Nghiên cứu chế tạo đường trượt chuẩn ứng dụng trong đo lường chiều dài

6 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tại hệ dẫn động sống trượt đệm khí hay sử dụng thiết bị đo lường? Hệ dẫn động sống trượt đệm khí thường sử dụng thiết bị đo lường sử dụng sống trượt đệm khí có ưu điểm: • Ma sát không • Mài mòn không • Dịch chuyển xác • Hoạt động trơn không gây ồn • Không cần bôi trơn • Chuyển động tốc độ cao Các ưu điểm giúp thiết bị đo nâng cao độ xác phép đo 1.1.1 Ma sát: Ma sát vấn đề quan trọng dịch chuyển xác Ở đệm trượt ổ lăn, hệ số ma sát tĩnh cao hệ số ma sát động, cần lực phát động lớn hệ chuyển động Khi mô tơ quay truyền chuyển động, hệ thống dẫn trượt tích luỹ lượng, bắt đầu chuyển động ma sát giảm Hiện tượng ta gọi dính trượt Ngày máy công cụ hạng nặng, hệ thống trượt với độ xác 0,001 mm ta sử dụng ổ lăn; nhiên dịch chuyển vào khoảng 0,00001 mm sử dụng ổ lăn không phù hợp Trong đệm khí khác biệt ma sát tĩnh ma sát động nên dính trượt bị loại trừ, ma sát đệm khí tạo dịch chuyển hệ lớp khí, chuyển động hệ số ma sát Nhiệt nguyên nhân gây sai số máy Trong máy, trục quay, nhiệt tăng, có tượng giãn nở hướng kính, tâm quay trục bị lệch, ảnh hưởng đến độ xác máy Đối với đệm khí vấn đề xảy không đáng ngại 1.1.2 Mài mòn: Mòn học yếu tố cần lưu tâm kỹ sư thiết kế máy Ngày nay, máy đời đòi hỏi tốc độ nhanh có độ tin cậy cao Trong thực tế, có nhiều máy móc chạy tỷ vòng năm Khi kỹ sư phải tính đến tốc độ, gia tốc, tải trọng để ước tính tuổi thọ ổ Vấn đề tránh sử dụng đệm khí- tiếp xúc khí, tính toán tốc độ, gia tốc hay tải trọng hệ số mài mòn, chúng không ảnh hưởng tới tuổi thọ ổ Dạng mòn đệm khí xảy ăn mòn mà độ khí có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ đệm khí Đây đặc điểm quan trọng để tạo nên độ tin cậy máy 1.1.3 Độ cứng: Được tính tỷ lệ biến thiên tải trọng biến thiên khe hở Độ cứng = Trong ∆P ∆Z ∆P : biến thiên tải trọng ; ∆Z : biến thiên khe hở Độ cứng yếu tố quan trọng thiết kế hệ thống dịch chuyển xác, độ cứng cao độ lún Đặt tải đệm khí tuân theo quy luật thuỷ động lực học Khi đệm khí gia tải khe hở giảm, áp suất màng khí tăng lên Vì khí chất có tính nén nên xem có lò xo có độ cứng Các yếu tố định độ cứng đệm khí là: áp suất khe hở, chiều dày khe hở, diện tích bề mặt đệm Trong ổ lăn, vùng tiếp xúc bé nên ứng suất cục cao, để tránh biến dạng phải chế tạo vật liệu cứng Trong đệm khí, tải đặt toàn diện tích bề mặt đệm khí, vùng chịu tải lớn nhiều so với ổ lăn 1.1.4 Khả tải: Đệm khí có khả tải tương đối tốt khả tải đệm khí có hạn so sánh với đệm lăn Tuy nhiên mang vật nặng loại đệm truyền thống máy công cụ Khả tải đệm khí phụ thuộc vào diện tích bề mặt áp suất nguồn theo công thức sau: Diện tích bề mặt x áp suất phân bố bề mặt đệm khí = lực nâng Diện tích bề mặt x áp suất phân bố bề mặt đệm khí x hiệu suất = khả tải 1.2 Tìm hiểu sống trượt, đệm khí 1.2.1 Sống trượt Hiện có nhiều dạng sống trượt chạy đệm khí máy đo toạ độ nói chung máy đo độ thẳng nói riêng, chủ yếu sống trượt dạng tam giác sống trượt dạng hộp chữ nhật ™ Sống trượt dạng tam giác: Được sử dụng cho trục X máy MITUTOYOQM – MEASURE 333, hãng DEA Sống trượt loại có ưu điểm so với sống trượt hình chữ nhật là: giảm bớt mặt phải gia công, giảm bớt số đệm khí mà đảm bảo định vị ổn định cho xe trượt gắn nó, giảm khối lượng máy từ giảm quán tính máy, giảm vật liệu chế tạo máy Tuy nhiên nhược điểm khó gia công, gia công cần độ xác cao vị trí tương quan mặt sống trượt, khó khăn trình gá đặt, thực nguyên công ™ Sống trượt dạng chữ nhật: Được sử dụng phổ biến máy đo độ thẳng máy đo tọa độ Mặc dù khối lượng lớn, so với sống trượt tam giác nhiều mặt, dẫn đến cần nhiều đệm khí Tuy nhiên, so với sống trượt tam giác có tính ổn định cao hơn, dễ gia công 1.2.2 Đệm khí 1.2.2.1 Đặc điểm: Khác với đệm lăn tiếp xúc, đệm khí sử dụng lớp khí nén mỏng để tạo không ma sát hai bề mặt phân cách Lớp khí đệm tạo cách cung cấp lưu lượng khí vào đệm, khí qua lỗ tiết lưu chảy vào buồng phân phối theo dạng rãnh, hình thành phân bố áp bề mặt đệm bề mặt dẫn, tạo lực nâng đệm khí lên khỏi bề mặt dẫn, khe hở hai bề mặt gọi khe hở khí Một điều quan trọng công nghệ chế tạo đệm khí phải đảm bảo đệm không kẹt khả tự lựa tốt Để đệm khí làm việc tốt khớp quay phải đạt độ cầu định, hệ số ma sát thấp, không bị bụi bẩn suốt 10 trình làm việc Chất lượng khớp quay phụ thuộc vào vật liệu (thường dùng bi thép) trình mài nghiền 1.2.2.2 Phân loại • Xét theo đặc điểm trình làm việc đệm người ta chia thành hai loại: - Đệm khí động lực học: Đệm khí động lực học phụ thuộc vào chuyển động tương đối bề mặt đệm thường số loại có rãnh xoắn ốc Điều kiện hoạt động đệm phải có góc nêm, vận tốc tương đối hai bề mặt phải đủ lớn để tạo hiệu ứng nâng, bề mặt tách rời qua lớp khí Nếu chuyển động chuyển động không đủ nhanh để tạo lớp màng khí bề mặt đệm tiếp xúc với Ví dụ loại đệm có chuyển động đầu đọc ghi đĩa, ổ chặn, trục cam - Đệm khí tĩnh học: Đệm khí tĩnh yêu cầu tạo áp suất tồn bên nó, áp suất khí đưa vào bề mặt đệm công nghệ lỗ xác, rãnh bề mặt xốp Vì có áp suất cung cấp trước nên tồn khe hở bề mặt đệm không chuyển động • Xét theo đặc trưng phân phối khí bề mặt đệm người ta chia thành loại sau: - Đệm khí dạng buồng (hình 1.2): Người ta khoét bề mặt đệm thành buồng tích định để dẫn khí vào buồng tạo lực nâng cho đệm - Đệm khí dạng rãnh (hình 1.2): Trên bề mặt đệm người ta tạo rãnh dẫn khí theo hình dạng khác dựa tính toán thiết kế để tạo lực nâng cho đệm 11 Có nhiều đệm khí kết hợp đệm khí buồng rãnh Khi khí qua lỗ tiết lưu qua rãnh vào buồng chứa - Đệm khí theo bề mặt xốp (hình 1.3): Các đệm khí theo phân phối khí thường dùng lỗ tiết lưu gia công xác để dẫn khí vào đệm tạo thành khe hở khí Tuy nhiên giới người ta chế tạo đệm khí theo bề mặt xốp, khác với đệm khí theo lỗ truyền thống bề mặt đệm có hàng triệu lỗ nhỏ, có có khả tải cao, chống rung tự cân tốt Hình 1.3: Đệm khí xốp 12 - Đệm khí chân không (hình 1.4): Đệm khí chân không sử dụng cửa hút chân không tạo thành vùng chân không đệm áp suất vùng chân không nhỏ áp suất khí nên đệm chịu áp lực tác dụng khí Một cửa cung cấp áp đệm khí thông thường khác tạo vùng áp suất nâng đệm lên khỏi bề mặt dẫn Như đệm khí chân không giống đệm khí thông thường khác đặt tải trọng Hình1.4 : Đệm khí chân không - Đệm khí lót trục (hình 1.5): Để giảm ma sát cho trục quay người ta áp dụng kỹ thuật đệm khí Khí thổi vào đệm thiết kế phù hợp với cỡ trục tiêu chuẩn Khí phân phối quanh bề mặt đệm tạo khe hở khí đệm trục Hình 1.5: Đệm khí lót trục 13 1.2.2.3 Ứng dụng ™ Máy đo toạ độ: Hầu hết máy đo toạ độ (CMM) xây dựng với đệm khí Trên thực tế đệm khí lơ lửng màng điều áp khí tiếp xúc vật lý Do đo tượng dính trượt nên máy dịch chuyển xác, trình hiệu chỉnh dễ dàng (so với lăn) Hình 1.6: Ứng dụng đệm khí vào máy đo toạ độ ™ Máy đo độ tròn, độ trụ: Một vấn đề đặt đo độ tròn độ trụ hệ toạ độ cực tâm chi tiết bị lệch so với tâm ổ quay Theo lý thuyết, thuật toán tìm toạ độ tâm chi tiết lệch so với tâm quay, từ tính toán biến thiên bán kính từ tâm thực chi tiết tính sai lệch độ tròn, độ trụ Nhưng kết đo công bố với độ tin cậy thấp số liệu đo chứa lượng lệch tâm lớn nhiều lần so với sai lệch độ tròn Phép đo có độ tin cậy cao loại bỏ độ lệch tâm khỏi số đo Hơn nữa, việc dao động tâm quay bàn đo có ảnh hưởng trực tiếp lên số đo độ tròn Khe hở gây nên biến động tâm quay gây nên sai số với tỷ lệ 1:1 lên phép đo độ tròn Ma sát lớn làm cho dẫn động nặng, sinh lực tác dụng lên hướng kính, kích thích cho khe hở biến động 14 Cả hai nhược điểm giảm đến mức bé sử dụng đệm khí Hình1.7: Sơ đồ máy đo độ trụ (C2M2) Cơ cấu đệm khí trục y Bàn quay đệm khí Chi tiết Đầu đo Cơ cấu đệm lăn trục x Cơ cấu đệm khí trục z ™ Thiết bị (dụng cụ) kiểm tra: Rất nhiều máy kiểm tra bị ảnh hưởng ma sát đệm lăn Sự mài mòn đệm dẫn đến kết khác trình kiểm tra Do hầu hết máy kiểm tra xác sử dụng đệm khí để khử ma sát tiếp xúc khí, nâng cao độ xác thiết bị ™ Thiết bị tốc độ cao: Máy móc thiết kế ngày có yếu tố hoạt động theo chu kỳ khoảng tỷ vòng năm, với tốc độ dịch chuyển cao dẫn đến việc mài mòn cấu dịch chuyển lớn Giải pháp áp dụng thay đệm lăn đệm khí Ở đệm khí, tốc độ hay khoảng cách đệm chuyển động không ảnh hưởng tới mài mòn ™ Thiết bị đo độ thẳng (hình 1.8): Để thực phép đo độ thẳng nhanh dễ dàng với độ xác cao, hãng KUNZ phát triển phận trượt đo độ thẳng Một ý tưởng đặc biệt sản phẩm hãng sử dụng hệ thống đệm khí chân không Đệm khí hoạt động ổn định với khe hở khí không thay đổi cộng thêm vật liệu bề mặt dẫn tốt đá cứng hay ceramic giúp phép đo có độ xác cao 15 Hình 1.8: Thiết bị đo độ thẳng hãng KUNZ 1.2.3 Xe trượt Trong máy đo độ thẳng, xe trượt hạn chế bậc tự do, bậc tự chuyển động tịnh tiến theo phương dọc trục Ở sơ đồ hình 1.9 Xe trượt định vị mặt phẳng sống dẫn Xe trượt Sống dẫn Hình 1.9: Xe trượt lắp sống dẫn Những xe trượt kiểu có tiếp xúc khí bàn trượt, nhược điểm có khe hở ma sát lớn Khe hở gây nên biến động dịch chuyển, xoay xe trượt dẫn đến sai số máy Ma sát lớn làm cho dẫn động khó khăn, khe hở thay đổi nhiều Cả hai nhược điểm giảm đến mức thấp sử dụng đệm khí (Hình 1.10) 71 11 2 2 2 12 2 2 2 13 2 2 1,8 14 2 2 1,8 15 1 1 1,2 16 1 1 1,2 17 1 1 1 18 1 1 0,8 19 1 1 0,8 20 0 0 0,2 21 0 0 0,2 22 0 0 0 23 0 0 0 24 0 0 0 25 0 0 0 Từ bảng số liệu ta vẽ đường biên dạng thực phép đo kiểm tra theo phương ngang theo sơ đồ hình 3.23: Gía trị đo (Micromet) 2.5 1.5 0.5 0 10 15 20 25 30 -0.5 Vị trí đo 10 (mm) Lần đo Lần đo Lần đo Lần đo Lần đo Hình 3.32: Đồ thị biểu thị giá trị lần đo kiểm tra theo phương ngang theo sơ đồ hình 23 72 • Nhận xét: Từ hai đồ thị ta thấy: Qua lần đo thực nghiệm xây dựng cho ta đường thực nghiệm đường thực nghiệm có biên dạng tương đối giống giá trị lần đo tương đối ổn định nên ta kết luận máy làm việc ổn định • Xác định độ cong sống dẫn theo phương thẳng đứng: Từ bảng số liệu (Bảng 3.6 Bảng 3.7) sơ đồ đo hình 3.22, hình 3.23 công thức (3.1), (3.2) ta có bảng số liệu 3.8 Bảng 3.8: Số liệu xác định độ cong sống trượt chi tiết đo theo phương ngang Vị trí đo Giá trị trung bình sơ đồ đo (µm) b= ∆1 + ∆ 2 (µm) ∆ − ∆1 (µm) a= 10(mm) Sơ đồ 4.11( ∆1) Sơ đồ 4.12( ∆2) 0 0 -0,4 -0,4 0,4 -1 0,2 -0,6 1,2 -1 0,6 -0,4 1,6 -1 0,6 -0,4 1,6 -1,2 -0,2 2,2 -2,2 1,2 -1 3,4 -2,6 1,8 -0,8 4,4 -2,8 1,8 -1 4,6 10 -3,4 -1,4 5,4 11 -4,4 -2,4 6,4 12 -4,8 -2,8 6,8 13 -5,2 1,8 -3,4 14 -5,8 1,8 -3,4 7,6 15 -6,2 1,2 -5 7,4 73 16 -6,2 1,2 -5 7,4 17 -6,4 -5,4 7,4 18 -6,4 0,8 -5,6 7,2 19 -6,2 0,8 -5,4 20 -5,6 0,2 -5,4 5,8 21 -5,4 0,2 -5,2 5,6 22 -4,4 -4,4 4,4 23 -3,4 -3,4 3,4 24 -2 -2 25 -0,4 -0,4 0,4 Từ bảng số liệu ta có đồ thị thể độ cong sống trượt chi tiết Giá trị đo (Micromet) đo 10 -5 10 15 20 25 30 -10 Vị trí đo 10(m m ) Độ thẳng sống dẫn Độ thẳng chi tiết Hình 3.33: Đồ thị biểu thị độ thẳng sống trượt độ thẳng chi tiết theo phương ngang theo Nhận xét: - Từ đồ thị ta thấy độ thẳng dụng cụ đo chế tạo chuẩn chi tiết đo (thân thước thẳng) 5,6µm chi tiết 7,6µm - Dụng cụ đo lõm xuống chi tiết đo lồi lên 74 3.3.2 Thực nghiệm đo chi tiết thiết bị đo khác so sánh với kết đo dụng cụ tự chế tạo 3.3.2.1 Đo chi tiết dụng cụ đo - Điều kiện thực nghiệm: Dụng cụ: + Đồng hồ so hiển thị số Mitutoyo + Chi tiết đo (thân thước thẳng) + Đồ gá kẹp cố định chi tiết đo + Dụng cụ đo độ thẳng tự chế tạo + Máy nén khí Điều kiện đầu vào: sử dụng khí nén có p = 4bar - Mô tả thực nghiệm: Chi tiết gá lên đồ gá đo có đầu cố định, đầu điều chỉnh Sau đo dùng đồng hồ so- gắn xe trượt dụng cụ đo- để rà điều chỉnh cấu điều chỉnh cho giá trị đầu chi tiết đo (dung sai điều chỉnh 1-2µm) Tiến hành: Ta di chuyển xe trượt dọc theo sống trượt để đo lần điểm chi tiết đánh dấu ta có bảng số liệu ( Bảng 3.9): 75 - Mô hình thực nghiệm: Hình 3.34 Sơ đồ đo chi tiết dụng cụ đo - Kết đo kiểm nghiệm ( Bảng 3.9) Bảng 3.9: Số liệu đo chi tiết dụng cụ chế tạo Vị trí đo Lần đo (µm) Trung bình 0 0 0 4 3,8 10 9 9 14 13 13 13 13 13,2 18 17 17 17 17 17,2 20 19 18 19 18 18,8 21 20 19 21 19 19,8 21 20 19 20 20 20 21 20 19 20 20 20 76 10 22 21 19 21 21 21,8 11 25 23 22 22 22 22,8 12 25 24 23 24 24 24 13 25 24 23 24 24 24 14 21 20 19 20 20 20 15 17 16 15 16 16 16 16 14 13 11 13 13 12,8 17 10 10 10 9,6 18 7 7,6 19 5 5,2 20 3 3,2 21 2 1,6 22 -1 -2 -1 -0,6 3.3.2.2 Đo chi tiết trục máy đo tọa độ DEA Đức - Điều kiện thực nghiệm: Dụng cụ: + Đồng hồ so hiển thị số Mitutoyo + Chi tiết đo (thân thước thẳng) + Đồ gá kẹp cố định chi tiết đo + Máy đo tọa độ DEA Đức + Máy nén khí Điều kiện đầu vào: sử dụng khí nén có p = 4bar - Mô tả thực nghiệm: - Làm thực nghiệm giống đo dụng cụ đo Lúc đồng hồ so gá lên trục Z máy đo tọa độ DEA Đức Trục Z di chuyển dọc theo sống dẫn trục Y máy đo Tiến hành: Ta di chuyển xe trượt dọc theo sống trượt để đo lần điểm chi tiết đánh dấu ta có bảng số liệu ( Bảng 3.10) 77 - Mô hình thực nghiệm: Hình 3.35 Sơ đồ đo chi tiết máy đo tọa độ DEA Đức - Kết đo kiểm nghiệm ( Bảng 3.10) Bảng 3.10: Số liệu đo chi tiết máy đo tọa độ DEA Đức Vị trí đo Lần đo (µm) Trung bình 0 0 0 -1 -1 -1 -3 -2 -1,4 0 -2 4 3,2 78 5 5 5,2 6 6 6 6,2 5 6 5,8 5 10 5,8 11 11 8,6 12 12 11 15 12 13 12,6 13 12 13 17 14 14 14 14 11 10 14 11 11 11,4 15 12 9 9,6 16 6 11 7,2 17 3 4,4 18 2 2,8 19 1 2 20 1,2 21 -1 0 0,4 22 -1 -1 -1 0 Từ bảng số liệu 3.9 3.10 ta xây dựng đồ thi sau 79 30 Giá trị đo (Micromet) 25 20 15 10 0 10 15 20 25 -5 Vị trí đo (mm) Đo dụng cụ chế tạo Đo máy đo tọa độ DEA Hình 3.36 Đồ thị đo chi tiết dụng cụ chế tạo máy đo tọa độ DEA Đức Nhận xét: Từ đồ thị ta thấy kết đo thiết bị sai khác phạm vi 20µm Dạng đồ thị tương đối giống Phát vùng có sai số lớn cụ thể vùng từ 7mm đến 10mm 11 đến 16mm có sai số lớn vùng khác Kết luận chương 3: - Qua phần thực nghiệm đệm khí, sống trượt dụng cụ đo ta đánh giá độ xác chế tạo, lắp ráp hệ dẫn động - Đã biết mối quan hệ tải, áp suất khe hở đệm khí - Biết vùng có độ xác thấp từ tạo điều kiện cho việc sửa chữa nâng cao độ xác dụng cụ 80 81 82 83 84 85 ... độ xác dẫn trượt cao, nhiệm vụ luận văn tạo hệ dẫn động ứng dụng đệm khí 26 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO ĐỆM KHÍ VÀ SỐNG TRƯỢT 2.1 Chế tạo sống dẫn đệm khí mẫu Để nghiên cứu tính sống... phải nghiên cứu sản phẩm thực tế Cùng với kế thừa nghiên cứu có, phù hợp với thực tế em chế tạo sống dẫn đệm khí mẫu (bản vẽ kèm theo) Hình 2.1: Sống dẫn mẫu chế tạo Hình 2.1: Đệm khí mẫu chế tạo. .. định độ cứng đệm khí là: áp suất khe hở, chiều dày khe hở, diện tích bề mặt đệm 8 Trong ổ lăn, vùng tiếp xúc bé nên ứng suất cục cao, để tránh biến dạng phải chế tạo vật liệu cứng Trong đệm