Đồ án tốt nghiệp Công nghệ chế tạo máy: Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt sắt có cữ tự động

- Trong khuôn khổ đề tài được lựa chọn, nhóm chúng em thực hiện thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt sắt có cữ tự động nhằm đáp ứng việc tiết kiệm thời gian, nâng cao năng suất nhưng cho

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

- Ngày nay, sắt thép là thứ vật liệu không thể thiếu trong đời sống hàng ngày, nó phục vụ các nhu cầu của con người như việc gia công, chế tạo các loại bàn ghế hay cầu thang Khi đó phải cắt hàng loạt các kích thước bằng nhau và phải đảm bảo sự chính xác và đồng nhất trong quá trình sản xuất Từ đó dẫn đến cần một chiếc máy có thể đo đạc nhanh và linh hoạt để đáp ứng sự đòi hỏi về mặt năng suất và chất lượng ngày càng cao của doanh nghiệp nên việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy cắt sắt có cữ theo hướng tự động là cần thiết

- Máy cắt sắt có cữ tự động đáp ứng được yêu cầu năng suất và chất lượng sản phẩm, khả năng hoạt động liên tục và hiệu quả, giúp giảm thời gian sản xuất so với việc thực hiện quá trình cắt bằng máy cắt cầm tay hay cắt bàn thông thường

- Nhận thấy được sự quan trọng của việc này, nhóm chúng em đã lựa chọn nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp với đề tài: "Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt sắt có cữ tự động" Đây là một cơ hội quý báu để chúng em áp dụng những kiến thức và kỹ năng đã học vào thực tế, đồng thời phát triển khả năng tư duy sáng tạo và giải quyết vấn đề của mình.

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài

1.2.1 Ý nghĩa khoa học của đề tài Đồ án tốt nghiệp giúp cho sinh viên củng cố lại những kiến thức đã được học trong 4 năm tại trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Là cơ hội để sinh viên áp dụng những kiến thức đã học, phát triển kĩ năng cơ khí trong một chiếc máy cụ thể, được trải nghiệm thực tiễn quá trình thiết kế, chế tạo, lắp ráp, sửa chữa một chiếc máy hoàn chỉnh

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

- Tạo ra một chiếc máy cắt sắt với khả năng xác định kích thước tự động, giúp cho quá trình cắt sắt được nhanh hơn, độ chính xác cao hơn

- Máy cắt giảm bớt yếu tố con người, tạo sự đồng đều giữa các lần cắt cùng kích cỡ, giảm sự sai sót, không yêu cầu người có quá nhiều kinh nghiệm.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Máy cắt sắt có cữ tự động có 2 chế độ cắt linh hoạt: 90 độ và 45 độ

- Tìm hiểu về các loại máy cắt sắt trên thị trường

- Nguyên lý hoạt động của máy cắt sắt có cữ tự động

- Thiết kế và chế tạo máy cắt sắt có cữ tự động

- Chạy thực nghiệm và ghi nhận kết quả.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Chế độ cắt khi sử dụng đá cắt

- Thép vuông (Tối đa 30x30x2 mm)

- Kích thước mô hình (1300x600x300 mm)

- Chiều dài sản phẩm tối đa (1 m)

- Máy cắt sắt có 2 chế độ cắt: 90 độ và 45 độ

- Máy cắt sắt bán tự động

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

- Nghiên cứu quy trình công nghệ cắt sắt, sự chuyển động của vít me và máy cắt, hệ thống điều khiển động cơ bước để giải quyết vấn đề

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu và lựa chọn các tài liệu có liên quan một cách có chọn lọc hệ thống Quá trình thu thập thông tin, phân tích, đánh giá dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn sản xuất nhằm mục đích lựa chọn được kết cấu và nguyên tắc hoạt động của thiết bị phù hợp nhất

- Tiếp cận các tài liệu, thông tin: tìm hiểu các tài liệu nghiên cứu, các thông tin cần thiết có liên quan trên các tạp chí khoa học, tài liệu chuyên ngành, báo, đài, internet… Quá trình thu thập thông tin, phân tích, đánh giá dựa trên cơ sở lý thuyết và thực tiễn sản xuất

* Phương pháp tính toán, thiết kế

- Việc tính toán thiết kế hệ thống máy cắt sắt có cữ tự động dựa trên lý thuyết tính toán nguyên lý máy, chi tiết máy cơ khí, lý thuyết bền và động lực học Cơ sở thiết kế máy được xác định dựa trên quá trình thu thập thông tin, xử lý số liệu, phân tích, đánh giá cơ

3 sở lý thuyết và thực tiễn sản xuất nhằm mục đích lựa chọn máy có kết cấu đơn giản, năng suất cao và ứng dụng thực tế Sử dụng phần mềm thiết kế Soliword và Inventor để vẽ lắp ghép và dự đoán các cơ cấu chuyển động của máy

* Phương pháp mô hình hóa

- Là mục tiêu chính của đề tài, tạo cơ hội để ôn lại kiến thức đã học và học hỏi được nhiều kinh nghiệm trong thực tiễn Việc chế tạo mô hình giúp kiểm nghiệm được lý thuyết và sửa chữa những chỗ sai mà phương pháp lý thuyết không thể thấy được

Kết cấu của đồ án tốt nghiệp

Chương II: Tổng quan nghiên cứu đề tài

Chương III: Cơ sở lý thuyết

Chương IV: Các phương án thiết kế và giải pháp

Chương V: Thiết kế và tính toán

Chương VI: Chế tạo và thực nghiệm

Chương VII: Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Máy cắt sắt có cữ tự động

2.1.1 Khái niệm về máy cắt sắt có cữ tự động

- Thời đại công nghệ 4.0 mọi việc đang dần được công nghiệp hóa, hiện đại hóa Thay vì con người phải dùng sức làm mọi việc thì đã có máy móc thay chúng ta làm những công việc khó khăn, nguy hiểm mà đạt hiệu quả cao Trong đó việc cắt sắt hay ống hộp cũng được hiện đại hóa và từ những nhu cầu của công việc mà máy cắt tự động được ra đời để phục vụ cho những công việc hay công trình lớn đạt hiệu quả cao, năng suất lớn

- Máy cắt sắt có cữ tự động là máy cắt dùng để cắt sắt một cách tự động thay vì chúng ta phải dùng những cách thủ công khác với ngành cơ khí hiện đại thì máy cắt sắt có cữ tự động là một thiết bị không thể thiếu trong ngành xây dựng

- Với những công việc cắt những thanh sắt có cùng kích thước với nhau nhằm nâng cao năng suất, hiệu quả trong quá trình sản xuất thay vì phải vừa đo vừa cắt rất mất thời gian như những cách truyền thống trước đây thì máy cắt sắt tự động ra đời từ đây

2.1.2 Công dụng của máy cắt sắt có cữ tự động

- Tăng năng suất: Máy cắt sắt có cữ tự động giúp tăng năng suất sản xuất bằng cách cắt phôi nhanh chóng và chính xác, loại bỏ hoặc giảm thiểu thời gian mất mát so với việc cắt thủ công

Hình 2 1: Máy cắt sắt có cữ tự động

- Tiết kiệm lao động: Sử dụng máy cắt sắt có cữ tự động giảm bớt sự cần thiết của lao động so với việc cắt thủ công, giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí và tăng cường hiệu quả lao động

- An toàn và tiết kiệm thời gian: Sử dụng máy cắt sắt có cữ tự động giúp giảm thiểu nguy cơ tai nạn lao động so với việc sử dụng cắt thủ công, đồng thời cắt giảm thời gian sản xuất và tăng cường hiệu suất làm việc

- Tóm lại, máy cắt sắt có cữ tự động không chỉ giúp tăng cường hiệu suất và chất lượng sản xuất mà còn giảm bớt chi phí và rủi ro liên quan đến lao động, là một công cụ quan trọng trong các ngành công nghiệp kim loại và xây dựng

2.1.3 Cấu tạo chung của máy cắt sắt có cữ tự động

Hình 2 2: Sơ đồ cấu tạo của máy cắt sắt có cữ tự động

Máy cắt sắt có cữ tự động bao gồm các thành phần chính như: bộ điều khiển, các chương trình điều khiển, nguồn điện, cơ cấu chấp hành, các công tắc hành trình, cụm máy cắt.

Nguyên lý hoạt động chung của máy cắt sắt có cữ tự động

Hình 2 3: Sơ đồ nguyên lý chung của máy cắt sắt có cữ tự động

Kết cấu của máy cắt sắt có cữ tự động

- Hệ thống truyền động trục X, Y, Z: Bao gồm ba trục chính X, Y và Z, mỗi trục có khả năng di chuyển độc lập và được điều khiển bằng các động cơ điện và bộ điều khiển Hệ thống này tạo ra các chuyển động cần thiết để máy cắt sắt có cữ tự động thực hiện được các thao tác cần thiết để cắt sắt Trục Y điều khiển cữ, trục X, Z có nhiệm vụ đưa máy cắt đi trái - phải và lên - xuống tới vị trí được lập trình

Hệ thống điều khiển: Bao gồm bộ điều khiển, các chương trình dược lập trình thông qua máy tính và các phần mềm giúp điều khiển và giám sát các hoạt động cách chính xác và hiệu quả

Cụm máy cắt: được điều khiền bởi trục X, Z Cụ thể là hệ thống ray trượt dẫn hướng vít me

Cụm kẹp chặt phôi: Đặt trên bàn máy, sử dụng cơ cấu vít me - đai ốc.

Phạm vi ứng dụng của máy cắt sắt có cữ tự động

- Máy cắt sắt có cữ tự động cắt được các loại thép như thép hộp, thép vuông Là công cụ cần thiết, quan trọng cho những công ty, xưởng, nhà máy thường có nhu cầu cắt sắt với số lượng lớn, các lĩnh vực như thiết kế kết cấu cơ khí hoặc lĩnh vực xây dựng

Hình 2 4: Ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng

Quy trình sản xuất thang sắt hộp chữ A [12]

Bước 1: Xác định vị trí các thanh thép

Bước 2: Định hình phần khung thang

Bước 3: Đo đạc và xác định vị trí của các bậc thang

Bước 4: Cắt thanh sắt làm bậc thang theo kích thước yêu cầu

Bước 5: Lắp ráp 2 phần thang thép hộp chữ A lại với nhau

Bước 6: Làm móc treo để cố định chân thang

- Qua đó thấy được sự đóng góp của máy cắt sắt có cữ tự động trong quy trình sản xuất các khung kết cấu Nó hỗ trợ cho quá trình cắt hàng loạt giảm thiểu lỗi sản xuất, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm cuối cùng, khả năng hoạt động liên tục và hiệu quả, giúp giảm thời gian sản xuất, đảm bảo an toàn cho người lao động, tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp và đáp ứng nhanh chóng các yêu cầu ngày càng khắt khe của thị trường

2.4.1 Các loại máy cắt có trên thị trường hiện nay

* Máy cắt không có cử

Hình 2 5: Máy cắt không có cữ [13]

Bảng 2 1: Thông số máy cắt không có cữ Đường kính lưỡi cắt 350 mm

Tốc độ cắt 2800 vòng/phút

Hình 2 6: Máy cắt có cữ [14]

Bảng 2 2: Thông số máy cắt có cữ

Công suất động cơ chính 2 - 2.4 Kw Điện áp 380 V - 50 Hz Đường kính lưỡi cắt 300mm - 325 mm

Tốc độ quay lưỡi cắt 37 - 73 Vòng/phút Áp suất khí nén 0.4 - 0.6 Mpa

Hình 2 7: Máy cắt cầm tay [15]

Bảng 2 3: Thông số máy cắt cầm tay

Tốc độ không tải 11.000 vòng / phút Đường kính lưỡi cắt 100 mm

- Cấu tạo máy mài góc

Hình 2 8: Cấu tạo máy mài góc [15]

Bảng 2 4: Các bộ phận chính của máy mài góc

2 Vỏ máy 7 Bánh răng xoắn

2 Chổi than 8 bánh răng lực

Tìm hiểu về vật liệu phôi - thép hình [23]

- Phân loại theo đặc điểm

Dựa vào đặc điểm, sắt hộp được phân loại thành sắt hộp đen và sắt hộp mạ kẽm

+ Thép hộp đen: Được làm từ thép, sắt tấm cán nóng trải qua nhiều công đoạn Hộp sắt có tiết diện hình vuông hoặc hình chữ nhật, màu đặc trưng là màu xanh đen bóng Loại sắt này thường được sử dụng cho các công trình xây dựng dân dụng, trang trí nội ngoại thất, nhà xưởng

+ Thép hộp mạ kẽm: Là loại sắt hộp dùng công nghệ mạ kẽm nhúng nóng lên phía trên nền thép cán nguội, nhằm bảo vệ thép bên trong không bị tiếp xúc với không khí bên ngoài Loại thép này có khả năng chống mài mòn, ăn mòn, xâm thực tốt hơn sắt hộp đen Phù hợp với mọi công trình xây dựng, thậm chí ở những nơi có thời tiết khắc nghiệt

Hình 2 10: Thép hộp mã kẽm

- Phân loại theo hình dáng

+ Thép hộp chữ nhật: Sản phẩm thép hộp chữ nhật đang được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong nhiều lĩnh vực như đóng tàu, xây dựng, làm kết cấu dầm, ống dẫn Kích thước của thép hộp cực kỳ đa dạng với nhiều thông số khác nhau, đáp ứng mọi nhu cầu của người dùng

Bảng 2 5: Thông số thép hộp chữ nhật

Kích thước (mm) Chiều dày hộp (mm)

Hình 2 11: Thép hộp chữ nhật

+ Thép hộp vuông: Loại thép hộp này được sản xuất có kích thước chiều dài, chiều rộng bằng nhau, sử dụng phổ biến trong ngành xây dựng và điện công nghiệp

Bảng 2 6: Thông số thép hộp vuông

Kích thước (mm) Chiều dày (mm)

❖ Thông số kỹ thuật của thép hộp mạ kẽm

Bảng 2 7: Thành phần hóa học của thép hộp [11]

Mác thép Thành phần hóa học

Bảng 2 8: Tiêu chuẩn cơ lý của thép hộp

Mác thép Đặc tính cơ lý

YS (Mpa) Độ bền kéo TS (Mpa) Độ dãn dài EL(%)

Cấu tạo của đá cắt

Bảng 2 9: Thông số đá cắt

Hạt mài Corindon nâu ( Nhôm oxit)

Cỡ hạt F36 Độ cứng của đá cắt R

Chất kết dính Hợp chất hữu cơ Bakelit

Gia cường đá Sợi thủy tinh 2 lớp 2F

Tốc độ tối đa 70 m /s (12200 vòng / phút)

- Độ cứng của đá cắt 180 Hải Dương: R (độ cứng của đá tăng dần theo bảng chữ cái từ A-Z, độ cứng cao dùng cắt vật mềm, độ cứng thấp cắt vật có độ cứng cao vì mòn nhanh tạo ra lưới mới sắc bén hơn)

Nghiên cứu trong và ngoài nước

2.7.1 Trong nước Đa số các nghiên cứu trong nước cụ thể về việc thiết kế và chế tạo máy cắt sắt có cữ tự động gần như không có, vì công nghệ hiện tại của Việt Nam về việc thiết kế chế tạo máy

15 cắt sắt có cữ tự động gần như không thể đạt được trình độ kỹ thuật của các cường quốc công nghệ

- Một số đề tài và công trình nghiên cứu về máy cắt sắt đã được công bố và triển khai như:

Công trình nghiên cứu được đăng trên https://www.tailieuxanh.com/vn/default.aspx, với tên bài báo là “ Nghiên cứu động lực học máy cắt ống thép d45 và xác định các tổn thất hệ thống nhằm nâng cao hiệu suất của bơm thủy lực ” cùng với các tác giả: Triệu Quý Huy 1*, Trần Thị Hương 2 , Vũ Văn Đam 3

1 Trường Đại học Kinh tế - Kỹ thuật Công nghiệp

2 Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - ĐH Thái Nguyên

Ngày đăng: 31/5/2021, Tạp chí khoa học và công nghệ đại học Thái Nguyên

Nguyên lý làm việc của máy cắt ống D45 được xây dựng dựa trên các nguyên lý về chuyển động tương đối, phôi (ống thép D45) được đưa vào định vị và kẹp chặt nhờ một hệ thống thủy lực (xi lanh ép), dụng cụ cắt gắn với một hệ thống thủy lực khác (xi lanh cắt) thực hiện chuyển động tịnh tiến để hoàn thành và kết thúc quá trình gia công Bơm

1 hoạt động bơm dầu thủy lực qua các van 3 và 7 qua bộ điều khiển điều chỉnh xi lanh

4 cố định vật cắt ống D45, khi đã định vị kẹp chặt đúng vị trí sẽ đóng xi lanh cắt 8 có mang đầu dao thực hiện hành trình cắt (dao cắt có hình dạng định sẵn phục vụ các mối ghép gia công tiếp theo) Kết thúc hành trình cắt dao sẽ được điều khiển tự động rút hành trình tịnh tiến ngược trở lại vị trí ban đầu, đồng thời sẽ mở bộ kẹp trên xi lanh 4 để tháo chi tiết đã được gia công ra Góc α là góc điều chỉnh tâm của dao cắt với tâm phôi nhằm tạo ra các góc độ theo yêu cầu kỹ thuật Xi lanh ép 4 và xi lanh cắt 8 được chọn giống nhau nhằm đáp ứng các vấn đề lắp lẫn, thuận tiện điều chỉnh áp suất cho các van Việc cố định đã được xác định trên bộ đồ gá chuyên dùng nên ta chỉ cần tính toán, lựa chọn cho xi lanh cắt 8

Công trình nghiên cứu được đăng trên https://www.tailieuxanh.com/vn/default.aspx với tên bài báo là “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống cắt ống tự động tại công ty doosan việt nam ” cùng với các tác giả:

SVTH: Lê Văn Trực, Lương Văn Vân

Lớp 07C1B, Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

GVHD: ThS Trần ngọc Hải, TS Đinh Minh Diệm

Khoa Cơ Khí, Trường Đại Học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

Năm đăng: 2012, Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 8 Đại học Đà Nẵng

Chu trình hoạt động của hệ thống được tóm tắt như sau: Ban đầu khi cung cấp ống cho hệ thống song, nhấn nút khởi động hệ thống thì cơ cấu nâng hoạt động đưa ống vào cơ cấu dịch chuyển ống, khi ống vào đây, với kích thước ống cần cắt được lập trình sẵn thì cơ cấu này sẽ vận chuyển để đưa ống vào hệ thống cắt với kích thước cần cắt, ở đây ống được kẹp chặt và cắt đúng với kích thước như yêu cầu, khi cắt song ống lại được vận chuyển trở ra vị trí trước đó, sau đó cơ cấu nâng sẽ đưa ống vào dàn trung gian trước khi đưa vào cơ cấu vận chuyển ống, khi đủ số ống theo yêu cầu thì cơ cấu vận chuyển hoạt động để cung cấp ống cho các tầng khác nhau của hệ thống lưu trữ ống, khi hệ thống đã lưu trữ đủ số ống thì máy sẽ ngừng hoạt động

- Trên thế giới hiện nay máy cắt sắt khá đa dạng từ bằng tay, đến động cơ rồi đến NC hay CNC có thể cắt được sắt và thép với nhiều độ dày khác nhau, với độ chính xác và năng suất rất cao

- Trong các tạp chí khoa học thế giới, các công trình nghiên cứu về máy cắt sắt đã được công bố và triển khai như:

Công trình nghiên cứu được đăng trên Google Scholar với tên bài báo là:“Automated Pneumatic Sheet Metal Cutting Machine” với các tác giả: Prajwal Poojary,

Nishanth V, Nikhil, Niranjan Karkera, Ganesh Kalagi

International Journal of Scientific & Engineering Research Volume 9, Issue 4, April-

Tấm kim loại sẽ được đưa qua con lăn cấp liệu Sự sắp xếp cơ cấu bánh răng trên các con lăn được nối với động cơ DC, cái mà cấp tấm kim loại Công tắc/cảm biến sẽ được sử dụng, nó sẽ phát hiện tấm kim loại và cũng ghi lại chiều dài của tấm kim loại khi tấm kim loại đi qua nó Sau khi phát hiện, những thông tin này sẽ được gửi làm đầu vào cho mạch vi điều khiển chứa hàng loạt rơle Bộ vi điều khiển thực hiện các phép tính theo mã hóa được thực hiện trên đó Đầu ra từ vi điều khiển sẽ được đưa đến van điện từ điều khiển bằng điện Van điều khiển bộ truyền động hoạt động theo tín hiệu nhận được Động cơ DC ăn khớp với sự bố trí bánh răng trên cơ cấu con lăn cấp liệu nhận đầu vào từ công tắc lân cận, điều này sẽ bắt đầu/dừng tương ứng Hệ thống này cung cấp khả năng cung cấp nhập số con lăn cùng với độ dài yêu cầu là cần phải được cắt giảm

Hình 2 14: Bảng thông số của bài báo

Công trình nghiên cứu được đăng trên Google Scholar với tên bài báo là:

“Fabrication of a pneumatic sheet metal cutting machine ” -

Khagendra Barman [1] , Md Nesar Ali [2] , Md Rayhan Hasnat [3] , Dr S M Humayun Kabir [4]

1, 2, 3 Graduate, Chittagong University of Engineering & Technology (CUET), Bangladesh 4 Professor, Chittagong University of Engineering & Technology (CUET), Bangladesh

18 knb.barman@gmail.com [1] ,nesarali455@gmail.com [2] , rayhan1103082@gmail.com [3] , humayun@cuet.ac.bd [4]

International Conference on Mechanical Engineering and Renewable Energy 2017 (ICMERE2017) 18 – 20 December, 2017, Chittagong, Bangladesh

Việc cắt kim loại tấm bằng khí nén được hỗ trợ bởi một bàn bao gồm các cánh tay đỡ để giữ tấm Bảng cũng bao gồm van điều khiển hướng hai chiều Van điều khiển hướng hai chiều còn được gọi là van điều khiển điện từ Chúng tôi sử dụng van điều khiển hướng hai chiều được kết nối với máy nén bằng ống dẫn khí Máy nén có một piston cho một bộ phận có thể di chuyển được Piston được nối với trục khuỷu, trục khuỷu này được nối với động cơ chính Tại các cổng vào và ra, van cho phép không khí vào và ra khỏi buồng Khi máy nén được bật, khí nén sẽ đi vào đầu vào của xi lanh khí nén Tấm kim loại được đặt giữa lưỡi trên và lưỡi dưới Lưỡi dưới vẫn đứng yên trong khi lưỡi trên bị ép xuống Lưỡi trên hơi lệch so với lưỡi dưới, khoảng 5 – 10% độ dày tấm Ngoài ra, lưỡi dao phía trên thường có góc cạnh để vết cắt tiến dần từ đầu này sang đầu kia, do đó làm giảm lực cần thiết Khi van điện từ vận hành bằng khí nén được di chuyển về phía trước, piston bắt đầu di chuyển theo hướng thuận Lưỡi phía trên sau đó được ép vào tấm, cắt vật liệu Khi cần điều khiển bằng tay bằng khí nén được di chuyển về phía sau, lưỡi dao phía trên sẽ về vị trí ban đầu (tức là lưỡi phía trên sẽ di chuyển lên trên) Sau khi vật liệu được cắt, hãy điều chỉnh van điện từ điều khiển bằng tay bằng khí nén về vị trí giữa (tức là, vị trí bình thường) và sau đó máy nén được tắt

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hệ tọa độ Descartes

- Hệ tọa độ Descartes, còn gọi là hệ tọa độ vuông góc, dùng để mô tả chính xác các điểm xác định bởi hai trục tọa độ (hệ tọa độ Đề-các phẳng) hoặc ba trục tọa độ (hệ tọa độ Đề- các không gian) vuông góc với nhau

- Hệ tọa độ 3 chiều với các trục tọa độ có phạm vi dương (+) và âm (-) như vậy cho phép mô tả chính xác tất cả các điểm vị trí

Hình 3 1: Hệ tọa độ Descartes [6]

- Quy tắc bàn tay phải: ngón tay cái là trục X, ngón tay trỏ là trục Y, và ngón tay giữa là trục Z

Cơ cấu truyền động đa trục

- Là sự kết hợp giữa các trục đơn với nhau, loại này có nhiều hơn một trục chuyển động, phổ biến nhất là 3 trục Các trục có thể di chuyển độc lập hoặc kết hợp với nhau để tạo ra các chuyển động phức tạp hơn trong không gian ba chiều

- Các cơ cấu truyền động này sử dụng nguyên lý hoạt động dựa theo hệ tọa độ Descartes Chuyển động tịnh tuyến theo phương vuông góc theo các hướng X, Y, Z trong không gian 3 chiều

3.2.1 Cơ cấu truyền động đơn trục

❖ Truyền động vít me - đai ốc bi [9]

Cơ cấu này sử dụng một trục vít và một đai ốc nằm trên đó để chuyển động Khi trục vít quay, đai ốc di chuyển theo chiều dài của nó, tạo ra một chuyển động tuyến tính

• Đường kính trung bình vít theo điều kiện bền mòn

• Kiểm tra thân vít theo độ ổn định

+ Chọn hệ số chiều dài 𝜇

- Độ mềm vít𝛿 > Giá trị tới hạn 𝛿 𝑡ℎ Giá trị tải trọng tới hạn Fath (N) được xác định theo công thức Ơle

+ E - modun đàn hồi vật liệu vít, MPa, với thép E = 2,1.10 5 (MPa)

64 = 2485 (𝑚𝑚 4 ) - momen quán tính mặt cắt ngang của vít, mm 4

- Hệ số an toàn ổn định thực tế theo công thức được thỏa:

+ Bộ truyền vít đai ốc với ma sát lăn thì hiệu suất ma sát lăn 𝜂 = 0,8

+ Bước ren ps (mm/vòng)

- Số vòng quay của động cơ

+ Tần số xung cài đặt f (xung/s)

+ Số bước của 1 vòng S (bước/ xung)

- Công suất của động cơ

+ Momen xoắn trên trục động cơ T (N.mm)

+ Số vòng quay của động cơ n (vòng/ phút)

• Các thông số của bộ truyền

- Đường kính trong của vít me 𝑑 1 (𝑚𝑚)

- Khoảng cách từ tâm rảnh lăn tới tâm bi:

- Đường kính vòng tròn qua các tâm bi

- Số bi trên các vòng ren làm việc 𝑍 𝑏 = 𝜋.𝐷 𝑡𝑏 𝐾

- Góc ma sát lăn thay thế

+ Hệ số ma sát lăn thay thế ft

- Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

• Kiểm nghiệm về độ bền của trục [2]

- Tải trọng riêng dọc trục

+ 𝑍 𝑏 (viên) - Số bi trên các vòng ren làm việc

+ 𝜆 - Hệ số phân bố không đều tải trọng cho các viên bi

+ K (vòng) - số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc

- Từ khe hở tương đối 𝜒 và tải trọng riêng dọc trục qa từ đồ thị hình 5.2 xác định được

Hình 3 2: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất

Cơ sở tính toán công suất cắt

- Để tính toán công suất cắt cho máy cắt sắt, cần xác định các thông số cụ thể của quá trình cắt và sử dụng các công thức sau đây:

Cắt hướng kính bằng chu vi đá [8]

+ Hệ số 𝐶 𝑁 và các số mũ r, y, q, z tra bảng [8]

+ V - Tốc độ tịnh tiến của trục vít me (m/phút)

+ S - Lượng chạy dao dọc (mm/ vòng)

+ d - Đường kính đá cắt (mm)

+ b - chiều dầy đá cắt (mm)

Cơ sở lý thuyết về ray trượt dẫn hướng trục vít me

3.4.1 Cấu tạo của ray trượt dẫn hướng trục vít me

❖ Vít me đai ốc thường

Hình 3 3: Vít me đai ốc [2]

- Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay, động cơ và vít me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục vít me Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động (trục X, Y, Z) Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động Đặc điểm:

- Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của trục vít, một vòng quay của trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít, vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá cao Dùng động cơ bước có bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển càng cao

❖ Vít me đai ốc bi

- Đây là dạng vít me đai ốc thay vì ma sát trượt thông thường, tiếp xúc giữa vít me và đai ốc thông qua các viên bi được chuyển thành mà sát lăn Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực quay rất nhỏ vào trục vít me đã có thể làm cho đai ốc chuyển động

Hình 3 4: Cấu tạo của vít me đai ốc bi [2]

- Nguyên lý làm việc của trục vít me đai ốc được hoạt động dựa trên sự biến đổi chuyển động từ chuyển động quay sang chuyển động tuyến tính

- Cụ thể, khi trục vít me đai ốc quay, các viên bi có sự đổi hướng trong ống lệch hướng rồi đi vào ống hồi bi Ở vị trí đó, các viên bi có thể di chuyển liên tục đến phía cuối của đai ốc và ra khỏi ống hồi bi rồi đi vào rãnh đai ốc và vít me, đem lại những chuyển động trơn tru, liên tục, chính xác Đặc điểm:

- Ma sát trượt không đáng kể: tiêu chuẩn trục vít me đai ốc chất lượng cao phải hạn chế tối đa lực ma sát trượt trong quá trình biến đổi chuyển động, đem lại hiệu suất làm việc vượt trội, những chuyển động chính xác, trơn tru, nhẹ nhàng, ít tiếng động

- Không có độ rơ, độ cứng cao: bộ vít me chất lượng sẽ không tồn tại khe hở trong mối ghép, không có độ rơ khi vít me bi đảo chiều quay Đồng thời, các viên bi tạo áp lực đồng đều trên toàn bộ bề mặt trục vít, đảm bảo độ cứng vững cao, cho phép tạo ra lực căng ban đầu hiệu quả

- Cho phép hoạt động hiệu quả với tốc độ cao: sử dụng vít me đai ốc bi đem lại hiệu suất truyền động cao, nhiệt độ thấp, có thể di chuyển với tốc độ cao mà không ảnh hưởng đến chất lượng chuyển động

Hình 3 5: Vít me đai ốc bi

❖ Gối đỡ vít me bi

- Đi theo cặp, gối BK là gối chính có tác dụng đỡ và chặn chịu lực chủ yếu của vít me sinh ra, gối BF là gối đỡ

Hình 3 6: Gối đỡ vít me [25]

- Là chi tiết máy chủ yếu được sử dụng để nối trực tiếp hai trục với nhau Trong máy CNC, khớp nối nối trục động cơ servo với trục vít me đai ốc bi

❖ Ray trượt tròn và con trượt tròn

Ray trượt tròn dẫn hướng

- Vít me đai ốc bi giúp biến chuyển động quay của trục vít me thành chuyển động thẳng của bàn máy mang phôi hoặc bộ phân mang dụng cụ cắt

- Để gia tăng độ chính xác và chuyển động êm của bàn máy, các thanh dẫn hướng thẳng thường được sử dụng Dầu bôi trơn được cung cấp trên mặt phẳng của thanh ray để giảm ma sát trong khi bộ phận di trượt di chuyển Thông thường một bàn máy CNC sử dụng một vít me đai ốc và hai thanh dẫn hướng

Ray trượt cần các yêu cầu sau:

+ Đảm bảo độ chính xác tĩnh và độ chính xác di chuyển cho các bộ phận lắp trên đó Yêu cầu này chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác gia công ray trượt, cách bố trí ray trượt phù hợp bề mặt chịu lực Bố trí sao cho lực tác dụng lên ray trượt là nhỏ nhất và biến dạng ray trượt là nhỏ nhất

+ Bề mặt làm việc phải có khả năng chịu mòn cao để đảm bảo độ chính xác lâu dài Yêu cầu này phụ thuộc vào độ cứng bề mặt của ray trượt, độ bóng bề mặt của ray trượt, chế độ bôi trơn và bảo quản ray trượt

Bảo vệ và bôi trơn ray trượt:

- Bảo vệ ray trượt khỏi bụi bẩn, phoi,… cũng như bôi trơn hợp lý bề mặt ray trượt có tác dụng làm giảm độ mòn đáng kể của ray trượt và giữ dược độ chính xác ban đầu của ray trượt

- Đồng thời với các biện pháp chống bụi là việc bôi trơn hợp lý, thông thường đối với ray trượt tuyến tính hiện nay các nhà chế tạo đều có hướng dẫn bôi trơn cho từng dòng ray trượt để đảm bảo hiệu quả tốt nhất

Bảng 3 1: Đặc tính kỹ thuật của ray trượt tròn

Chất liệu Thép 45, Gcr15 Độ cứng HRC60 ±2 Độ chính xác g6 Độ cong Dưới 5 𝜇𝑀/100𝑚𝑚 Độ dày của lớp mạ chrome 30 𝜇𝑀

Bề mặt dày cứng 0,8 𝜇𝑀 ~ 3𝑚𝑚 Đường kính ngoài 6 mm - 60 mm

Hình 3 11: Ray trượt tròn hình ảnh thực tế

- Con trượt tròn khuyết (bạc trượt, bi trượt) thường được dùng kết hợp với thanh ray trượt tròn có đế Bên trong nó là một hệ thống bi lăn giúp cho việc chuyển động trở nên êm ái và bớt ồn hơn Con trượt khuyết này có chức năng dẫn hướng tuyến tính trong cơ khí cho các máy tiện, máy CNC, bàn cưa/máy cưa, máy in 3d, máy cắt,

Hình 3 12: Con trượt tròn [19] Đặc tính kỹ thuật

- Chất liệu: Vỏ được làm từ hợp kim nhôm, lõi đặc có khả năng chịu ẩm, chịu lực

Cơ sở lý thuyết về động cơ và phương thức điều khiển

Cơ cấu truyền động của máy máy cắt sắt có cữ tự động mà nhóm nghiên cứu thiết kế có kết cấu cụm 3 trục truyền động theo hướng tự động nên các cơ cấu truyền động trong máy được sử dụng như sau: Vít me đai ốc thường, vít me đai ốc bi được dẫn hướng bằng con trượt, ray trượt.

- Là một bộ phận truyền động gia lượng số Nó “biên dịch” một chuỗi xung đầu vào thành lượng chuyển động góc tỉ lệ và nó quay một gia lượng góc ứng với mỗi xung Vị trí của trục động cơ bước được quyết định bởi số lượng xung, và tốc độ của nó tỉ lệ thuận với tần số xung đầu vào

3.5.2 Hệ thống điều khiển động cơ bước

- Chương trình điều khiển được cài đặt trong máy vi tính (computer) hay bộ điều khiển khả trình (PLC) Các thiết bị này gởi các lệnh điều khiển tới bộ indexer Bộ indexer tạo ra các xung đồng hồ và các tín hiệu điều khiển hướng để gởi xuống driver điều khiển động cơ bước Driver này sẽ chuyển các tín hiệu ở mức thấp này thành các xung điện để quay động cơ Mỗi xung sẽ tạo ra một bước quay của trục động cơ bước Tốc độ và mômen xoắn của động cơ bước phụ thuộc vào dòng điện từ driver tới các cuộn dây của động cơ Độ tử cảm có mức độ ảnh hưởng lớn tới dòng và thời gian mà dòng truyền năng lượng cho cuộn dây Độ tự cảm càng thấp, dòng điện đi tới cuộn dây càng nhanh và tính năng của động cơ càng tốt

- Để giảm mức độ ảnh hưởng của độ tự cảm, hầu hết các kiểu mạch driver được thiết kế để cung cấp đện thế lớn hơn điện thế cần thiết của động cơ

Hình 3 16: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước [3]

PHƯƠNG HƯỚNG THIẾT KẾ VÀ GIẢI PHÁP VỀ THIẾT BỊ 33 4.1 Giới thiệu Công ty Giải pháp Công nghiệp CODIA

Giới thiệu về doanh nghiệp

- Codia là công ty chuyên tư vấn và thiết kế máy móc cơ khí theo yêu cầu, cung cấp dây chuyền sản xuất tự động phù hợp với yêu cầu của ngành thực phẩm, nông nghiệp và công nghiệp Chuyên môn của công ty bao gồm thiết kế và tạo mẫu nhanh, cũng như gia công cơ khí chính xác trên kim loại tấm bằng cách sử dụng các công nghệ hiện đại như cắt laser và plasma

Hình 4 1: Công ty TNHH Giải pháp công nghiệp CODIA

- Các sản phẩm và dịch vụ chính của CODIA:

- Máy hàn tiếp xúc điểm, máy chấn, uốn kim loại

- Máy ép thủy lực, máy mài nhám đai, máy cắt lazer

- Hệ thống tự động hóa sản xuất

- Máy tách vỏ hạt mắc ca

- Băng tải lưới tự động

- Máy tách cuống nho khô

Giải pháp kỹ thuật và công nghệ:

- Tư vấn và thiết kế hệ thống sản xuất tự động

- Gia công chính xác theo yêu cầu

- Dịch vụ lắp đặt, bảo trì máy móc và thiết bị

- Để nâng cao dịch vụ gia công cơ khí chính xác của công ty giải pháp công nghiệp CODIA, công ty cần một máy cắt sắt đáp ứng nhu cầu cắt những chi tiết yêu cầu độ chính xác cao khi gia công hàng loạt phục vụ cho hàn kết cấu cơ khí

Từ đó , công ty đã đưa ra yêu cầu thiết kế sau cho máy cắt sắt:

- Máy cắt sắt cắt được nhiều vật liệu kim loại như thép vuông, tấm

- Máy cắt sắt hoạt động 3 trục được lập trình chạy theo từng bước

- Kích thước khung máy phù hợp với yêu cầu không gian làm việc là 1300 x 600 x 300 (mm)

Cấu trúc máy

- Cấp điện cho bộ điều khiển, nhập thông số cho trục Y tiến ra theo kích thước phôi cần cắt Tiếp theo đưa phôi vào để định vị và kẹp chặt phôi Sau đó nhập thông số trục Z đi xuống qua mặt bàn cắt và trục X đi ngang hết phôi để cắt phôi.

Lựa chọn phương án thiết kế

- Các phương án thiết kế được trình bày đều dựa trên các tiêu chí sau: hiệu quả chi phí, kích thước của máy cắt sắt, độ tin cậy của hệ thống, độ chính xác khi gia công cắt của cụm truyền động 3 trục X, Y, Z, độ cứng vững và độ bền khung máy, các chi tiết cơ khí dễ bảo trì, khả năng thay thế lẫn nhau của các bộ phận máy

- Quá trình lựa chọn thiết kế gồm các bước sau:

+ Đưa ra phương án thiết kế liên quan đến khung và kết cấu của máy cắt sắt

+ Đưa ra phương án truyền động của từng cụm truyền động 3 trục X, Y, Z của máy + Đưa ra phương án động cơ điện dẫn động 3 trục X, Y, Z

+ Tiến hành lựa chọn và thiết kế hình dáng, kích thước tổng thể của khung máy

4.3.1 Phương án thiết kế liên quan đến khung và kết cấu máy cắt sắt:

Phương án 1: Thiết kế máy cắt sắt có cữ tự động (tay cầm)

Hình 4 3: Máy cắt sắt có cữ tự động [14] Ưu điểm:

- Thiết kế bàn xoay máy cắt này giúp điều chỉnh được vị trí các góc 45 độ và 90 độ linh hoạt, tiết kiệm thời gian trong quá trình điều chỉnh máy cắt

- Cữ của máy được điều chỉnh bằng tay trên ray trượt và sử dụng khí nén để kẹp cữ

- Máy có công suất lớn có thể cắt được nhiều kích thước sắt khác nhau

- Vì có bàn xoay nên việc thiết kế bàn kẹp phôi trở nên đơn giản

- Chi phí đầu tư cao: Do tính năng và công suất lớn, máy cắt này có chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với các thiết bị gia công nhỏ hơn

- Hạn chế trong gia công chi tiết nhỏ: Mặc dù có khả năng gia công đa dạng, máy cắt sắt có bàn máy quay có thể gặp hạn chế khi phải gia công các chi tiết nhỏ có độ chính xác cao

- Máy có kích thước khá lớn, nặng khó có thể di chuyển linh hoạt trong nhiều môi trường làm việc môi trường

Phương án 2: Thiết kế máy cắt sắt có dụng cụ cắt hoạt động chu trình cắt tự động

Hình 4 4: Máy cắt thanh nhôm định hình [22] Ưu điểm:

- Vị trí đặt xy lanh giúp máy cắt sắt có thể thực hiện quá trình cắt nhanh chóng và hiệu quả, giảm thời gian sản xuất

- Máy cắt sắt này thường được thiết kế để điều khiển bằng các chương trình máy tính để tự động hóa quá trình gia công

- Máy cắt thanh nhôm định hình này có thể có chi phí đầu tư ban đầu khá cao, đặc biệt là khi cần sử dụng các loại máy tính điều khiển số

- Việc thiết kế xy lanh có gắn dụng cụ cắt như trên có thể gặp hạn chế trong việc gia công các chi tiết nhỏ hoặc trong việc cần có độ chính xác cao

- Máy có kích thước lớn, nặng gây khó khó khăn trong lúc vận chuyển

Kết luận: Chọn thiết kế và chế tạo máy cắt sắt như phương án 2, máy được điều khiển bằng chương trình máy tính để tự động hóa quá trình gia công Kích thước máy vừa phải (1300x600x300) dễ dàng vận chuyển Cữ linh hoạt có chỗ gắn thêm cữ phụ để có thể cắt được những kích thước lớn Vì chi phí đầu tư chế tạo của máy phù hợp với khả năng kinh tế của nhóm, máy đáp ứng được việc nghiên cứu thiết kế chuyên sâu về 1 phương án cắt sắt có cữ tự động

Lựa chọn phương án kết cấu máy

4.4.1 Phương án lựa chọn các cơ cấu truyền động cho cụm 3 trục của máy cắt sắt:

Bảng 4 1: Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động cho cụm 3 trục của máy cắt sắt:

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

01.Cơ cấu vít me – đai ốc thường (ma sát trượt) - Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn

- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn

- Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn

- Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính

- Có thể tạo ra ma sát lớn trong quá trình di chuyển, dẫn đến mài mòn nhanh chóng, độ bền thấp

02.Cơ cấu vít me – đai ốc bi

- Tổn thất ma sát ít nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90- 95%

- Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở những vận tốc nhỏ

- Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao

- Do đặc điểm cấu tạo mà trục vít me – đai ốc dạng bi có khả năng chịu tải kém hơn dạng thường

- Giá thành cao hơn so với cơ cấu vít me - đai ốc thường

- Do có cấu tạo phức tạp hơn, có nhiều bộ phận cần bảo dưỡng thường xuyên

03.Cơ cấu thanh răng – bánh răng

(bánh răng thẳng) - Cấu trúc đơn giản

- Giá thành thấp nhưng năng suất cao

- Có thể đạt được nhiều tỷ số truyền khác nhau

- Gây tiếng ồn lớn khi hoạt động

- Độ chính xác không cao bằng truyền động vít me và bộ truyền thanh răng bánh răng nghiêng

04.Cơ cấu thanh răng – bánh răng

- Khả năng làm việc chịu tải, có tốc độ làm việc cao hơn nhiều so với bánh răng trụ khác, độ tiếp xúc cao nên độ truyền tải cũng lớn hơn

- Khả năng hoạt đông êm ái hơn so với bánh răng trụ thẳng

- Có răng dài hơn bánh răng trụ thẳng, do đó thể truyền nhiều công suất hơn

- Độ chính xác tốt hơn

- Gia công bánh răng trụ nghiêng yêu cầu về máy móc và chi phí khá lớn

- Nhanh mòn do ma sát trực tiếp và độ tiếp xúc cao

- Sau khi nghiên cứu về máy cắt sắt có trục chính nằm ngang và tấm đỡ đặt máy cắt gắn trên trục X tịnh tiến trái phải, nhóm quyết định thiết kế kết cấu của từng cụm truyền động 3 trục của máy như sau:

- Sử dụng cơ cấu vít me – đai ốc thường để truyền động cho cụm truyền động trục Z và

X vì chỉ cần di chuyển cắt hết chiều rộng và chiều sâu của chi tiết nhưng vẫn cần độ chính xác nhất định, nên việc chọn bộ truyền này sẽ đảm bảo phù hợp cả về hiệu năng làm việc và chi phí sản xuất máy

- Sử dụng cơ cấu vít me – đai ốc bi để truyền động cho cụm truyền động trục Y vì yêu cầu độ chính xác về kích thước cắt của phôi nên bắt buộc phải chọn cơ cấu truyền động có độ chính xác cao nhất

4.4.2 Phương án lựa chọn dẫn hướng cho các cơ cấu truyền động của 3 trục

Bảng 4 2: Phân tích lựa chọn dẫn hướng cho các cơ cấu truyền động của 3 trục

01.Cơ cấu dẫn hướng thanh trượt vuông

- Bởi vì quá trình dẫn hướng tuyến tính chịu ảnh hưởng của ma sát lăn của ổ đỡ nên dễ trượt hơn

- Độ cứng cao, chịu tải tốt, tuổi thọ cao, hiếm khi bị mài mòn

- Chống rung tốt, dễ bảo trì và sửa chữa

- Đòi hỏi phải lắp đặt trên mặt phẳng

02.Cơ cấu dẫn hướng thanh trượt tròn - Thanh trượt, con trượt tròn có độ chính xác cao mà lại có giá thành phải chăng

- Con trượt có khả năng lắc ngang giúp hỗ trợ phù hợp với các cơ cấu lắp đặt có bề mặt không phẳng tuyệt đối

- Thanh trượt tròn thường không cung cấp độ chính xác cao như thanh trượt vuông

- Chịu tải không tốt, độ cứng vững không ổn định

- Tuổi thọ và độ bền thấp

Chọn sử dụng ray trượt tròn cho cả 3 cụm trục truyền động trên máy cắt sắt vì:

- So với các loại thanh trượt khác, thanh trượt tròn có độ chính xác cao, chịu tải trọng lớn, lượng ma sát thấp, tiếng ồn vận hành thấp và hoạt động êm ái Kháng rỉ sét và ăn mòn Dễ dàng lắp ráp và thiết kế

- Cả 3 cụm trục X,Y, Z đều có chuyển động cực kì chính xác trong quá trình cắt, các con trượt thường xuyên chuyển động trên ray nên cần sự hoạt động êm ái Vì vậy chúng em chọn thanh trượt tròn cho cả 3 cụm trục X, Y, Z

4.4.3 Phương án lựa chọn kiểu lắp đặt vít me – đai ốc

Bảng 4 3: Phân tích lựa chọn kiểu lắp đặt vít me đai ốc cho các cơ cấu truyền động của

(Fixed – Free) - Dễ lắp đặt và điều chỉnh

- Chi phí thấp do chỉ cần một ổ đỡ cố định

- Độ cứng thấp, có thể gây uốn cong và rung động khi hoạt động với tải trọng lớn hoặc tốc độ cao

- Độ chính xác không cao do đầu tự do không được hỗ trợ

02 Cố định – đỡ (Fixed – Supported)

- Cải thiện độ cứng và ổn định so với kiểu Cố định –

- Đầu tự do được hỗ trợ bởi ổ đỡ, giảm thiểu uốn cong và rung động

- Lắp đặt phức tạp hơn so với kiểu

- Chi phí cao hơn do cần thêm một ổ đỡ hỗ trợ

- Cung cấp độ cứng và độ chính xác cao nhất

- Giảm thiểu tối đa rung động và uốn cong, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao

- Lắp đặt và căn chỉnh phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật cao

- Chi phí cao nhất trong các kiểu gắn kết do cần hai ổ đỡ cố định và yêu cầu khắt khe về căn chỉnh

Như vậy, chọn kiểu lắp fixed-support vì kiểu lắp này vừa đơn giản mà vẫn đáp ứng được yêu cầu về độ cứng vững, độ chính xác ở mức độ trung bình

4.4.4 Phương án lựa chọn động cơ điện cho các cơ cấu truyền động của 3 trục

Bảng 4 4: Phân tích lựa chọn động cơ cho các cơ cấu truyền động của 3 trục Động cơ bước Động cơ servo Ảnh minh họa

Mạch driver Đơn giản (người dùng có thể chế tạo chúng)

Phức tạp (người sử dụng phải mua mạch driver từ các nhà sản xuất)

Nhiễu, rung động Đáng kể Rất ít

Tốc độ Chậm (tối đa 1000-2000 vòng/p) Nhanh (tối đa 3000-5000 vòng/p)

Hiện tượng trượt bước Có thể xảy ra Khó xảy ra (Động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải đặt vào tăng)

Phương pháp điều khiển Vòng hở (không có encoder) Vòng kín (có encoder) Giá thành 100 nghìn – 2 triệu đồng Trên 1,5 triệu đồng Độ phân giải Phổ biến là loại 1.8 0 (200 bước/v), còn có bước góc nhỏ hơn như 0.72 0 , 0.36 0

Phụ thuộc độ phân giải của encoder

Thông thường vào hoảng 0.36 ÷ 0.036° (1000÷10000 xung/v)

- Chọn sử dụng động cơ bước cho cả 3 cụm trục vì 3 cụm trục của máy cắt sắt không yêu cầu hoạt động ở tốc độ cao, đảm bảo phù hợp và tiết kiệm chi phí

- Mặc dù, việc sử dụng động cơ bước lại không phù hợp với yêu cầu về độ chính xác cao của trục Y (trục chuyển động tịnh tiến của cữ) Nhưng sản phẩm sắt cắt ra vẫn cho phép một lượng dung sai mà những giai đoạn gia công sau (như hàn) vẫn có thể hoàn thành được không hề ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Tiến hành thiết kế khung máy theo phương án đã chọn

- Thiết kế hình dáng, kích thước khung máy

+ Dựa trên những thông tin về kích thước máy cắt sắt đã được nghiên cứu trước đó, kết hợp với yêu cầu quy định, từ đó thiết kế chiều dài, chiều rộng, chiều cao phù hợp cho không gian làm việc của khung máy, chi tiết ở bảng 4.4

Bảng 4 5: Bảng thông số kỹ thuật về kích thước của khung máy cắt sắt

Chiều dài của khung máy (mm)

Chiều rộng của khung máy (mm)

Chiều cao của khung máy (mm)

- Dựa trên các kích thước trên thì thiết kế đã đáp ứng được yêu cầu của công ty như:

+ Chiều cao không gian làm việc không được quá cao hoặc quá thấp để tránh cho người vận hành gặp các vấn đề về sức khỏe, cột sống khi làm việc trong thời gian dài + Không gian làm việc phải tương thích và kích thước của nó phải phù hợp với các loại máy móc, dây chuyền sản xuất đã có ở các công đoạn khác trong quy trình sản xuất của công ty Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc nâng cấp, cải tiến và tích hợp máy vào hệ thống sản xuất của công ty

- Dựa trên những phương án đã chọn lựa tiến hành thiết kế cấu trúc máy

Hình 4 5: Máy cắt sắt có cữ tự động 3D

THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN

Sơ đồ nguyên lý máy

Hình 5 1: Sơ đồ nguyên lý máy

2: Trục vít me 5: Động cơ bước

Lựa chọn máy cắt

Cắt hướng kính bằng chu vi đá [8]

+ Hệ số 𝐶 𝑁 và các số mũ r, y, q, z tra bảng [8]

+ V - Tốc độ vòng quay của đá (m/phút)

+ S - Lượng chạy dao dọc (mm/ vòng)

+ d - Đường kính đá cắt (mm)

+ b - chiều dầy đá cắt (mm)

Bảng 5 1: Hệ số 𝐶 𝑁 và các số mũ r, y, q, z

Mài Hệ số và các số mũ

CN r x Y q z Mài tròn ngoài hướng kính 0,14 0,8 0,8 - 0,2 1

+ Bề dày của đá cắt b = 2 (mm)

+ Tốc độ vòng quay của đá V = 7000 (vòng/ phút) = 0,611 (m/ phút)

- Công suất cắt theo tính toán N = 530 (W)

➔ Sử dụng máy cắt cầm tay với thông số công suất là 720 W [14]

Hình 5 2: Máy cắt cầm tay [15]

❖ Lực do máy cắt sinh ra

- Số vòng quay của máy khi không tải: n = 11000 (vòng/phút) = 183 (vòng /s)

- Đường kính lưỡi cắt: D 0 (mm) => Bán kính r = 90 mm=0,09 (m)

- Số vòng quay khi có tải n = (5000 - 8000) vòng/phút

- Tốc độ khi có tải : v = 2.π.r.n = 2.π 0,09 116,7 = 66 (m/s)

- Ta có công suất của máy mài: [28]

+ N: Công suất của động cơ trục đá mài (kW)

+ V: Tốc độ quay của đá mài (m/s)

+ PC: Lực cắt gọt khi mài (kN)

+ ŋ: Hệ số truyền dẫn của máy (ŋ = 0,75 – 0.8) [28]

- Lực tác dụng lên trục Z, X

Hình 5 3: Phân tích lực tiếp tuyến

+ Lực tác dụng lên trục X

+ Lực tác dụng lên trục Z

- Góc 52 độ là góc cắt được tính cho phôi lớn nhất 30x30 (mm)

Lựa chọn cơ cấu vít me - đai ốc bi kết hợp ray trượt

Hình 5 4: Mô phỏng trục Y trong thiết kế

- Khối lượng đặt lên m = 3 (kg)

- Chiều dài làm việc l= 960 mm

- Công dụng bộ truyền: tịnh tiến cữ làm việc

- Theo tham khảo thông số tốc độ di chuyển cao nhất của trục vít me Y là 15 (𝑚𝑚/s)

• Vật liệu vít bằng thép không tôi , đai ốc bằng gang chống ma sát

+ Áp suất cho phép chọn [p] = 6 MPa [9]

+ Ứng suất kéo (nén) cho phép đối với vít bằng thép

3 = 106,7 (𝑀𝑃𝑎) + Ứng suất cho phép đối với vật liệu đai ốc: [𝜎 𝑘 ] = 20 (𝑀𝑃𝑎)

- Chọn đai ốc nguyên nên 𝜓 𝐻 = 1,8

- Theo [24] trục vít me trên thị trường ta chọn đường kính ngoài d mm, có 3 bước ren ps = 4; 5; 10 mm đối với đường kính đã chọn

- Với các bước ren đã cho thì bước ren càng lớn thì điều kiện tự hãm càng khó đảm bảo, tuy nhiên chọn giá trị bước ren càng lớn thì hiệu suất càng cao Tốt nhất nên chọn bước ren ps =5 mm vì khả năng tự hãm và hiệu suất vừa phải

- Chọn ren 1 đầu mối với z1 = 1

+ Chọn hệ số chiều dài 𝜇 = 1

Do 𝛿 > 𝛿 𝑡ℎ = 90 Giá trị tải trọng tới hạn Fath (N) được xác định theo công thức Ơle

+ E - modun đàn hồi vật liệu vít, MPa, với thép E = 2,1.10 5 (MPa)

+ Bộ truyền vít đai ốc với ma sát lăn thì hiệu suất ma sát lăn 𝜂 = 0,8 [9]

+ Bước ren ps = 5 (mm/vòng)

- Số vòng quay cần thiết

Bảng 5 2: Thông số động cơ điện 57HS22 [20]

- Số vòng quay của động cơ

Từ (2), (3) -> Số vòng quay thỏa điều kiện cần

+ Tần số xung cài đặt f = 800 (xung/s)

+ Số bước của 1 vòng S = 200 (bước/vòng)

+ Momen xoắn trên trục động cơ T = 2200 (N.mm)

+ Số vòng quay của động cơ n = 240 (vòng/ phút)

Từ (1), (4) -> Công suất động cơ thỏa công suất cần thiết

• Các thông số của bộ truyền

- Đường kính trong của vít me 𝑑 1 = 15 (𝑚𝑚)

- Khoảng cách từ tâm rảnh lăn tới tâm bi:

- Đường kính vòng tròn qua các tâm bi

- Số bi trên các vòng ren làm việc 𝑍 𝑏 = 𝜋.𝐷 𝑡𝑏 𝐾

- Góc ma sát lăn thay thế

+ Hệ số ma sát lăn thay thế ft = 0,004

- Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến

❖ Kiểm nghiệm về độ bền của trục

- Tải trọng riêng dọc trục

+ 𝑍 𝑏 = 35 (viên) - Số bi trên các vòng ren làm việc

+ 𝜆 = 0,8 - Hệ số phân bố không đều tải trọng cho các viên bi

+ K = 2 (vòng) - số vòng ren làm việc theo chiều cao đai ốc

- Từ khe hở tương đối 𝜒 = 0,008 và tải trọng riêng dọc trục qa = 0,11 từ đồ thị hình 5.2 xác định được 𝜎 𝑚𝑎𝑥 = 700 𝑀𝑃𝑎

Hình 5 5: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất [2]

- Yêu cầu đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt HRC ≥ 53, đối với bi đạt HRC ≥

Hình 5 6: Mô phỏng trục X trong thiết kế

- Khối lượng đặt lên: m = 7 (kg)

- Lực do máy cắt tác dụng lên trục X: PX = 548 (N)

- Tần số xung cài đặt: f = 800 (xung/s)

- Chiều dài làm việc: l = 585 (mm)

- Công dụng bộ truyền: đỡ trục Z, tịnh tiến trái phải

- Lựa chọn vận tốc trục X nhanh nhất theo tham khảo

- Vận tốc trục X: Vx = 12,5 (mm/s)

- Lực dọc trục cần thiết: 𝐹 𝑎 = 𝐹 𝑚 + 𝑃 𝑥 = 70 + 548 = 618 (𝑁)

• Vật liệu vít là thép, đai ốc bằng gang chống mòn

+ Giá trị áp suất cho phép chọn [p] = 6 (MPa)

3 = 106,7 (𝑀𝑃𝑎) + Giới hạn chảy của vật liêu vít là thép 𝜎 𝑐ℎ = 320 (𝑀𝑃𝑎) [9]

+ Ứng suất cho phép đối với vật liệu đai ốc: [𝜎 𝑘 ] = 20 (𝑀𝑃𝑎)

- Theo [2], chọn đường kính ngoài d = 20 mm, có 2 bước ren ps = 2; 4 mm đối với đường kính đã chọn Đường kính trong d1 mm

- Với các bước ren đã cho thì bước ren càng lớn thì điều kiện tự hãm càng khó đảm bảo, tuy nhiên chọn giá trị bước ren càng lớn thì hiệu suất càng cao Chọn bước ren ps = 4 mm vì hiệu suất cao

• Kiểm tra điều kiện tự hãm ( 𝜸 < 𝝆′) [9]

- Góc ma sát tương đương cặp ren vít 𝜌 ′ = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔𝑓 ′ = 𝑎𝑟𝑐𝑡𝑔(0,15) ≈ 8 0

• Chọn số vòng ren đai ốc z

+ Chiều cao làm việc ren ℎ = 𝜓 ℎ 𝑝 𝑠 = 4.0,5 = 2 (mm)

+ Hệ số chiều cao ren 𝜓 𝐻 = 𝐻

+ K = 0,8 - hệ số tính đến sự mất mát công suất do ma sát trong ổ và do bộ truyền do cắt ren không chính xác [9]

• Số vòng quay cần thiết

• Chọn động cơ điện 57HS22

- Thông số của động cơ:

+ Số vòng quay của động cơ 𝑛 = 240 ( 𝑣ò𝑛𝑔

𝑠 ) (bảng 5.2) + Công suất của động cơ 𝑃 = 0,055 (𝑘𝑊) = 55,3 (𝑊)

➔ Từ (5), (6), chọn động cơ điện 57HS22

• Kiểm tra độ bền vít

+ d2 - Đường kính trung bình của ren (mm)

+ Góc nâng ren vít 𝛾 = 4 (độ)

+ [𝜎 𝑘 ] - ứng suất kéo cho phép có giá trị bằng ứng suất nén cho phép [𝜎 𝑛 ]

+ d1 - đường kính trong vít me (mm)

- Với vật liệu vít theo thép, chọn giới hạn chảy 𝜎 𝑐ℎ = 320 𝑀𝑃𝑎, do đó ứng suất cho phép

➔ Điều kiện bền thỏa vì 𝜎 𝑡𝑑 = 4 (𝑀𝑃𝑎) < [𝜎] = 106,7 (𝑀𝑃𝑎)

+ Chọn hệ số chiều dài 𝜇 = 1

Do 𝛿 > 𝛿 𝑡ℎ = 90 Giá trị tải trọng tới hạn Fath (N) được xác định theo công thức Ơle

+ E - modun đàn hồi vật liệu vít, MPa, với thép E = 2,1.10 5 MPa

Hình 5 7: Mô phỏng trục Z trong thiết kế

+ Khối lượng đặt lên: m = 5 (kg)

+ Tần số xung cài đặt: f = 800 (xung/s)

+ Chiều dài làm việc: l = 205 (mm)

+ Công dụng bộ truyền: đỡ máy cắt, tịnh tiến lên xuống

+ Lực dọc trục cần thiết: 𝐹 𝑎 = 𝑃 𝑧 − 𝐹 𝑚 = 701 − 50 = 651 (𝑁) + Lựa chọn vận tốc trục Z nhanh nhất theo tham khảo Vz = 6 (mm/s)

• Vật liệu vít là thép, đai ốc bằng gang chống mòn

+ Giá trị áp suất cho phép chọn [p] = 6 MPa

+ Ứng suất cho phép đối với vật liệu đai ốc: [𝜎 𝑘 ] = 20 (𝑀𝑃𝑎)

- Theo [2], chọn đường kính ngoài d = 14 mm, có 2 bước ren ps = 2; 3 mm đối với đường kính đã chọn

- Với các bước ren đã cho thì bước ren càng lớn thì điều kiện tự hãm càng khó đảm bảo, tuy nhiên chọn giá trị bước ren càng lớn thì hiệu suất càng cao Chọn bước ren ps = 3 mm vì hiệu suất cao

- Đường kính trong d1 = 11 mm, đường kính trung bình d2 = 12,5 mm Chọn ren 1 đầu mối với z1 = 1

• Kiểm tra điều kiện tự hãm ( 𝜸 < 𝝆′)

• Chọn số vòng ren đai ốc z

+ chiều cao làm việc ren ℎ = 𝜓 ℎ 𝑝 𝑠 = 0,5.3 = 1,5 (mm) ps = 3 mm - bước ren

Hệ số chiều cao ren 𝜓 𝐻 = 𝐻

+ K - hệ số tính đến sự mất mát công suất do ma sát trong ổ và do bộ truyền do cắt ren không chính xác , K = 0,8 [9]

• Số vòng quay cần thiết

Bảng 5 3: Thông số động cơ điện 42HS60

Model Đường kính trục (mm)

• Số vòng quay của động cơ

Từ (8), (9) -> Số vòng quay thỏa điều kiện cần

+ Tần số xung cài đặt f = 800 (xung/s)

+ Số bước của 1 vòng S = 200 (bước/vòng)

+ Momen xoắn trên trục động cơ T = 600 (N.mm)

+ Số vòng quay của động cơ n = 240 (vòng/ phút)

Từ (7), (10) -> Công suất thỏa điều kiện cần

• Kiểm tra độ bền vít

+ Đường kính trung bình của ren d2 ,5 (mm)

+ Góc nâng ren vít 𝛾 = 4,37 (độ)

+ Góc ma sát tương đương cặp ren vít 𝜌 ′ = 8 (độ)

+ Đường kính trong vít me d1 = 11 (mm) [3]

- Với vật liệu vít là thép, chọn giới hạn chảy 𝜎 𝑐ℎ = 320 𝑀𝑃𝑎, do đó ứng suất cho phép

➔ Điều kiện bền thỏa vì 𝜎 𝑡𝑑 = 9 𝑀𝑃𝑎 < [𝜎] = 106,7 𝑀𝑃𝑎

+ Chọn hệ số chiều dài 𝜇 = 2 [9]

Do 𝛿 0 = 50 ≤ 𝛿 ≤ 𝛿 𝑡ℎ = 90 Giá trị tải trọng tới hạn Fath (N) được xác định theo công thức

+ Bán kính quán tính mặt cắt vít 𝑖 = 𝑑 1

Chọn con trượt

5.4.1 Chọn con trượt cho trục X:

- Với chiều dài trục X là 585 (𝑚𝑚) và khoảng cách an toàn để tránh con trượt rơi khỏi ray trượt trong quá trình hoạt động nên khoảng cách an toàn để con trượt hoạt động là

- Hai ray trượt của trục X chịu tải lớn (do phải tải cụm trục Z)

- Về phần tính toán dựa theo tải trọng mà X phải chịu đã được tính toán ở trên thì tải trọng mà trục X cần tải là 70 (𝑁)

→ Vì vậy ta chọn ray trượt SBR16

Hình 5 8: Phân tích lực trên con trượt trục X

- Ứng với hệ số an toàn tĩnh đối với trượt dẫn hướng 𝐹𝑠 = 10, tải trọng mà con trượt có thể tải:

→ Con trượt SBR16 thỏa điều kiện

5.4.2 Chọn con trượt cho trục Y:

- Đối với con trượt của trục Y thì chỉ cần tải cữ, với chiều dài của trục Y là 960 (𝑚𝑚) cùng với đó là khoảng cách an toàn để tránh con trượt rơi khỏi ray trượt trong quá trình hoạt động nên khoảng cách an toàn để con trượt hoạt động là 900 (𝑚𝑚)

Theo tính toán ở trên thì ta thấy lực cần tải của trục Y là 30 (𝑁)

→ Vì vậy ta chọn con trượt SBR10

Hình 5 9: Phân tích lực trên con trượt trục Y

Tải trọng tối đa của trượt dẫn hướng:

→ Con trượt SBR10 thỏa điều kiện

5.4.3 Chọn thanh trượt cho trục Z:

- Với trục Z thì con trượt dùng để dẫn hướng cụm máy cắt di chuyển lên xuống Chiều dài sơ bộ của con trượt là 205 (𝑚𝑚), cùng với đó là khoảng cách an toàn để tránh con trượt rơi khỏi ray trượt trong quá trình hoạt động nên khoảng cách an toàn để con trượt hoạt động là 190 (𝑚𝑚)

- Theo tính toán ở trên thì ta thấy lực cần tải của trục Z là 50 (𝑁)

→ Vì vậy ta chọn con trượt SBR10

Hình 5 10: Phân tích lực trên con trượt trục Z

Tải trọng tối đa của trượt dẫn hướng:

→ Con trượt SBR10 thỏa điều kiện.

Chọn khớp nối

- Chọn khớp nối mềm SRJ-30C cho cụm X

+ Đường kính trục của động cơ trục X: ∅8 (mm)

- Chọn khớp nối mềm SRJ-30C cho cụm Y

+ Đường kính động cơ trục Y: ∅8 (mm)

+ Đường kính trục Y lắp khớp nối: ∅10 (mm)

- Khớp nối mềm SRJ-30C có các đặc điểm như sau:

+ Độ cứng, độ chính xác cao

+ Cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt, dễ bảo trì, tra dầu và chống ăn mòn + Có quán tính thấp, đàn hồi tốt

+ Chịu được moment xoắn lớn

Hình 5 11: Thông số của khớp nối mềm [26]

Chọn gối đỡ cho trục Y

Hình 5 12: Tham khảo kích thước trục vít me - đai ốc bi trục Y [27]

- Theo tham khảo từ Misumi, sử dụng gối đỡ BK12 và BF12 [25]

Kiểm nghiệm khung máy bằng phần mềm INVENTOR 2022

+ Giả sử đặt lực tác dụng lên khung máy: F = 150 N

Hình 5 16: Đặt lực lên khung máy

Hình 5 17: Kết quả phân tích ứng suất trên khung máy

+ Kết quả phân tích được, ứng suất lớn nhật tập trung tại mặt trên khung phải chịu khi làm việc có giá trị: 4,953 (MPa) < 𝜎 𝑏

➔ Kết cấu đạt yêu cầu điều kiện bền

Hình 5 18: Kết quả phân tích chuyển vị trên khung máy

+ Theo kết quả phân tích được, chuyển vị lớn nhất của cơ cấu có giá trị: 0,0092 (mm) + Chuyển vị của khung là rất nhỏ so với kích thước khung cho nên đối với chuyển vị trên là có thể chấp nhận được

➔ Kết cấu đạt yêu cầu về độ bền

CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM

Chế tạo các bộ phận của máy

Hình 6 1 : Cụm chi tiết máy

Bảng 6 1: Chế tạo khung máy

Phương pháp gia công: Cắt + hàn

6.1.2 Chế tạo các bộ phận cụm trục X

Hình 6 2: 3D và thực tế của cụm trục X Bảng 6 2: 3D và thực tế các chi tiết của cụm trục X

+ Phương pháp gia công: Cắt + Hàn + Khoan

Tấm đỡ trục trên trục X

+ Phương pháp gia công: Cắt + hàn, laser

Chi tiết lắp bạc đạn trục X

+ Phương pháp gia công: Phay, tiện, khoan

+ Phương pháp gia công: Khoan, tiện

Vít me đai ốc thường

+ Phương pháp gia công: Khoan, tiện

- Tấm đỡ trục trên trục X

+ Phương pháp gia công: Cắt + hàn, laser

6.1.3 Chế tạo các bộ phận cụm trục Y

Hình 6 3: 3D và thực tế của cụm trục Y Bảng 6 3: 3D và thực tế các chi tiết của cụm trục Y

+ Phương pháp gia công: Cắt laser+ Khoan + Chấn

+ Phương pháp gia công: Cắt laser

6.1.4 Chế tạo các bộ phận cụm trục Z

Hình 6 4: 3D và thực tế của cụm trục Z

Bảng 6 4: 3D và thực tế các chi tiết của cụm trục Z

+ Phương pháp gia công: Phay + khoan

+ Phương pháp gia công: Tiện + khoan

Chi tiết lắp định vị máy mài góc

Vít me đai ốc thường

+ Phương pháp gia công: Tiện + phay + khoan

6.1.5 Cụm định vị kẹp chặt phôi

Hình 6 5: 3D và thực tế của cụm định vị, kẹp chặt phôi

Bảng 6 5: 3D và thực tế các chi tiết của cụm định vị, kẹp chặt phôi

+ Phương pháp gia công: Cắt laser + Khoan + Chấn

+ Phương pháp gia công: Phay + Khoan

6.1.3 Một số linh kiện mua trên thị trường

Vít me - đai ốc bi

Hệ thống mạch điện

6.2.1 Hình ảnh khí cụ điện sử dụng

Hình 6 6: Nút E-Stop và nút nhấn ON/OFF

Hình 6 7: MCB 2 pha 10A NXB-63 C10 và nguồn tổ ong 24V

Hình 6 8: Driver điều khiển động cơ bước và bộ điều khiển động cơ bước 3 trục

Hình 6 9: Công tắc hành trình

Hình 6 10: Sơ đồ mạch điện

❖ Khí cụ điện dùng trong mạch và công dụng:

- Nguồn tổ ong 24V : Chuyển đổi điện áp từ 220V sang 24V Cung cấp điện cho toàn bộ tủ điện

- Bộ điều khiển động cơ bước : Phát xung điều khiển động cơ bước, điều khiển động cơ theo từng chương trình con, điều khiển thước tự động

- Driver điều khiển động cơ bước : Điều khiển động cơ bước hoạt động

- MCB 2 pha 10A NXB-63 C10 : Phân phối điện hoặc bảo vệ mạch điện quá tải

- Nút E-Stop : Dừng ngay lập tức các thiết bị điện hoặc hệ thống điện trong trường hợp xảy ra những tình huống nghi hiểm

Hình 6 11: Sơ đồ tủ điện

- Điều hướng: di chuyển nhanh, không cần nhập thông số

- Chương trình: Chọn chương trình thực hiện

- Trục X, Y, Z: nhập thông số vị trí

- Menu: thay đổi tốc độ các động cơ và tạo chương trình mới chạy theo bước

Hình 6 12: Màn hình điều khiển

+ Nhập thông số vị trí

Hình 6 13: Màn hình nhập thông số

Hình 6 14: Điều chỉnh tốc độ các trục

+ Tạo chương trình theo bước

Hình 6 15: Tạo chương trình theo bước

- Khi điện 220v hiệu dụng đi vào trong chuyển đổi ADAPTER thành dòng 24V vào ngõ 24V với COM2, với điện 24V để khởi động bộ điều khiển và COM2 dùng để chuyển áp xuống thành 5V để chạy các CONTACTOR, giả sử đặt DRIVER 1 là START, khi nhấn DRIVER 1 thì K5 đóng dòng không đồng bộ với MASS, động cơ chạy, khi nhấn DRIVER 2 (là nút PAUSE) thì K6 đóng lúc này dòng đồng bộ với mass làm cho K5 mở ra, khi K5 mở thì K6 cũng mở theo

- Khi dòng điện quá tải, driver 3 tức E-STOP sẽ mở vì là công tắc luôn đóng nên khi dòng quá tải, DRIVER 3 được kích, dòng mở ra, đồng nghĩa tắt toàn bộ hệ thống.

Lưu đồ giải thuật

Hình 6 16: Lưu đồ giải thuật chế độ thủ công

Hình 6 17: Lưu đồ giải thuật chế độ tự động

Hướng dẫn vận hành máy

- Bước 1: Kiểm tra tủ điện, nút E-Stop và mở CB để mở máy

Hình 6 18: Khi đã kiểm tra tủ điện và mở CB để mở máy

Hình 6 19: Các cụm trục của máy tự động di chuyển về tọa độ Home

- Bước 2: Nhập thông số trục Y để điều chỉnh cữ (đơn vị 00001 tương ứng 1 mm, 00010 tương ứng 10 mm)

Hình 6 20: Nhập thông số trục Y để điều chỉnh cữ

Hình 6 21: Màn hình yêu cầu nhập thông số vị trí

- Bước 3: Nhấn ok sau đó nhấn Start trên màn hình cảm ứng để thực hiện lệnh thủ công

- Bước 4: Định vị phôi, áp sát cữ trục Y, kẹp chặt phôi

- Bước 5: Vào menu, cấu hình, tốc độ điều khiển để chỉnh tốc độ chạy của trục thực hiện chuyển động (𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔)

Hình 6 22: Chỉnh tốc độ chạy của trục thực hiện chuyển động (𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔)

- Bước 6: Nhập thông số trục Z đi xuống qua mặt bàn cắt, trục X đi qua phôi để tiến hành cắt

Hình 6 23: Nhập thông số trục Z, trục X để tiến hành cắt

Bước 7: Nhấn Reset home để trục X đi về home và tiến hành lấy sản phẩm

Hình 6 24: Nhấn Reset home để trục X đi về home

❖ Chế độ tự động: chạy chương trình được thiết lập theo bước

- Bước 1: Nhập thông số trục Y để điều chỉnh cữ (đơn vị 00001 tương ứng 1 mm, 00010 tương ứng 10 mm)

- Bước 2: Nhập thông số trục X tiến lại gần phôi, trục Z đi xuống qua mặt bàn cắt

- Bước 3: Nhấn Menu, để tạo chương trình mới, tạo các bước

Hình 6 25: Tạo chương trình mới, tạo các bước

+ Nhập giá trị đặt (mm), tốc độ chạy (𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔) cho trục muốn điều khiển

+ Ví dụ: Bước 1: Trục Z đi xuống 92 (mm), bước 2: Trục X đi qua 70 (mm), bước 3: Trục Z đi lên 50 (mm), bước 4: Trục X về home (Theo vị trí tuyệt đối)

Hình 6 26: Nhập giá trị đặt, tốc độ chạy cho trục muốn điều khiển

- Bước 4: Chạy thử nghiệm chương trình (tháo phôi)

- Bước 5: Định vị phôi, áp sát cữ trục Y, kẹp chặt phôi

- Bước 6: Chọn chương trình, chọn chương trình 1

Hình 6 27: Chọn chương trình, Chọn chương trình 1

- Bước 7: Nhấn start, tiến hành cắt.

Thiết kế bảo vệ an toàn, lao động

- An toàn lao động là giải pháp chống lại tác động của các yếu tố nguy hiểm nhằm đảm bảo không xảy ra thương tật, tử vong đối với con người trong quá trình sử dụng Khi thiết kế một chiếc máy, yếu tố an toàn cũng là một vấn đề được đặt lên hàng đầu trong khi thiết kế, chế tạo Dựa trên phân tích những yếu tố có thể gây ra sự nguy hiểm đối với người sử dụng chúng em đã thêm những bộ phận mới nhằm đảm bảo an toàn đối với người sử dụng

- Lưỡi cắt sắt khi vận hành là yếu tố nguy hiểm nhất khi vận hành máy Lưỡi cắt quay quanh trục với tốc độ cao, khi tiếp xúc không đúng cách như ép quá mạnh hoặc quá nhanh khi cắt thì dễ bị bể đá, các mảnh đá sẽ văng theo phương quay chiều máy cắt dẫn đến dễ trúng người vận hành khi đứng gần lưỡi cắt Vì thế chúng em đã thiết kế khu vực

85 làm việc một bên góc 45 độ so với phương lưỡi Điều này sẽ hạn chế nguy hiểm khi máy bị bể lưỡi, giảm thương tật tai nạn cho người vận hành

Hình 6 28: Sơ đồ khu vực làm việc

- Khi tiến hành cắt sắt bằng máy cắt, luôn có các tia lửa bắn ra xung quanh Các tia lửa này gây hại đến sức khỏe của người sử dụng, đặc biệt là đôi mắt, do vậy cần lưu ý tuân thủ các điều dưới đây:

+ Mang đầy đủ bảo hộ lao động trước khi tiến hành công việc: quần áo bảo hộ, mũ, găng tay, kính

- Để hạn chế việc tia lửa bắn qua xung quanh nhóm đã thiết kế thêm 2 bộ phận để giảm sự bắn của tia lửa

Hình 6 29: Hình ảnh 2 gạt bảo vệ

- Với 2 gạt trước và sau sẽ giúp cho người vận hành tránh được những tia lửa trong khi cắt bắn ra Điều này sẽ giảm thiểu việc ảnh hưởng đến người công nhân

Hình 6 30: Nút dừng khẩn cấp E-stop

- Ngoài ra máy còn có nút dừng khẩn cấp giúp cho nhgười vận hành có thể dừng máy bất kể lúc nào khi gặp sự cố

❖ Một số lưu ý cho người vận hành

- Hệ thống máy đơn giản dễ vận hành tuy nhiên người sử dụng cần phải có một số chú ý để đảm bảo an toàn trong quá trình vận hành máy

+ Kiểm tra vận tốc của trục X, đảm bảo vận tốc cắt phù hợp với từng loại kích thước sắt hộp

+ Kiểm tra phôi đầu vào, là phôi sắt hộp có kích thước đúng với những kích thước sắt hộp mà máy cắt được

+ Khi cắt không được đứng thẳng với phương lưỡi cắt để tránh những tia lửa và phòng khi trường hợp đá cắt bị bể

+ Hệ thống sử dụng nguồn điện 220V nên chú ý khi cung cấp điện

+ Khi kẹp phôi cần kẹp chặt cả bằng vít me và bulong, tránh trường hợp văng phôi cắt

Kết quả và thực nghiệm

Hình 6 31: Máy khi hoàn thiện

- Kiểm nghiệm tốc độ trục X nào cho mặt cắt tốt nhất ở từng loại sắt hộp

- Kiểm tra độ ổn định của cữ (trục Y)

- Kiểm nghiệm góc cắt 45 độ

Các loại sắt hộp vuông có kích thước 20x20x1.4 mm, 25x25x0.7 mm, 30x30x1 mm

Hình 6 32: Phôi dùng làm thực nghiệm

❖ Phương pháp tổ chức thực nghiệm:

- Kiểm nghiệm tốc độ trục X: Cắt 3 loại phôi sắt kích thước khác nhau, mỗi loại cắt 5 lần, mỗi lần cắt có sự thay đổi về tốc độ của trục X (tốc độ thay đổi từ 200 -

- Kiểm nghiệm độ ổn định của cữ:

+ Cho một kích thước nhất định về cữ (Trục Y đã điều chỉnh về một vị trí cố định) cắt liên tục 5 lần mà không thay đổi gì về cữ Để kiểm tra trong quá trình cắt cữ có thay đổi gì không?

+ Cắt một phôi sắt 5 lần, cữ vẫn cố định ở một giá trị nhưng sau mỗi lần cắt thì cho cữ di chuyển đến vị trí khác rồi quay lại vị trí ban đầu (giá trị cố định) Để kiểm tra xem cữ trong quá trình di chuyển có bị sai số không?

- Đánh giá mặt cắt bằng phương pháp cảm quan (xem mặt cắt có đẹp hay không, có nhiều bavia không), xem máy cắt có bị nặng hay không ở các vận tốc khác nhau của trục

- Dùng thước kẹp để kiểm tra sản phẩm cắt ra ( kiểm tra độ ổn định của cữ) Xem sản phẩm cắt ra có đạt được độ chính xác so với kích thước cữ đã xác định

- Xác định vận tốc trục X hợp lí cho từng loại sắt hộp có kích thước khác nhau

- Xem xét sự ảnh hưởng của cữ đến kích thước trong quá trình cắt

❖ Thực nghiệm 1: Kiểm nghiệm tốc độ trục X

- Bước 1: Chọn 1 phôi sắt hộp dài 1200 (mm) Cắt 3 loại phôi:

Bước 2: Thay đổi vận tốc trục X lần tượt từ 250 - 500 ( 𝜇𝑠

𝑥𝑢𝑛𝑔) Cắt xong 1 lần là tăng

Bước 3: Gá phôi và thực hiện cắt

Bước 4: Kiểm tra đánh giá mặt cắt, độ êm của máy Lựa chọn vận tốc trục X phù hợp với từng loại sắt

* Định vị kẹp chặt phôi

Sử dụng cơ cấu vít me đai ốc thường để kẹp phôi Đồng thời sử dụng thêm 2 bu lông để tăng độ cứng vững của đồ gá

Hình 6 33: Định vị, kẹp chặt phôi và hình ảnh gia công

200 - Mặt cắt bị nghiêng, nhiều bavia

250 - Mặt cắt hơi nghiêng, chưa được đẹp

- Mặt cắt đẹp, ít bavia

Kết luận: Đối với loại sắt 20x20x1,4 mm nên cắt với tốc độ trục X là 300 𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔 = 0,25 (m / phút)

- Mặt cắt bị nghiêng, nhiều bavia

- Nhiều bavia, mặt cắt chưa đẹp

Kết luận: Đối với loại sắt 25x25x0,7 mm nên cắt với tốc độ trục X là 350 𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔 = 0,21 (m / phút)

- Mặt cắt bị nghiêng, ít bavia

Kết luận: Đối với loại sắt 30x30x1 mm nên cắt với tốc độ trục X là 400 𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔 =

❖ Thực nghiệm 2: Kiểm nghiệm độ ổn dịnh của cữ (trục Y)

- Phương pháp 1: Di chuyển cữ sau mỗi lần cắt

Bước 1: Xác định kích thước sản phẩm cần cắt 200 (mm) Di chuyển cữ để xác định vị trí cắt (vị trí để cắt được phôi 200 mm) Chọn loại sắt hộp có kích thước 20x20x1,4

Bước 2: Di chuyển cữ đến một vị trí khác bằng cách nhập vào màn hình điều khiển phần thông số trục Y, giả sử 300 (mm) rồi quay về vị trí ban đầu là vị trí để cắt được phôi 200 (mm)

Bước 4: Đo sản phẩm cắt, ghi lại kết quả đo Các lần sau bắt đầu từ bước 2

Hình 6 34: Điều chỉnh cữ về 200 (mm)

* Định vị, kẹp chặt phôi

- Sử dụng cơ cấu vít me đai ốc thường để kẹp phôi Đồng thời sử dụng thêm 2 bu lông để tăng độ cứng vững của đồ gá

Hình 6 35: Định vị, kẹp chặt phôi và hình ảnh gia công

Bảng 6 9: Sắt 20x20x1,4 mm Tốc độ trục X 300 ( 𝜇𝑠

STT Kích thước yêu cầu (mm) Kích thước khi cắt (mm) Độ chênh lệch (mm)

Phương pháp 2: Cắt 5 lần liên tục không thay đổi cữ

Bước 1: Xác định kích thước sản phẩm cần cắt (200 mm) Di chuyển cữ để xác định vị trí cắt (vị trí để cắt được phôi 200 mm) Chọn loại sắt hộp có kích thước 25x25x0,7 (mm) Tốc độ trục X 350 𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔

Bước 3: Đo sản phẩm cắt và ghi lại kết quả (Các lần sau bắt đầu từ bước 2)

Hình 6 36: Điều chỉnh cữ về 200 (mm)

Hình 6 37: Định vị, kẹp chặt phôi

Bảng 6 10: Loại sắt 25x25x0,7 mm Tốc độ trục X 350 𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔

STT Kích thước yêu cầu

(mm) Kích thước khi cắt (mm) Độ chênh lệch (mm)

Kết luận: Có sự sai lệch kích thước (lớn nhất 1,54mm) Nguyên nhân sai do khi gá có thể dùng lực quá lớn gây lệch cữ Tuy nhiên máy dùng cho việc cắt sắt dân dụng việc sai lệch có có thể chấp nhận được

6.6.3 Kiểm nghiệm góc cắt 45 độ:

Bước 1: Chọn loại sắt hộp có kích thước 20x20x1,4 (mm) Tốc độ cắt 300 ( 𝜇𝑠

𝑥𝑢𝑛𝑔) Điều chỉnh cữ về chế độ cắt 45 độ

Bước 3: Kiểm tra mặt cắt, kiểm tra góc 45 độ (Các lần sau bắt đầu từ bước 2)

- Xoay cữ theo rãnh đã thiết kế để đạt góc 45 độ, sau đó sử dụng thước đo góc để kiểm tra lại góc độ

Hình 6 38: Định vị, kẹp chặt phôi cắt 45 độ

Bảng 6 11: Sắt 20x20x1,4 mm Tốc độ trục X 300 𝜇𝑠/𝑥𝑢𝑛𝑔

STT Kích thước yêu cầu

Kết luận: Góc cắt 45 độ tương đối ổn định theo phương pháp cảm quan

- Sau nhiều lần thực nghiệm, kiểm tra và và chỉnh sửa, máy có thể cắt linh hoạt góc 90 0 và 45 0 , cơ cấu máy đơn giản, dễ vận hành Có thể phục vụ cho quá trình giảng dạy và nghiên cứu khoa học cho sinh viên, giúp cải thiện trong học tập và hiểu biết cho sinh viên khoa Cơ khí - Chế tạo máy

Tiêu đề	Thiết kế và chế tạo mô hình máy cắt sắt có cữ tự động
Tác giả	Phạm Quang Lợi, Đỗ Thành Ân, Lê Thanh Phong
Người hướng dẫn	TS. Phan Thị Đăng Thư
Trường học	Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ chế tạo máy
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	126
Dung lượng	13,1 MB