Đề tài Mô phỏng và thiết kế thiết bị trong quá trình sản xuất

LỜI MỞ ĐẦU Trong thời kì công nghiệp hóa hiện đại hóa đất nước, cùng với sự phát triển của hệ thống truyền thông đa phương tiện, nhiều đơn vị nghiên cứu khoa học, đã nghiên cứu và xây dựng thành công hệ thống phần mềm mô phỏng những hoạt động phức tạp trong các hệ thống máy móc trang bị dựa trên công nghệ mô phỏng 3D. Những sản phẩm mô phỏng sẽ được áp dụng trong việc thiết kế các thiết bị trong nhà máy sản xuất, cụ thể là giới thiệu cấu trúc, cơ chế hoạt động của các thiết bị dùng trong sản xuất, thông thường bằng các sản phẩm đồ họa 3D từ Maya, 3DS max, Invertor, Solidworks, AutoCAD, Đặc điểm của các sản phẩm này là mô phỏng tương đối chính xác các chi tiết về các thiết bị, các hoạt động của các bộ phận cơ khí không quan sát được. Với khả năng đồ họa và lập trình của công nghệ mô phỏng 3D, người học có thể quan sát được từng chi tiết các hoạt động của các bộ phận thiết bị trong quá trình sản xuất, quy trình hoạt động và tương tác của các bộ phận thiết bị. Cùng với việc mô tả các hoạt động vật lý trong trang thiết bị, công nghệ mô phỏng 3D cho phép mô tả những tác động ảnh hưởng của môi trường, của người sử dụng thiết bị đến kết quả đạt được. Hệ thống phần mềm mô phỏng các thí nghiệm bằng hình ảnh minh họa sống động, giúp cho người xem dễ nhận biết, dễ tiếp thu. Trong thời kì công nghệ phát triển thì việc sử dụng mô phỏng thiết kế cũng ngày càng cao. Việc mô phỏng một thiết bị trước khi thiết kế là rất quan trọng và cần thiết. Mô phỏng thiết bị nhằm xác định hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của thiết bị để có thể triển khai áp dụng rộng rãi trong thực tiễn sản xuất. Mô phỏng thiết bị để nghiên cứu một số thông số tối ưu làm cơ sở hoàn thiện quá trình công nghệ và thiết kế chế tạo thiết bị bằng phương pháp sấy thăng hoa nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí cho quá trình. Đây chính là lý do chúng em chọn đề tài “Mô phỏng và thiết kế thiết bị trong quá trình sản xuất”. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ PHỎNG VÀ THIẾT KẾ I.1. Khái niệm mô phỏng Mô phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực, mô phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mô hình. Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật thật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận tương tự với vật thật. Ta có thể thực hiện việc mô phỏng từ những phương tiện đơn giản như giấy, bút đến các nguyên vật liệu tái tạo lại nguyên mẫu (mô hình bằng gỗ, gạch, sắt,) hay hiện đại hơn là dùng máy tính điện tử. Mô phỏng máy tính sử dụng mô tả toán học, mô hình của hệ thống thực ở dạng chương trình máy tính. Mô phỏng máy tính thường được sử dụng rất có hiệu quả để nghiên cứu trạng thái động của nguyên mẫu trong những điều kiện nếu nghiên cứu trên vật thật sẽ khó khăn, tốn kém và không an toàn. Mô phỏng máy tính là hiển thị một chuỗi các hình ảnh hoặc khung hình trên màn hình phỏng theo một chuyển động nào đó. Thực ra, mô phỏng là một dạng ảo ảnh thị giác, tạo nên sự năng động, truyền sinh khí và chuyển động cho những đối tượng khô khan. Mô phỏng trên máy tính là xu hướng dạy học mới, hiện đại đã và đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực giáo dục, các bài giảng có ứng dụng mô phỏng kết hợp phương tiện nghe nhìn hiện đại sẽ tạo cho sinh viên nhiều kỹ năng như: khả năng hoạt động quan sát (các hình ảnh tĩnh hoặc động), khả năng thao tác trên đối tượng, khả năng tự do phát triển tư duy, lựa chọn con đường tối ưu để nhận thức. Hình 1.1 Thiết bị mô phỏng hình ảnh ứng dụng trên xe đạp I.2. Khái niệm thiết kế Thiết kế là việc tạo ra một kế hoạch hoặc quy ước cho việc xây dựng một đối tượng hoặc một hệ thống (như trong bản thiết kế kiến trúc, bản vẽ kỹ thuật, quy trình kinh doanh, sơ đồ mạch và các mẫu may). Thiết kế có ý nghĩa khác nhau trong các lĩnh vực khác nhau. Trong một số trường hợp, việc xây dựng trực tiếp của một đối tượng (như trong đồ gốm, kỹ thuật, quản lý, lập trình và thiết kế đồ họa) cũng được coi là thiết kế. Một định nghĩa khác cho thiết kế là một lộ trình hoặc một cách tiếp cận chiến lược cho một người nào đó để đạt được một kết quả duy nhất. Nó định nghĩa các thông số kỹ thuật, kế hoạch, thông số, chi phí, hoạt động, quy trình và cách thức và phải làm gì trong những ràng buộc pháp lý, chính trị, xã hội, môi trường, an toàn và kinh tế trong việc đạt được mục tiêu đó. Quy trình thiết kế sản phẩm: thường là một chu trình lặp lại nhiều vòng, từ khi hình thành ý tưởng sản phẩm tới khi đưa sản phẩm vào sản xuất, và có thể được mô tả trong hình sau: Hình 1.2 Quy trình thiết kế sản phẩm Trong giai đoạn đầu: hình thành ý tưởng, ý đồ về sản phẩm/công nghệ. Mục tiêu chủ yếu là tìm kiếm các ý tưởng về sản phẩm và công nghệ có thể sử dụng và khai thác trong tương lai. Nó có thể bắt đầu ngay từ khi một sản phẩm/công nghệ mới khác bắt đầu được đưa ra thị trường, nhưng cũng có thể chỉ xuất hiện khi các sản phẩm đang được sử dụng đã tỏ rõ những ưu điểm và nhược điểm của chúng. Những ý tưởng mới này có thể được thu thập qua công tác nghiên cứu của bản thân doanh nghiệp, qua các thông tin chuyên ngành, qua các quan sát của cán bộ, nhân viên công ty, qua các hoạt động nghiên cứu của các bộ phận có liên quan của doanh nghiệp và qua các nguồn thông tin khác. Nhiều khi, các doanh nghiệp tổ chức các cuộc thi để tìm tòi các ý tưởng thích hợp cho mình. Trong giai đoạn thiết kế chi tiết sản phẩm và công nghệ: các ý tưởng về sản phẩm và công nghệ mới sẽ được lần lượt cụ thể hoá bằng các thiết kế cụ thể (về kiểu dáng, kết cấu, tính năng tác dụng, vật liệu, kỹ thuật sản xuất, khả năng sử dụng,...) và kiểm định trên tất cả các mặt này. Những hoạt động đó có thể được thực hiện một cách riêng rẽ hoặc theo đề án (một cách tổng hợp). Nó không chỉ bao gồm việc cụ thể hoá các ý đồ bằng các bản vẽ kỹ thuật, các bản hướng dẫn kỹ thuật và công nghệ, mà còn có cả những kết luận, đánh giá về các phương án được đưa ra. Những đánh giá này đều được tập hợp, lưu trữ để sử dụng lại sau này (chẳng hạn khi nghiên cứu để đổi mới, cải tiến ngay chính những sản phẩm công nghệ này). Như vậy, sản phẩm của giai đoạn này là một hệ thống những bản vẽ, những bản thiết kế với những mức độ cụ thể và nội dung khác nhau liên quan tới toàn bộ quá trình sản xuất, lưu thông và khai thác, sử dụng các sản phẩm/công nghệ đó. Trong nhiều trường hợp, việc thiết kế chỉ được coi là hoàn thành khi có mô hình mô phỏng sản phẩm/công nghệ mới. Nếu như việc hình thành ý tưởng, ý đồ với sản phẩm và công nghệ đòi hỏi có sự tham gia của đông đảo mọi người thì những hoạt động thiết kế trong giai đoạn này lại thường được tập trung vào một số bộ phận có liên quan (phòng kỹ thuật, trung tâm nghiên cứu, phòng thí nghiệm,...) chỉ sau khi đã có các bản thiết kế và mô hình sản phẩm/công nghệ mới người ta mới tổ chức đánh giá chúng và tập hợp ý kiến của những người có liên quan. Sản xuất thử: là giai đoạn bắt buộc phải có trong hầu hết các hoạt động nghiên cứu, thiết kế sản phẩm và công nghệ mới. Mục đích của việc này không chỉ là kiểm tra, đánh giá lại khả năng sản xuất ra sản phẩm hoặc khả năng sử dụng, vận hành công nghệ mà nó còn giúp cho các nhà thiết kế phát hiện những bất hợp lý trong kết cấu của sản phẩm/công nghệ. Đối với những sản phẩm/công nghệ có liên quan tới sức khoẻ con người và sự an toàn lao động, sự kiểm nghiệm càng chặt chẽ thì vai trò của quá trình sản xuất thử càng quan trọng, việc thực hiện chúng có quy mô càng lớn và phức tạp. Hầu hết các nước đều có những quy định cụ thể (về mặt kỹ thuật - công nghệ và tiêu chuẩn vệ sinh, sức khoẻ) về việc kiểm nghiệm sản xuất thử như thế này. Giai đoạn này chỉ kết thúc khi có kết luận rõ ràng sản phẩm/công nghệ được dự kiến đưa ra sản xuất không thích hợp hoặc chúng được chấp nhận và các tài liệu thiết kế (đã sửa đổi/điều chỉnh) được bàn giao cho bộ phận sản xuất. Sau khi việc sản xuất thử đã khẳng định tính ưu việt, hiệu quả của sản phẩm/công nghệ mới, chúng được chuyển sang sản xuất hàng loạt hoặc sử dụng một cách đại trà. Đây là giai đoạn khai thác kinh tế sản phẩm/công nghệ mới. Trong và sau khi sản xuất hàng loạt, có thể có những cải tiến cần thiết hoặc có sự đa dạng hoá sản phẩm/công nghệ trước khi đưa vào tiếp tục sản xuất sản phẩm (hoặc sử dụng công nghệ). Các hoạt động này thường đan xen vào nhau, vừa cho phép kéo dài thời gian sản xuất sản phẩm và khai thác công nghệ trên thực tế. Điều quan trọng trong 2 giai đoạn này là phải có chế độ đánh giá định kỳ việc sử dụng công nghệ sản xuất sản phẩm theo giác độ nghiên cứu - thiết kế để có sự cải tiến thích hợp. Mục tiêu của quá trình sử dụng công nghệ và sản xuất sản phẩm là khai thác chúng càng nhiều càng tốt chứ không phải càng lâu càng tốt. Theo mô hình trên, có thể hình dung được rằng, trong quá trình nghiên cứu, thiết kế sản phẩm và công nghệ mới, người ta có thể thu được không phải chỉ là một, mà có thể là một số sản phẩm/công nghệ mới. Điều này cho phép các doanh nghiệp có thể lựa chọn sử dụng sản phẩm/công nghệ nào cho thích hợp. I.3. Một số phần mềm dùng trong mô phỏng và thiết kế Edraw Max 6.1: là một phần mềm dành cho các sinh viên, giảng viên và các nhân viên kỹ thuật thiết kế các đồ hình, mô hình, sơ đồ tuyệt đẹp đáp ứng được các nhu cầu cao về mặt thẩm mỹ. Ngoài ra Edraw Max còn được sử dụng thiết kế cho nhiều ngành khác như Trang trí nội thất, Điện, Kiến trúc, Nó là một trong tất cả các đồ họa phần mềm làm cho nó đơn giản tạo chuyên nghiệp, tìm sơ đồ, bảng xếp hạng tổ chức, sơ đồ mạng, thuyết trình kinh doanh, kế hoạch xây dựng, bản đồ tâm trí, thiết kế thời trang, sơ đồ UML, quy trình công việc, cấu trúc chương trình, sơ đồ thiết kế web, sơ đồ kỹ thuật điện, bản đồ hướng, sơ đồ cơ sở dữ liệu và nhiều hơn nữa. Với hơn 200 loại sơ đồ khác nhau, thư viện đa dạng và hơn 6000 biểu tượng vector giúp vẽ sơ đồ có thể được dễ dàng hơn. Edraw Max cho phép bạn tạo ra một loạt các sơ đồ sử dụng các mẫu, hình dạng, và các công cụ vẽ trong khi làm việc trong một môi trường văn phòng phong cách trực quan và quen thuộc. Ưu điểm: Dễ sử dụng. Nhiều mẫu sẵn sàng để sử dụng. Bao gồm một bộ sưu tập clipart phong phú. Nhược điểm: Giá còn cao. Hình 1.3 Biểu tượng của phần mềm Edraw Max AutoCAD: là một trong những phần mềm vẽ đồ họa 3D trên máy tính tốt nhất hiện nay, được phát triển bởi tập đoàn Autodesk. Hầu hết các kỹ sư công trình, xây dựng cầu đường, nhà ở, kiến trúc,... đều sử dụng AutoCAD là công cụ để sáng tạo ra các tác phẩm, công trình của mình. Phần mềm AutoCAD hỗ trợ người dùng tạo các bản vẽ kỹ thuật vector 2D, 3D hay dùng để vẽ các bản vẽ 2 chiều (2D) và 3 chiều (3D) các mô hình hóa hình học và tạo ra nhiều hình ảnh thực vật thể. Ưu điểm: Tạo và sửa lỗi dễ dàng hơn. Trực quan hơn vì cho phép ta quan sát mô hình ở góc nhìn 3D với rất nhiều cách quan sát khác nhau. Lưu và tái sử dụng các bản vẽ dễ dàng hơn bằng đĩa cứng hay CD. Tăng độ chính xác. Do vẽ bằng máy tính nên chắc chắn bản vẽ xuất ra sẽ chính xác hơn làm bằng tay rất nhiều. Lưu trữ thành cơ sở dữ liệu để dễ dàng quản lý hơn. Đồng thời chuyển file mô hình dễ dàng hơn Internet. Giảm thiểu thời gian trao đổi thao luận giữa các kỹ sư ở các khu vực địa lý khác nhau. Gửi nhận qua email chỉ mất vài giây. Việc phân tích, mô phỏng và kiểm tra mô hình 3D dễ dàng hơn. Nhược điểm: Thời gian và chi phí cho việc triển khai một hệ CAD là lớn. Thời gian và chi phí cho việc đào tạo người dùng CAD lớn. Tuy nhiên hiện nay nhờ nguồn tài liệu phong phú trên mạng Internet và các diễn đàn thảo luận mở nên cũng có phần dễ dàng hơn chút. Chi phí bảo trì cho phần mềm CAD là lớn. Thời gian và chi phí cho việc chuyển các bản vẽ cũ, vẽ bằng tay sang CAD cũng không nhỏ. Hình 1.4 Biểu tượng của phần mềm AutoCAD SolidWorks: Là một trong những phần mềm chuyên về thiết kế 3D do hãng Dassault System phát hành dành cho những xí nghiệp vừa và nhỏ, đáp ứng hầu hết các nhu cầu thiết kế cơ khí hiện nay. Solidworks được biết đến từ phiên bản Solidworks 1998 và được du nhập vào nước ta với phiên bản 2003 và cho đến nay với phiên bản 2016 phần mềm này đã phát triển đồ sộ về thư viện cơ khí và phần mềm này không những dành cho những xí nghiệp cơ khí nữa mà còn dành cho các ngành khác như: đường ống, kiến trúc, trang trí nội thất, mỹ thuật, Ưu điểm: Giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng và trực quan hơn. Khả năng tương thích với các chương trình 3D. Thiết kế mềm mại, mượt mà, hợp lý hơn với nhiều kiểu lắp ghép thông minh hơn, giúp hoàn thiện thiết kế nhanh hơn. Nhược điểm: Đòi hỏi cấu hình máy tính phải mạnh. Hình 1.5 Biểu tượng của phần mềm AutoCAD và SolidWorks Autodesk Inventors: là một phần mềm CAD ứng dụng trong thiết kế mô hình động học cơ khí, với nhiều khả năng mạnh trong thiết kế mô hình Solid, có giao diện người dùng thuận tiện và trực quan. Autodesk Inventors có các công cụ tạo mô hình 3D, quản lý thông tin, làm việc nhóm và các hỗ trợ kỹ thuật. Có thể sử dụng phần mềm này để xây dựng các mô hình 3D và các bản vẽ 2D; xây dựng các chi tiết thích nghi, các chi tiết và các bản vẽ lắp; quản lý các chi tiết và mô hình lắp ghép với số lượng lớn các chi tiết; nhập các file SAT, STEP, AutoCad, Autodesk Mechanical Desktop và các file IGES; làm việc nhóm với nhiều thành viên trong quá trình xây dựng mô hình. Ưu điểm: Thiết kế mạch lạc, sử dụng công nghệ phát triển thông dụng. Tương tích với phần cứng hiện đại. Có khả năng xử lý hàng ngàn chi tiết và các cụm lắp ráp lớn. Cung cấp giao diện lập trình ứng dụng. Có khả năng trao đổi trực tiếp dữ liệu thiết kế với bản vẽ 2D của AutoCAD, mô hình 3D của Mechanical Desktop hoặc mô hình STEP từ các hệ thống CAD khác. Nhược điểm: Đòi hỏi cấu hình máy tính phải mạnh. Hình 1.6 Biểu tượng của phần mềm Autodesk Inventor Các bước mô phỏng thiết bị Các bước mô phỏng: Bước 1: Xây dựng sơ đồ quá trình sản xuất Bước 2: Kiểm tra đơn vị đo lường Bước 3: Xác định các thành phần Bước 4: Chọn nhiệt độ thích hợp Bước 5:Cung cấp nguồn dữ liệu Bước 6: Cung cấp điều kiện cho quá trình Bước 7: Chạy và xem kết quả Các bước mô phỏng thiết bị bằng phần mềm Inventor: Shape Generator: Sử dụng các công cụ tạo hình để khám phá khả năng thiết kế sớm hơn trong giai đoạn thiết kế. Xác định các hình dạng và chức năng cơ bản cho một bộ phận hoặc cả thiết kế và Inventor cung cấp một hình thức tối ưu hóa cho độ cứng, trọng lượng. Với Shape Generator bạn có thể nạp và áp dụng các điều kiện trong thế giới thực để xem sản phẩm sẽ được sử dụng như thế nào; kiểm soát xem ở đâu và trong hình dạng nào thì sản phẩm là tối ưu với độ dày vật liệu tối thiểu; xác định các vùng cần tránh (keep - out zone) và duy trì đối xứng; sử dụng các hình dạng được tạo ra như một hình tham khảo bên trong môi trường thiết kế. Hình 2.1 Công cụ tạo hình của phần mềm thiết kế CAD Inventor Mô hình tham số: Sử dụng menu để truy cập các lệnh ngay tại con trỏ chuột; tạo các thông số và kích thước như đã phác họa; đối tượng 3D, fillet, chamfer có kích thước linh hoạt; lệnh Iterate trên thiết kế sử dụng các công cụ để nhanh chóng xác định những tính năng hiện có trong lịch sử mô hình và xem các mối quan hệ cha con. Hình 2.2 Truy cập các lệnh thông qua menu ngay tại con trỏ chuột Lắp ráp các mô hình: Nhanh chóng lắp ráp các sản phẩm của bạn để đánh giá độ phù hợp và chức năng. Xác định các chỗ chưa phù hợp, tạo bản vẽ phối cảnh và mô phỏng hiệu suất của các bộ phận được lắp ráp. Sử dụng các khớp để áp dụng các ràng buộc thích hợp trong một bước duy nhất; sử dụng dữ liệu từ bất cứ nguồn nào, duy trì một liên kết đến tập tin gốc. Hình 2.3 Lắp ráp các mô hình trong phần mềm mô phỏng sản phẩm 3D Inventor Tạo bản vẽ: Tạo các bản vẽ kết hợp như tập tin DWG gốc trong Inventor hoặc AutoCAD. Sửa đổi kích thước trong bản vẽ để tạo thay đổi trong mô hình 3D và nhiều hơn nữa. Xác định vị trí, tỷ lệ, định hướng hình chiếu với các điều khiển tương tác. Sử dụng menu đánh dấu để thêm hình chiếu phụ và hình cắt. Trình bày chi tiết bản vẽ một cách nhanh chóng bằng cách lấy kích thước từ các thông số mô hình. Hình 2.4 Xác định vị trí, tỷ lệ của mô hình trong bản vẽ Tạo mô hình linh hoạt: Sử dụng các công cụ mô hình thích hợp cho mọi công việc. Tạo mô hình theo cách bạn muốn: Tạo mô hình tham số: Xác định mối quan hệ giữa các tính năng và các thành phần trong mô hình. Tạo mô hình hình dạng tự do: Tạo hình dạng phức tạp sử dụng công nghệ T – Splines. Tạo mô hình trực tiếp: Thực hiện nhanh các chỉnh sửa trong mô hình với các điều khiển push/pull đơn giản. Hình 2.5 Các công cụ tạo mô hình trong phần mềm đồ họa kỹ thuật Inventor Thiết kế khái niệm và layout: Mở tập tin DWG của AutoCAD trực tiếp từ bên trong Inventor làm cơ sở cho mô hình 3D: Rút ra các khối được tạo bên trong AutoCAD vào các phần tập tin riêng biệt. Thêm các ràng buộc để đặt chúng vào mô hình lắp ráp. Tiếp tục chỉnh sửa layout 2D hoặc khái niệm bên trong AutoCAD. Các mô hình Inventor tự động cập nhật mà không cần phải làm lại. Hình 2.6 Thiết kế layout và khái niệm trong Inventor Thiết kế các bộ phận nhựa: Với các công cụ thiết kế bộ phận nhựa trong Inventor bạn có thể: Tạo các hình dạng phức tạp dựa trên công nghệ T – Splines. Tạo các hình phổ biến như hình vòm, gờ cong hay các lưới tản nhiệt. Xác định các vấn đề chất lượng tiềm năng trong bộ phận sử dụng phân tích dòng nhựa dựa trên công nghệ Moldflow. Hình 2.7 Thiết kế các bộ phận nhựa tiêu chuẩn, phức tạp với Inventor Thiết kế tấm kim loại phức tạp: phù hợp với tiêu chuẩn của doanh nghiệp nhờ vào các công cụ với khả năng: Chuyển đổi thiết kế tấm kim loại 2D sang mô hình 3D hoặc tạo mới từ đầu. Tạo nếp gấp, đường viền và gờ nổi (mặt bích). Hình 2.8 Thiết kế tấm kim loại và các chi tiết trên bề mặt trong Inventor Cấu hình sản phẩm tự động: Kéo và thả code từ thư viện đoạn code khổng lồ trong ứng dụng. Chọn các thông số và quy tắc từ một danh sách và thêm chúng vào form mà không cần lập trình. Để triển khai các cấu hình ở bên ngoài doanh nghiệp bạn chỉ cần tải các sản phẩm lên đám mây, sử dụng dịch vụ Configurator 360. Hình 2.9 Cấu hình sản phẩm tự động nhờ các thông số trong Inventor Thiết kế bộ phận và lắp ráp tự động: Tạo các bộ phận, tính năng, lắp ráp có thể tái sử dụng, có thể cấu hình bằng cách xác định các tham số biến. Để chèn bộ phận, tính năng, lắp ráp trong thiết kế chỉ cần chọn vị trí và xác định các thông số của hình học mục tiêu. Hình 2.10 Xác định vị trí, thông số để chèn các lắp ráp trong Inventor Tạo và tính toán các thành phần: Sử dụng công cụ máy tính được tích hợp sẵn để biết được các khớp phổ biến trong thiết kế như mối hàn, kẹp và miếng lót. Công cụ tạo thành phần tự động tạo ra các bộ phận đáp ứng yêu cầu thiết kế của bạn như kết nối bắt vít bên trong một khối lắp ráp. Hình 2.11 Tạo các bộ phận đáp ứng yêu cầu thiết kế trong Inventor Thiết kế khung tự động: Đơn giản hóa việc thiết kế các khung cấu trúc nhờ lệnh tự động. Với các lệnh này bạn có thể: Chèn các thành phần khung từ thư viện của hàng ngàn khung tiêu chuẩn. Dịch chuyển hoặc xoay khung như bạn muốn. Áp dụng cắt tỉa cho nhiều thành phần khung cùng lúc. Để phân tích hiệu suất của khung hình chỉ cần thêm các ràng buộc và chỉ định nơi để áp dụng tải. Hình 2.12 Thiết kế khung cấu trúc đơn giản hơn với các lệnh tự động trong Inventor Xuất file PDF 3D: Xuất khẩu các thiết kế 3D của bạn sang định dạng PDF 3D để bất cứ ai cũng có thể xem thiết kế 3D với Adobe Acrobat Reader. Với tính năng này bạn có thể: Bao gồm nhiều bản trình bày thiết kế do người dùng định nghĩa. Đính kèm tệp bổ sung vào file PDF, bao gồm cả bản vẽ và các định dạng tập tin CAD. Xem cấu trúc lắp ráp hoàn thiện và thuộc tính tập tin. Hình 2.13 Xuất tài liệu PDF 3D để cộng tác tốt hơn Hình 2.14 Chèn các đoạn lắp ráp nhỏ vào bản vẽ trong Inventor BIM có khả năng tương tác: Sử dụng các công cụ BIM (Building Information Modeling) để: Giảm sự phức tạp của mô hình 3D trong các mô hình BIM có sẵn. Xác định các điểm kết nối và thuộc tính hệ thống. Xuất tập tin như một Revit gốc hoặc trong định dạng IFC để sử dụng trong các BIM. Hình 2.15 Xác định các điểm kết nối hệ thống trên bản vẽ Quản lý dữ liệu: Quản lý tất cả các dữ liệu thiết kế của bạn ở một vị trí duy nhất. Chức năng tìm kiếm mạnh mẽ giúp dễ dàng tìm thấy các tập tin. Nhanh chóng sao chép thiết kế tập tin để sử dụng chúng trong các thiết kế mới hoặc thiết kế chuyển hóa. Tránh ghi đè lên dữ liệu với khả năng check - in, check - out. Hình 2.16 Quản lý tất cả các tài liệu liên quan đến thiết kế ở cùng một vị trí trong Inventor Xem mô hình với các hiệu ứng: Chọn lệnh Tweak để tạo di chuyển tương tác hoặc xoay các thành phần. Lưu bản chụp khi xem mô hình để sử dụng bên trong timeline hiệu ứng, xem bản vẽ hoặc lưu lại dưới dạng hình ảnh mô hình. Khi trình xem sẵn sàng, hãy thiết lập trình tự để hiển thị từng bước trong quá trình lắp ráp và tạo hiệu hứng để trình bày cách các bộ phận sẽ được ghép vào nhau. Hình 2.17 Thiết lập trình tự lắp ráp và hiệu ứng cho mô hình để hình dung dễ dàng hơn Hình dung và dựng hình: Tính năng này cho phép hình dung rõ ràng hơn sản phẩm đã thiết kế với các công cụ dựng hình: Chọn kiểu bạn muốn ngay trong môi trường thiết kế. Sử dụng chế độ mặc định như bóng mờ, wireframe, đơn sắc hoặc minh họa. Sử dụng kỹ thuật ray tracing để nhận được một bản dựng hình tốt nhất có thể. Một số ví dụ mô phỏng quy trình sản xuất trong công nghệ thực phẩm III.1. Mô phỏng về quy trình sản xuất bia Hình 3.1 Quy trình sản xuất bia Tóm tắt quy trình: III.2. Quy trình sản xuất đường Hình 3.2 Quy trình sản xuất đường Mô phỏng hệ thống sấy thăng hoa Hình 4.1 Thiết bị hệ thống sấy thăng hoa gián đoạn 1 - Bình thăng hoa; 2 - Van; 3 - Xyphông; 4 - Bể chứa nước nóng; 5 - Bình ngưng nước nóng; 6 - Bình tách lỏng; 7 - Giàn ngưng; 8 - Bình chứa ammoniac; 9 - Máy nén; 10 - Bơm chân không; 11, 12, 13 - Động cơ điện; 14 - Bơm nước; 15 - Phân tử lổ; 16 - Tấm gia nhiệt; 17 - Chân không kế; 18 - Van điều chỉnh; 19 - Khay chứa vật liệu; 20 - Tấm gia nhiệt dưới; 21 - Bộ điều chỉnh nhiệt Hình 4.2 Mô phỏng các thiết bị trong quá trình sấy thăng hoa Hình 4.2 Mô phỏng một số thiết bị trong quá trình sấy thăng hoa 1 – Bình thăng hoa; 2 – Chân không kế; 3 – Van điều chỉnh; 4 – Bể chứa nước nóng; 5 – Bình ngưng nước nóng; 6 – Bơm chân không; 7 – Bình tách lỏng; 8 – Máy nén; 9 – Bình chứa ammoniac; 10 – Giàn ngưng Tóm tắt quy trình: Vật liệu sấy được làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp trong các kho lạnh sâu (- 10 ¸ - 40oC) được cho vào bình thăng hoa (1). Bình thăng hoa một mặt được nối với bơm chân không (10) qua bình ngưng – đóng băng (5) và được làm lạnh bằng máy lạnh ammoniac. Máy lạnh gồm máy nén (9), giàn ngưng (7), bình tách lỏng (6) và bình chứa ammoniac (8). Nhờ bình ngưng – đóng băng mà ẩm thoát ra từ vật liệu dưới dạng băng, máy hút chân không (10) làm việc với không khí khô. Điều đó không những tạo cho bơm chân không làm việc nhẹ nhàng mà theo tính toán trong thực tế thì chi phí điện năng cho cả hệ thống sẽ giảm. Ngoài ra bình thăng hoa nối với hệ thống cung cấp nước nóng từ bình chứa (4) làm nguồn gia nhiệt cho vật liệu. Các thiết bị chính của hệ thống sấy thăng hoa bao gồm bình thăng hoa, bình ngưng đóng băng, bơm chân không và máy lạnh với các thiết bị: bình tách lỏng giàn ngưng, bình chứa tác nhân lạnh và máy nén. Các máy sấy thăng hoa bao gồm một buồng chân không có chứa các khay đựng sản phẩm và thiết bị đun nóng để cấp nhiệt cho quá trình thăng hoa. Các ống xoắn ruột gà lạnh hoặc các bản dẹt lạnh được sử dụng để ngưng tụ hơi nước trực tiếp thành băng. Chúng được gắn với thiết bị tự động làm tan băng để giữ cho bề mặt của các dây xoắn ruột gà được trống tối đa cho việc ngưng tụ hơi nước. Điều này là cần thiết bởi vì phần lớn năng lượng đầu vào được dùng làm lạnh đông ở các thiết bị ngưng tụ và vì thế tính kinh tế của sấy thăng hoa được xác định bởi hiệu suất của thiết bị ngưng tụ. Cấu tạo hai thiết bị chính: Bình thăng hoa: Bình là một hình trụ tròn nằm ngang. Một đáy được hàn liền với hình trụ còn đáy kia là một chòm cầu được gắn với thanh hình trụ bằng bu lông để đưa vật liệu sấy vào ra. Đỉnh bình thăng hoa có một mặt nối với bơm chân không qua bình ngưng – đóng băng. Phía trong bình thăng hoa người ta bố trí các hộp kim loại xen kẽ nhau. Trên các hộp đó là các khay chứa vật liệu sấy. Trong các hộp là nước nóng chuyển động. Do nhiệt độ trong bình thăng hoa rất thấp và có mật độ chân không rất lớn nên truyền nhiệt giữa các thành hộp chứa nước nóng với vật liệu sấy chủ yếu sảy ra nhờ bức xạ nhiệt. Thiết bị sấy thăng hoa phải có độ dày và vật liệu phải đảm bảo chịu được áp suất chân không lớn nhất trong quá trình sấy. Các khay sấy sẽ được đặt vào lòng buồng sấy, thiết bị sẽ được phân loại theo diện tích sấy. Hình 4.3 Cấu tạo bình thăng hoa và khay sấy Bình ngưng - đóng băng: Là một thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống. Cấu tạo của bình là một hình trụ đứng, trong đó bố trí các ống có đường kính 51 - 57 mm được gắn kết với nhau và với hình trụ nhờ hai mặt sàng. Hỗn hợp hơi nước và không khí được bơm chân không hút từ bình thăng hoa qua một lưới phân phối phía dưới đi vào trong các ống. Amoniac đưa vào trên mặt sàn và chứa đầy không gian giữa các ống. Ở đây hỗn hợp hơi nước – không khí được làm lạnh và hơi nước trong hỗn hợp đó ngưng tụ lại bám vào các thành trong của ống, còn không khí khô qua bơm chân không để thải vào khí quyển. Ngược lại amoniac lỏng nhận nhiệt của hỗn hợp hơi nước – không khí để bay hơi và qua bình tách lỏng về máy nén cùa máy làm lạnh. Hình 4.5 Cấu tạo bình ngưng – đóng băng Giàn ngưng: Giàn ngưng là thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống lồng. Ống bằng đồng có cảnh tản nhiệt bằng nhôm. Gas lạnh đi trong ống còn nước làm mát đi ngược chiều trong không gian giữa hai ống. Nước làm mát khi ra khỏi giàn ngưng sẽ được đưa lên tháp giải nhiệt để làm mát rồi cho quay lại để giải nhiệt cho dàn ngưng. Hình 4.6 Cấu tạo giàn ngưng Bình tách lỏng: Là thiết bị có nhiệm vụ tách các giọt hơi ẩm còn lại trong dòng hơi trước khi về máy nén, dùng để ngăn ngừa hiện tượng ngập lỏng gây hư hỏng máy nén. Khi giảm đột ngột tốc độ dòng hơi từ tốc độ cao xuống tốc độ thấp vào khoảng 0,5 m/s đến 1 m/s thì các giọt lỏng mất động năng và rơi xuống đáy bình. Khi thay đổi hướng chuyển động của dòng môi chất một cách đột ngột, dòng môi chất đưa vào bình không theo phương thẳng mà thường theo những góc nhất định. Dùng các tấm chắn để ngăn các giọt lỏng, khi dòng môi chất chuyển động va vào các vách chắn, các giọt lỏng bị mất động năng và rơi xuống, kết hợp tách lỏng hồi nhiệt, hơi môi khi trao đổi nhiệt sẽ bốc hơi hoàn toàn. Bình tách lỏng làm việc ở nhiệt độ thấp nên phải bọc cách nhiệt và thường lắp trên cao ngoài gian máy, ngay trên phòng lạnh. Hình 4.7 Bình tách lỏng Máy nén khí kiểu piston dạng một cấp: Ở kì nạp, chân không được tạo lập phía trên piston, do đó không khí được đẩy vào buồng nén thông qua van nạp. Van này mở tự động do sự chênh lệch áp suất gây ra bởi chân không ở trên bề mặt piston. Khi piston đi xuống tới điểm dưới và bắt đầu đi lên, không khí đi vào buồng nén do sự mất cân bằng áp suất phía trên và dưới nên van nạp đóng lại và quá trình nén khí bắt đầu xảy ra. Khi áp suất trong buồng nén tăng tới một mức nào đó sẽ làm cho van thoát mở ra, khí nén sẽ thoát qua van thoát để đi vào hệ thống khí nén. Cả hai van nạp và thoát thường có lò xo và các van đóng mở tự động do sự chênh lệch áp suất ở phía của mỗi van. Sau khi piston lên đến điểm trên và bắt đầu đi xuống trở lại, van thoát đóng và một chu trình nén khí mới bắt đầu. Máy nén khí kiểu piston một cấp có thể hút được lượng đến 10m/phút và áp suất nén được 6 bar, trong một số trường hợp áp suất nén đến 10 bar. Máy nén khí kiểu piston 2 cấp có thể nén đến áp suất 15 bar. Loại máy nén khí kiểu piston 3, 4 cấp có thể nén áp suất đến 250 bar. Loại máy nén khí một cấp và hai cấp thích hợp hệ thống điều khiển bằng khí nén trong công nghiệp. Máy nén khí piston được phân loại theo số cấp nén, loại truyền động và phương thức làm nguội khí nén. Hình 4.8 Cấu tạo máy nén khí kiểu piston một cấp Bơm chân không: Bơm chân không là một bộ phận quan trọng để tạo độ chân không thích hợp trong bình thăng hoa. Hình 4.9 Máy bơm chân không KẾT LUẬN Mô phỏng thiết bị trước khi thiết kế rất cần thiết và quan trọng. Nó giúp hiểu rõ hơn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động cũng như nguyên lý vận hành thiết bị, giúp dễ dàng nhận biết và khắc phục lỗi trong quá trình sản xuất. Kết quả mô phỏng là cơ sở khoa học cho việc khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quá trình sản xuất một sản phẩm nhằm lựa chọn được thiết bị, quy trình sản xuất phù hợp hơn, nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm.