BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN VĂN MÙI

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ KHẢO
SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU KẾT CẤU ĐIỀU
HƢỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG
THEO NGUYÊN LÝ RUNG ĐỘNG

Ngành: Kỹ thuật Cơ khí
Mã số: 9520103

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Hà Nội – 2019


Công trình được hoàn thành tại:
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học:
1- PGS.TS. Lê Giang Nam
2- TS. Bùi quí Lực

Phản biện 1:
Phản biện 2:

Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến

chủ động cộng hưởng và chế tạo thiết bị đúng ngay từ lần đầu tiên
là một yêu cầu cấp bách.
Những đặc điểm nêu trên là định hướng cho việc lựa chọn đề
tài: “Nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để khảo sát động lực
học và tối ưu kết cấu điều hướng trong hệ thống cấp phôi tự
động theo nguyên lý rung động”
2. Đối tƣợng nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu, khảo sát động lực học quá trình di
chuyển của phôi trên phễu. Tối ưu hóa kết cấu điều hướng trong
hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu ưu, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của hệ
thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động. Các thông số
động lực học, kết cấu ảnh hưởng đến năng suất cấp phôi.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán hệ thống cấp phôi
tự động dạng xoắn vít theo nguyên lý rung động.
1


- Nghiên cứu ứng dụng phần mềm để mô phỏng số hoạt
động hệ thống. Khảo sát động lực học và tối ưu một số thông số
của phễu rung dạng xoắn vít.
- Nghiên cứu chế tạo thiết bị thực nghiệm nhằm đánh giá và
kiểm chứng mô phỏng số.
- Khảo sát động lực học và tối ưu hóa kết cấu điều hướng
của hệ thống cấp phôi tự động theo nguyên lý rung động.
4. Mục đích nghiên cứu
- Giảm thời gian thiết kế hệ thống đảm bảo thiết bị hoạt
động ở chế độ cộng hưởng.
- Giảm thời gian hiệu chỉnh, thử nghiệm để hệ thống hoạt

- Nghiên cứu thực nghiệm: Xác định thuộc tính của phôi
cần cấp và xây dựng dữ liệu quan hệ giữa vận tốc, góc xoay,
chuyển vị theo phương đứng với điện áp và chế độ cộng hưởng
của cơ hệ tương ứng với tần số của điện áp đầu vào
- Nghiên cứu tối ƣu: Sử dụng mô hình số đánh giá sự ảnh
hưởng của tần số, biên độ, góc xoay, góc nghiêng rãnh xoắn, hình
dáng và thứ tự đến năng suất cấp phôi. Tối ưu hóa giá trị góc
nghiêng rãnh xoắn và thứ tự kênh phân loại đến năng suất cấp
phôi trong nguyên tắc làm việc chủ động công hưởng.
7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
a. Ý nghĩa khoa học
1. Chỉ ra được bản chất động lực học của quá trình cấp phôi từ
đó chỉ ra đặc điểm của thông số động lực học, kết cấu và ảnh
hưởng của nó đến năng suất cấp phôi.
2. Bằng lý thuyết và thực nghiệm đã xây dựng được mối quan
hệ giữa một số yếu tố công nghệ : điện áp, góc nghiêng rãnh xoắn
và vận tốc (năng suất) cấp phôi đồng thời đã xác định được vận
tốc cấp phôi lớn nhất khi góc nghiêng  = 1.2560, tại mức điện áp
170V.
3. Bằng mô phỏng số đã tối ưu hóa hệ thống bẫy điều hướng
để có năng suất cao nhất cấp phôi tự động theo nguyên lý rung
động.
b. Ý nghĩa thực tiễn
1. Việc áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất giúp
giảm thời gian thiết kế, giảm chi phí chế tạo và nâng cao hiệu quả
kinh tế trong việc thương mại hóa các hệ thống cấp phôi theo
nguyên lý kích rung.
2. Kết quả của luận án còn để tham khảo trong việc đào tạo
cán bộ thiết kế, kỹ thuật, học viên cao học, nghiên cứu sinh của
ngành kỹ thuật Cơ khí và Cơ điện tử.

đến các nội dung sau:
1. Xu hương nghiên cứu về cấp phôi tự động.
2. Các phương pháp sử dụng khi nghiên cứu.
3. Ảnh hưởng của các thông số động lực học và kết cấu đến
vận tốc và định hướng của phôi trên máng dẫn
Kết luận chƣơng 1.
1. Thiết bị cấp phôi theo nguyên lý rung động đang được sử dụng
rộng rãi trong công nghiệp cả trong và ngoài nước phục vụ cho
việc cấp các chi tiết rời rạc.
2. Các công trình khoa học trong và ngoài nước thời gian gần đây
đã chỉ ra năng suất cấp phôi phụ thuộc và các yếu tố động lực học
và kết cấu. Việc nghiên cứu tối ưu hóa các thông số này đang
được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm.
3. Hiện nay trên thế giới đang nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số
nhằm khảo sát và tối ưu hóa các thông số động lực học và kết cấu
phễu rung cấp phôi nhằm giảm thời gian cũng như chi phí thử
nghiệm qua đó chọn được kết cấu phù hợp cho thiết kế.

4


CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ TÍNH TOÁN THIẾT
KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG THEO NGUYÊN LÝ
RUNG ĐỘNG
2.1. Cơ sở lý thuyết
Trong hệ thống này (hình 2.1) thùng phân loại (phễu rung)
được gắn lên đế trên. Đế trên được lắp lên 3 lò xo lá để tạo rung
động, nó thực hiện các chuyển xoay xung quanh trục thẳng đứng
và chuyển động vặn đi vặn khứ hồi nhờ đó mà phôi di chuyển theo
máng dẫn. Khi phôi di chuyển trên máng dẫn sẽ có trạng thái trượt

Từ phương trình (2.1) và (2.2) điều kiện để phôi đi lên là:
(2.3)
Tương tự như vầy, điều kiện để phôi di chuyến lùi xuống là:
5


(2.4)
Trạng thái hoạt động của phễu rung được biểu thị dưới dạng gia
tốc pháp tuyến của máng dẫn không thứ nguyên An/gn. Trong đó,
An là gia tốc pháp tuyến của máng dẫn (
sinψ),
gn gia tốc trọng trường theo phương pháp tuyến (gn=g.cosθ) và g =
9.81m/s2 gia tốc trọng trường. Vậy ta có:
(2.5)
Thay (2.5) vào (2.3) và (2.4) ta có, điều kiện để phôi đi lên là:
(2.6)
Điều kiện để phôi di chuyển lùi xuống là:
(2.7)
So sánh phương trình (2.6) và (2.7) ta thấy rằng điều kiện để
phôi đi lên là:
Khi θ quá nhỏ ta có:

(2.8)

Với biên độ rung động đủ lớn, phôi sẽ di chuyển trên máng
dẫn với trạng thái trượt và nhảy theo đường dẫn. Điều này chỉ xảy
ra khi phản lực N giữa phôi và máng dẫn bằng 0. Theo hình 2.5 ta
có:
(2.9)
Do đó, để phôi rời khỏi máng dẫn ta có:

thống kênh phân loại đều sử dụng thanh gạt làm cấp 1 để tách
được nhiều trạng thái phôi đầu vào và sử dụng các bẫy để định
hướng các trạng thái phôi còn lại (thường là hai) để đưa ra định
hướng phôi yêu cầu. Với cơ cấu hình 2.22a, bẫy có hình dạng chữ
M để cho phép phôi ngửa đi qua và loại bỏ phôi nằm úp dạng vành
khăn.

7


Hình 2. 22. Hệ thống kênh phân loại cho chi tiết dạng (a) vành khăn và (b) trụ
bậc đặc

Cơ cấu hình 2.26b, bẫy gồm vách ngăn, vùng dẫn hướng nhỏ
để trọng tâm phôi nằm úp bên ngoài vùng dẫn hướng và bị loại bỏ;
khi này chỉ còn phôi dạng ngửa được định hướng. Với chi tiết nắp
chai vaccine, định hướng yêu cầu dạng ngửa, có dạng tiếp xúc là
đường nên kết hợp tính năng của hai hệ thống kênh phân loại trên
thì cấu hình hệ thống kênh phân loại gồm: cấp 1- thanh gạt với
nhiệm vụ tách phôi, cấp 2 gồm bẫy (hình 2.22a) và vách ngăn
(hình 2.22b) để định hướng trạng thái phôi yêu cầu. Cấu hình lựa
chọn cho kênh phân loại được thể hiện trên hình 2.23:

Hình 2. 23. Cấu hình hệ thống kênh phân loại cho nắp chai vaccien

Kết luận chƣơng 2.
1. Nghiên cứu lý thuyết động lực học của phôi cho biết được các
lực tác động lên phôi nằm và di chuyển trên đường dẫn hướng.
Nhờ các lực tác động đó phôi sẽ có trạng thái trượt và nhảy khi di
chuyển trên máng dẫn. Đồng thời cũng chỉ rõ điều kiện để phôi có

Kết quả: Khi cần thay đổi các thông số đầu vào, chỉ cần
nhập các thông số thay đổi trong bảng tham số từ Excel và đưa
vào trong môi trường Catia. Ta sẽ nhận được phễu rung cấp phôi
với các thông số hình học đáp ứng yêu cầu đầu vào

9


Hình 3. 3. Quy trình thực hiện mô hình
hóa phễu rung

Hình 3. 10. Quy trình mô hình hóa
nguồn rung

Hình 3.16. Kết quả lắp ráp hệ thống rung cấp nắp chai vaccine

3.3. Kiểm tra và xác nhận mô hình số
3.3.1. Xác định tần số dao động riêng
Nghiên cứu này sử dụng module Modal Analysis của phần
mềm Ansys Workbench để mô phỏng và phân tích dạng dao động
riêng tại các giá trị tần số dao động riêng cơ bản của cơ hệ. Qua đó
xác định được dạng dao động riêng làm việc thực tế của cơ hệ
thông qua mô phỏng. Cũng như có phương hướng thiết kế tránh
10


các dạng dao động riêng phương hại đến hoạt động của cơ hệ khi
có phương lực và tần số tác động tương ứng.
Kết quả mô phỏng cho thấy hình thái chuyển động tại các tần
số dao động riêng cơ bản có tính tương đồng với công bố của A.

dựng
động
học
Hình
38. Sơ
đồ và hàm
thiết đo
của Viện
phương đương
ngang bằng
bị hãng FAG
ứng dụng công nghệ (Nacentech)
tương
hệ thiết
thống

Hình 3.40. Sơ đồ và thiết bị đo VIBROPOST 80

Với thiết bị đo sử dụng hai cảm biến tiệm cận cho phép đo được
biên độ cũng như tần số rung mà không cần tiếp xúc. VIBROPOST
80 cho phép kết nối với bốn module vì vậy nó có thể đo cùng một
lúc cả dao động theo phương ngang và phương tiếp tuyến. Ngoài ra,
thiết bị này còn có thể xác định được tần số riêng của từng chi tiết
trong hệ thống. Với thiết bị lưu trữ ngoài, VIBROPOST 80 cho phép
lưu trữ và xử lý số liệu ngay trên thiết bị.
Theo kết quả xử lý ta thấy rằng, ở mức điện áp 170V, chuyển vị
theo phương thẳng đứng đạt giá trị là 396x2 = 792μm, chuyển vị
theo phương tiếp tuyến là 102x2=204μm. Tần số dao động riêng tại
các mức điện áp là 100Hz (hình 3.41). Từ đó xây dựng các hàm
12


Vtb =107.46 (mm/s)

Hình 3.48. So sánh giá trị vận tốc mô phỏng và vận tốc trên mô hình thực

Kết luận chƣơng 3
1. Đã xây dựng qui trình và giải pháp tự động hóa thiết kế cho
mô hình thiết bị cấp phôi dạng phễu rung bao gồm mô hình hình
học, mô hình vật liệu và mô hình phần tử nhằm cung cấp dữ liệu
cho các quá trình phân tích và chế tạo.
2. Bằng phân tích dao động riêng và dạng dao động, đã chỉ ra một
qui trình thiết kế để đảm bảo tần số riêng của cơ hệ trùng với tần
số kích thích và dạng dao động riêng phù hợp với trạng thái cấp
phôi của hệ thống, qua đó đạt được một hệ thống chủ động cộng
hưởng.
3. Thiết bị thực nghiệm đã chế tạo có tần số cộng hưởng trùng với
tần số của lực kích thích, qua đó khẳng định phương án thiết kế
chủ động cộng hưởng là đúng đắn. Đồng thời xác định được
chuyển vị theo phương thẳng đứng và góc xoay tại một mức điện
áp đầu vào, làm cơ sở xây dựng hàm động học cho phễu rung. Từ
đó tiến hành xây dựng mô hình số rút gọn của thiết bị cấp phôi
rung dạng xoắn vít.
4. Mô hình số rút gọn đã được kiểm tra và xác nhận thông qua
khảo sát, so sánh tốc độ di chuyển của phôi trên mô hình số và mô
hình thực nghiệm tại chế độ điều khiển tương ứng.
14


CHƢƠNG 4. KHẢO SÁT ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƢU
KẾT CẤU ĐIỀU HƢỚNG TRONG HỆ THỐNG CẤP PHÔI



4.2. Đánh giá sự ảnh hƣởng của điện áp đến năng suất cấp
phôi
Để đánh giá sự ảnh hưởng của điện áp đến năng suất cấp phôi,
các mô phỏng được thực hiện với mô hình số được thiết kế với
góc nghiêng rãnh xoắn rãnh xoắn  = 2.50, mức thay đổi điện áp từ
100V đến 170V với các hàm động học được xác định như bảng
3.9. Với mỗi một mô phỏng ở các mức điện áp khác nhau, xác
định vị trí của phôi theo thời gian, tính toán và tìm vận tốc của
phôi.
Từ biểu đồ hình 4.7, ta thấy rằng khi điện áp tăng từ 100-170
(V) thì vận tốc trung bình của phôi cũng tăng tương ứng.

Hình 4.7. Biểu đồ vận tốc phụ thuộc điện áp với góc nghiêng rãnh xoắn 2,50

4.3. Tối ƣu hóa điện áp và góc nghiêng rãnh xoắn đến năng
suất cấp phôi
Các đại lượng đầu vào
- Điện áp đầu vào (V)
- Góc nghiêng rãnh xoắn ()

Quá trình mô phỏng số để tối ưu
điện áp và góc nghiêng rãnh
xoắn của phễu cấp phôi

Các đại lượng động lực học cố định
- Các thông số vật liệu
- Các phương trình động học liên kết
- Hệ số ma sát giữa phôi và máng

Chọn bậc đa thức của hàm hồi qui là hàm bậc bốn với X và
bậc hai với Y. Sử dụng MATLAB ta có kết quả như sau:

Hình 4.11. Kết quả tìm hàm hồi qui trên MATLAB

18


Với bậc của hàm hồi qui đã chọn và các yếu tố đầu vào, đầu
ra. Ta chọn hàm hồi qui trên MATLAB có dạng:
f ( x, y )  331.1  26.26 x  6.964 y  29.38x 2  1.647 xy  0.03254 y 2  12.67 x3  0.3138x 2 y 
0.005274 xy 2  1.386 x 4  0.02096 x3 y  0.00056 x 2 y 2

160
140
120
100
80
60
40
20
0

Vận tốc (mm/s)

Giá trị tối ưu đạt được khi góc nghiêng rãnh xoắn đạt giá trị X
= 1.2560 (1.30) điện áp Y = 170V, khi đó giá trị vận tốc đạt giá trị
lớn nhất V = 138.6157 mm/s.
Thực nghiệm, kiểm tra và so sánh với mô hình số
Từ kết quả tối ưu, tiến hành chế tạo thiết bị thực nghiệm hệ


Hình 4. 1. Quy trình tối ưu hóa cơ cấu điều hướng

Trong nghiên cứu này, chi tiết nắp vaccine có hình dáng tập
hợp của hai dạng: trụ bậc và trụ rộng. Đối với hai dạng đặc trưng
này, sổ tay của Boothroyd, 2005 [4] cũng đưa ra một vài cấu hình.
Từ đó, lựa chọn một số kết cấu bẫy điều hướng với thông số ảnh
hưởng đến chức năng của các bẫy như hình 4.15.

Hình 4. 2. Ba bẫy và các tham số hình học ảnh hưởng đến chức năng của chúng

Các bẫy được thiết kế đảm bảo chức năng của chúng; từ đó
sắp xếp vị trí các bẫy trên máng dẫn. Mỗi cách sắp xếp khau nhau
tạo thành một cấu hình điều hướng, đánh giá từng cấu hình điều
hướng giúp ta lựa chọn được một cấu hình tối ưu. Thứ tự sắp xếp
các bẫy từ trong ra ngoài tương ứng từ trái qua phải như bảng 4.8:

20


Bảng 4.8. Các cấu hình điều hưởng

Với các đại lượng đầu vào cố định mục 4.4.1, lựa chọn các bẫy
phù hợp và tham số kích thước đảm bảo định hướng yêu cầu như
hình 4.15. Sáu cấu hình được đánh giá trên cùng điều kiện như
nhau với thời gian của một bước được cài đặt là 0.001s. Để giảm
thời gian mô phỏng, đầu tiên sẽ đánh giá tỉ lệ phôi đúng hướng sau
30s mô phỏng đầu tiên, thời gian này đảm bảo 10 phôi đầu vào đi
hết 1 lượt qua các cấu hình điều hướng. Sau đó xem xét các cấu
hình đảm bảo tỉ lệ phôi đúng hướng đạt 100%, đây là tỉ lệ mà thiết

3. Đã xây dựng được mô hình số và qui trình thực hiện trên MSC
ADAMS của phễu rung có kiểm tra xác nhận theo dữ liệu thực
nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của góc nghiêng rãnh xoắn, kết cấu
và cấu hình hệ thống bẫy phân loại đến năng suất cấp phôi.

22


KẾT L UẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
1. Trên cơ sở khảo cứu tài liệu và nghiên cứu lý thuyết, luận án đã
chỉ ra các thông số động lực học ảnh hưởng đến quá trình di
chuyển của phôi cũng như kết cấu kênh dẫn, kết cấu bẫy phân loại
và thứ tự của chúng ảnh hưởng đến năng suất cấp phôi. Hệ thống
cấp phôi theo nguyên lý rung động làm việc tốt nhất ở chế độ cộng
hưởng khi tần số riêng của cơ hệ bằng tần số lực kích rung, từ đó
xây dựng quy trình thiết kế theo nguyên tắc chủ động cộng hưởng.
2. Trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm từ mẫu thử kết hợp với các
thiết bị đo, luận án đã xác định được tần số dao động riêng của hệ
thống bằng với tần số lực kích rung. Đồng thời xác định được
chuyển vị theo phương thẳng đứng và góc xoay tại các mức điện
áp khác nhau, từ đó xây dựng được các quan hệ động học theo các
mức điện áp làm tiền đề cho mô phỏng số. Dữ liệu thực nghiệm đã
được thu thập làm căn cứ kiểm tra, so sánh và xác nhận mô hình
số.
3. Bằng mô phỏng số đã đánh giá được sự ảnh hưởng của góc
nghiêng rãnh xoắn và các thông số động lực học là biên độ và góc
xoay thể hiện qua điện áp nguồn rung, cũng như đã đánh giá được
sự ảnh hưởng của cơ cấu điều hướng đến năng suất cấp phôi. Hàm
hồi quy giữa góc nghiêng rãnh xoắn và điện áp được xây dựng