bền an toàn.
  • Trình tự thiết kế kết cấu trục, lập biểu đồ phân tích lực trong không gian, xác định mômen tương đương, kiểm tra độ bền dập - bền cắt của mối ghép then và kiểm nghiệm hệ số an toàn mỏi của trục chịu tải trọng chu kỳ.
  • Phương pháp tính toán động lực học cơ cấu đẩy khí nén, xác định gia tốc chuyển động, lực ma sát trượt và lực quán tính của sản phẩm để tính chọn chính xác đường kính nòng và hành trình xi lanh khí nén theo thời gian chu kỳ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao đồ án lựa chọn loại băng tải đai cao su và bộ truyền xích ngoài thay vì các phương án truyền động khác?
    Băng tải đai cao su được chọn do có kết cấu cơ khí đơn giản, chi phí chế tạo thấp, dễ vận hành, bảo dưỡng, vận chuyển êm và khả năng tạo lực ma sát tốt với phôi trụ có khối lượng vừa phải ($0,2 - 5\text{ kg}$). Bộ truyền xích ngoài được chọn thay cho bộ truyền đai vì hệ thống làm việc với tải trọng kéo lớn ở vận tốc trung bình; truyền động xích không bị hiện tượng trượt, giúp duy trì tỉ số truyền và hiệu suất ổn định ($u_t = 2,56$), đồng thời giảm lực căng tác dụng lên trục tang.

  2. Các thông số kỹ thuật chính của cụm động cơ điện và hộp giảm tốc được lựa chọn là gì?
    Từ công suất tính toán yêu cầu trên trục động cơ là $P_{\text{đc}} = 59,93\text{ W}$ và số vòng quay trục công tác $n_{\text{lv}} = 63,66\text{ rpm}$, tác giả đã chọn cụm động cơ điện một chiều tích hợp sẵn hộp giảm tốc của hãng ZD, mã hiệu 5IK60GN-AF, có công suất định mức $60\text{ W}$, tốc độ quay định mức $1550\text{ rpm}$ và tốc độ trục ra hộp giảm tốc làm việc ở mức $166\text{ rpm}$.

  3. Cơ cấu xi lanh khí nén đẩy phân loại sản phẩm được tính toán dựa trên các điều kiện động lực học nào?
    Cơ cấu sử dụng xi lanh khí nén hai chiều làm việc ở áp suất $6\text{ bar}$, hệ số hiệu dụng $\mu = 0,5$. Với thời gian đẩy $t_1 = 0,8\text{ s}$ trên hành trình $200\text{ mm}$, gia tốc đẩy đạt $a = 0,625\text{ m/s}^2$. Xi lanh phải thắng được lực ma sát cực đại giữa phôi với băng tải ($F_{\text{ms}(\max)} = 14,7\text{ N}$) và lực quán tính của phôi ($F_{\text{qt}} = 3,125\text{ N}$). Đường kính nòng tính toán lý thuyết tối thiểu là $8,7\text{ mm}$, từ đó tác giả chọn xi lanh tiêu chuẩn CDJ2B10-200Z-B có đường kính nòng $D = 10\text{ mm}$ và hành trình $S = 200\text{ mm}$.

  4. Kết quả kiểm nghiệm độ bền trục tang dẫn và mối ghép then đạt các giá trị cụ thể nào?
    Trục làm bằng thép 45 được kiểm nghiệm độ bền mỏi tại các tiết diện lắp ổ bi và đĩa xích (có rãnh then và lắp căng độ dôi) đạt hệ số an toàn mỏi $s_j = 14,4$, vượt mức an toàn cho phép $[s]$. Mối ghép then bằng kích thước $4 \times 4 \times 15\text{ mm}$ tại vị trí lắp đĩa xích có ứng suất dập tính toán $\sigma_d = 79,82\text{ MPa} \le [\sigma_d] = 100\text{ MPa}$ và ứng suất cắt $\tau_c = 49,89\text{ MPa} \le [\tau_c] = 60\text{ MPa}$, hoàn toàn thỏa mãn điều kiện bền dập và bền cắt.

  5. Nguyên lý phân loại sản phẩm theo kích thước và màu sắc được định hướng sử dụng những loại cảm biến nào trong đồ án?
    Để phân loại theo kích thước (chiều cao, đường kính to/nhỏ hoặc cao/thấp), hệ thống định hướng sử dụng cảm biến quang điện, hoạt động dựa trên mức độ cản trở chùm tia sáng khi phôi đi qua. Đối với bài toán phân loại theo màu sắc, hệ thống định hướng sử dụng cảm biến màu, hoạt động dựa trên nguyên lý đo lường tỷ lệ phản xạ ánh sáng khác nhau của các màu sắc trên bề mặt sản phẩm để truyền tín hiệu về bộ điều khiển xử lý.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm" của tác giả Vũ Minh Nhật đã hoàn thành trọn vẹn nhiệm vụ tính toán thiết kế cơ khí và cơ cấu chấp hành cho hệ thống sản xuất tự động theo đề bài số HTSXTĐ01-6. Đề tài đã xây dựng thành công chuỗi tính toán đồng bộ từ thông số hình học - động lực học của băng tải đai cao su, bộ truyền xích con lăn, kết cấu trục tang và gối đỡ ổ bi SKF 6203, cho đến tính toán lực đẩy và chọn xi lanh khí nén CDJ2B10-200Z-B. Toàn bộ các bước tính toán đều tuân thủ các chỉ tiêu kỹ thuật chuyên ngành máy, đưa ra được các thông số định lượng cụ thể và liên kết chính xác với các thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn. Đây là công trình đồ án có tính hệ thống cao, cấu trúc mạch lạc và là nguồn tài liệu tham khảo bổ ích cho sinh viên khối ngành kỹ thuật cơ khí và cơ điện tử.