CHƯƠNG 3 THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ

CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 3.1- Tính tốn, thiết kế khâu Khâu khâu có tác dụng làm xoay bàn tay kẹp nhờ động thông qua dẫn động bánh Yêu cầu toán áp dụng khâu là: - Tải trọng: 10 (N); - Góc quay tối đa bàn tay kẹp: 180 độ 3.1.1- Chọn vật liệu, tính tốn đường kính trục Ngồi u cầu độ bền, vật liệu làm trục cần phải có độ bền mịn cao dễ gia công Trục không làm thép CT5, 35, 45, 50 Bạc dẫn hướng thường làm thép không gỉ Trong đồ án này, sử dụng vật liệu sau: a- Trục khâu Thép C45 Thép C45 loại thép hợp kim có hàm lượng Cacbon 0,45% Ngồi loại thép chứa số tạp chất khác silic, lưu huỳnh, mangan, crom,… (H3.2) Có độ cứng, độ kéo phù hợp ứng dụng khí chế tạo máy, chi tiết chịu tải va đập mạnh Hình 3.2- Bảng hàm lượng chất thép C45 Dựa vào đặc tính thép C45, ta tính thơng số trục vit nhằm đáp ứng tải trọng đề đặt Đặc biệt thông số giới hạn chảy thép (H3.3) Hình 3.3- Bảng thơng số tính chất học thép C45 b- Xác định đường kính trục Trong đó: ( - ứng suất chảy cho phép vật liệu làm vít me) Với tải trọng yêu cầu (kg) Tra bảng (H3.3) giới hạn chảy thép C45 Thay vào (3.1), suy ra: Chọn: Vậy ta chọn trục làm thép C45 có đường kính 8mm 3.1.2- Lựa chọn động tính tốn, thiết kế truyền bánh Nhóm lựa chọn sử dụng truyền bánh nghiêng bánh nghiêng giúp làm việc êm hơn, truyền lực tốt (do nhiều ăn khớp, ăn khớp chưa hết vào ăn khớp) Với tải trọng vật nâng tương đối nhẹ (1kg), nhóm lựa chọn sử dụng động NEMA17 sử dụng động truyền động cho khâu robot Scara Hình 3.1- Động NEMA17 Động NEMA17 có số thơng số kỹ thuật sau: - Kích thước mặt bích: 42*42mm Chiều dài thân: 48mm Dịng chịu tải: 1,5A Momen xoắn: 0,55Nm Góc bước: 1,8 độ/ bước 3.2- Tính tốn thiết kế khâu Trong cấu robot Scara, khâu khâu có chuyển động dạng chuyển động tịnh tiến Và để truyền động cho khâu mà sử dụng động bước ta cần cấu nhằm biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Đáp ứng nhu cầu truyền vít me đai ốc bi lựa chọn phù hợp Bộ truyền vít me đai ốc bi hệ thống truyền động, gia cơng với độ xác cao nhằm tạo khả biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Tùy theo dạng chuyển động vít đai ốc chia loại: vít quay tịnh tiến, đai ốc cố định với giá, trường hợp vít ép hình 3.1a, đai ốc quay cịn vít tịnh tiến (H3.1b) vít quay đai ốc tịnh tiến (H3.1c) Hình 3.1- Một số dạng vít me đai ốc u cầu toán áp dụng khâu robot Scara: - Chịu tải trọng dọc trục: 30 (N) (bao gồm toàn khâu động khâu 3) - Quãng đường dịch chuyển: 3.2.1- Chọn vật liệu vít me đai ốc Chọn tương tự trục khâu 3.2.2- Xác định đường kính chân ren Trong đó: ( - ứng suất chảy cho phép vật liệu làm vít me) Với tải trọng yêu cầu (kg) Tra bảng (H3.3) giới hạn chảy thép C45 Thay vào, suy ra: Chọn: c Sơ đồ truyền động Hình 3.5 – Sơ đồ truyền động trục vit me Các thông số đầu vào: Tải khối lượng Vận tốc lớn đai ốc: Đồ thị vận tốc có dạng hình thang, tốc độ ban đầu 0, gia tốc số giai đoạn khởi đầu hãm (Thời gian khởi động xấp xỉ 20% thời gian vịng chu kì) Hình 3.6 – Đồ thị vận tốc khâu Thời gian thực hết chu trình là: Từ ta có: Lực dọc trục lớn nhất: Chọn trục vít me theo tiêu chuẩn SKF: Từ thống số ta chọn trục vít me bi hỗ trợ gối đỡ cố định đầu (H3.7) Hình 3.8 –Thơng số hình học trục vít me SD/BD 8x2 Lựa chọn gối đỡ cho trục vít me đầu dùng gối đỡ cố định Hình 3.11 – Gối đỡ cố định Theo [giáo trình chi tiết máy], + Tuổi bền cấu: Trong đó: - Tuổi thọ (triệu vòng quay) - Tải trọng động bản, - Lực dọc trục trung bình (kN) Thay vào cơng thức (3.): Tốc độ giới hạn trục vít me (rpm): Trong đó: - Hệ số tốc độ Với kết cấu đầu gối tựa, đầu cố định; - Đường kính chân ren trục vít, - Khoảng cách hai gối đỡ - Tổng hành trình Thay vào, Vận tốc thiết kế lớn nhất: Với Vậy nên trục vít hoạt động tốt + Hiệu suất lý thuyết truyền: Trong đó: + Hiệu suất thực tế: 3.2.4- Tính chọn động trục vít me + Mơ men xoắn cần truyền vào trục vít me: + Cơng suất lớn trục vít me: Tốc độ lớn động cơ: Ta chọn động NEMA17 1,5 A-42*48 mm Hình 3.12- Động NEMA17 3.2.5- Chọn bạc dẫn hướng khớp nối lò xo Chọn bạc dẫn hướng khớp nối lị xo có kích thước sau: Hình 3.14- Bạc dẫn hướng LMF 8UU Hình 3.15- Khớp nối lị xo 5x8 mm 3.3- Tính tốn thiết kế khâu 3.3.1- Chọn vật liệu thông số Chọn chiều dài khâu 2: Chọn dạng tiết diện khâu 2: Mặt cắt ngang hình chữ nhật có rãnh kích thước a bề rộng, b chiều cao (H3.16) Hình 3.16- Mặt cắt ngang khâu Chọn vật liệu làm khâu 2: Nhựa PLA (khối lượng riêng ); Ứng suất chảy: 3.3.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 2: Trong liệu biết là: Khối lượng khâu 4: Tải: Như vậy, theo sơ đồ lực tác dụng lên khâu 2: Mặt cắt nguy hiểm ngàm Moomen uốn lớn tính theo cơng thức: Trong đó: tổng khối lượng khâu 3, khâu tải Với khối lượng khâu Với Ứng suất uốn lớn khâu 2: Trong đó: gọi moomen quán tính mặt cắt ngang khâu Chọn Thay vào phương trình ta có Thỏa mãn điều kiện bền Khi đó: 3.2.6- Tính chọn ổ bi Theo kết tính tốn, ta có: Tải trọng dọc trục: Tải trọng hướng tâm: Xét tỷ lệ: Nên ưu tiên dùng ổ bi đỡ dãy có kết cấu đơn giản Khả tải trọng động tính theo cơng thức: Trong đó: Q- Tải trọng động quy ước, kN Với ổ bi đỡ dãy, tải trọng động tính theo cơng thức 11.3,[2]: V- Hệ số kể đến vòng quay, vòng quay V=1; - Hệ số ảnh ảnh hưởng nhiệt độ, - Hệ số ảnh ảnh hưởng đặc tính tải trọng, tra bảng H3 .Chọn Hình 3.21 –Hệ số tải trọng [2] X,Y- Hệ số tải trọng hướng tâm dọc trục; tra bảng 11.4, giáo trình [2] Với ổ bi đỡ dãy có góc tiếp xúc 26, có X=0,41; Y= 0,87; Từ thông số trên: L- Tuổi thọ tính triệu vịng quay; Gọi tuổi thọ ổ tính thì: Với n=111 vịng/phút, (giờ) với máy làm việc ca m- Bậc đường cong mỏi thử ổ lăn, m=3 ổ bi; m=10/3 với ổ đũa; Thay vào (3.12), khả tải trọng động ổ là: Tra bảng P2.12, giáo trình [2], chọn ổ bi đỡ sau: Hình 3.22 - Ổ bi chặn dãy 46305 [2] 3.2.7- Tính chọn động khâu Thiết lập phương trình Lagrange loại cho robot Scara với: Hình 3.23 – Sơ đồ động học robot Scara Động hệ: Trong đó: Thế hệ: Lực suy rộng: Phương trinh Lagrange cho hệ cấu có dạng: Ta có: Với Thay vào; Ta sử dụng truyền bánh trụ cho việc truyền động cho khâu Với: – Hiệu suất truyền đai răng, – Hiệu suất cặp ổ lăn, Hiệu suất thực tế: Công suất cho động khâu 2: Với thơng số sau: ; vận tốc góc khâu 75 vòng/phút, chọn tỷ số truyền 1:2, Tốc độ quay động cần chọn 150 vòng/ phút Chọn động NEMA23 Công suất: P = 96 (W); Khối lượng: m =1,5 (kg); Kích thước: 57x57x102 (mm) 3.2.8- Tính chọn truyền động đai a- Xác định mô đun chiều rộng đai Mô đun m xác định công thức: Dựa vào bảng (H3.24); ta chọn m = 2, bước p = 6,28 (mm) Hình 3.24 – Bảng chọn mô đun [2] b- Xác định chiều rộng đai Theo [2], chiều rộng đai xác định sau: Trong đó: – Hệ số chiều rộng đai dao động từ đến Hình 3.25 – Chiều rộng đai [2] Dựa vào bảng (H3.25), [2]; chọn bước b = 10 (mm) Chiều rộng bánh đai: B = b + m = 10 + 2= 12 (mm) c- Xác định thông số truyền Hình 3.26 – Bảng tra số [2] Số bánh đai nhỏ chọn theo bảng (H3.26) nhằm đảm bảo tuổi thọ cho đai Số bánh đai lớn với Chọn (răng) (răng) Đường kính bánh đai: Khoảng cách trục a chọn theo điều kiện: Trong đó: Mà Chọn Thay ta có: a = 140 (mm) Chiều dài đai: Đường kính ngồi bánh đai: Với Tra bảng H(3.24) Góc ơm đai: Số đồng thời ăn khớp bánh đai nhỏ: 3.4- Tính tốn thiết kế khâu 3.4.1- Chọn vật liệu thông số Chọn chiều dài khâu 1: Chọn dạng tiết diện khâu 1: Mặt cắt ngang hình chữ nhật có rãnh kích thước a bề rộng, b chiều cao Hình 3.30 - Mặt cắt ngang khâu Chọn vật liệu làm khâu 1: Nhựa PLA (khối lượng riêng ); Ứng suất chảy: 3.3.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu Sơ đồ lực tác dụng lên khâu 1: Trong liệu biết là: Khối lượng khâu 2, 4: Tải: Động khâu (đặt khâu 1): Như vậy, theo sơ đồ lực tác dụng lên khâu 1: Mặt cắt nguy hiểm ngàm Tổng khối lượng khâu 2, khâu khâu là: Momen tác dụng lên khâu 1: Momen uốn lớn ngàm: Trong đó: - khối lượng khâu 1, Ứng suất uốn lớn nhất: Với Chọn Thay vào phương trình (3.18) ta có: Thỏa mãn điều kiện bền Khi đó: 3.3.5- Tính, chọn then cho trục số Chọn then giống cho trục 3.3.6- Tính chọn ổ bi đỡ lăn cho trục Chọn ổ lăn giống cho trục Với đường kính ổ lăn d = 30 (mm) 3.3.7- Tính chọn động khâu Công suất cho động khâu 1: Với thơng số sau: ; vận tốc góc khâu 50 vòng/phút, chọn tỷ số truyền 1:3, Tốc độ quay động cần chọn 150 vòng/ phút Chọn động NEMA23 động khâu 3.3.8- Tính chọn truyền động đai Chọn tương tự khâu 2: Mô đun m = 2, bước p = 6,28 (mm) Bước b = 10 (mm) Chiều rộng bánh đai: B = 12 (mm) Số (răng) (răng) Đường kính bánh đai: Chọn Khoảng cách trục: a = 140 (mm) Chiều dài đai: Đường kính ngồi bánh đai: Góc ơm đai: Số đồng thời ăn khớp bánh đai nhỏ: 3.4- Tính tốn thiết kế khâu 3.4.1- Chọn vật liệu thông số Chọn chiều dài khâu 0: Chọn dạng tiết diện khâu 0: (Dạng hình trụ trịn rỗng, đường kính , đường kính ngồi ) Hình 3.33 - Mặt cắt ngang khâu Vật liệu: Gang xám GX12-28 (khối lượng riêng ) 3.4.2- Mơ hình tải trọng lực phân bố khâu Sơ đồ lực tác dụng lên khâu Hình 3.34 - Sơ đồ lực tác dụng lên khâu Biểu đồ lực momen: Hình 3.35 –Biểu đồ lực mà momen tác dụng lên khâu Khối lượng lực tác dụng dọc trục là: Momen uốn: Thay giá trị cho vào, ta có Ứng suất uốn: Trong đó: Ứng suất nén: Trong đó: Chọn Thay vào ta có: Thoản mãn điều kiện bền  ... cơng thức 11 .3, [2]: V- Hệ số kể đến vòng quay, vòng quay V=1; - Hệ số ảnh ảnh hưởng nhiệt độ, - Hệ số ảnh ảnh hưởng đặc tính tải trọng, tra bảng H3 .Chọn Hình 3. 21 ? ?Hệ số tải trọng [2] X,Y- Hệ. .. bạc dẫn hướng khớp nối lị xo có kích thước sau: Hình 3. 14- Bạc dẫn hướng LMF 8UU Hình 3. 15- Khớp nối lị xo 5x8 mm 3. 3- Tính tốn thiết kế khâu 3. 3.1- Chọn vật liệu thông số Chọn chiều dài khâu 2:... lăn, m =3 ổ bi; m=10 /3 với ổ đũa; Thay vào (3. 12), khả tải trọng động ổ là: Tra bảng P2.12, giáo trình [2], chọn ổ bi đỡ sau: Hình 3. 22 - Ổ bi chặn dãy 4 630 5 [2] 3. 2.7- Tính chọn động khâu Thiết