3.2.1. Đối tƣợng nghiên cứu của thí nghiệm
Đối tượng nghiên cứu của máy thí nghiệm là VMĐB tiêu chuẩn, thường được sử dụng trong thiết kế, chế tạo máy CNC phục vụ gia công. Trong trường hợp nghiên cứu là VMĐB dùng trong máy CNC cỡ nhỏ, có mã hiệu ISO 3408-16x05x222-T7R4
3.2.2. Thiết kế máy thí nghiệm
Máy thí nghiệm được thiết kế dạng modul, bao gồm các phần: Bộ truyền VMĐB; Hệ thống tạo tải và dẫn động VMĐB; Hệ thống đo, phù hợp với thông số kỹ thuật của VMĐB được chọn làm đối tượng nghiên cứu.
63
Hình 3.1Sơ đồ nguyên lý cơ bản của máy thí nghiệm
3.2.2.1. Lựa chọn các thông số kỹ thuật của vít me – đai ốc bi
Bộ truyền VMĐB được chọn nghiên cứu có mã hiệu ISO 3408-16x05x222-T7R4. Mã hiệu trên theo quy định của ISO để xác định các thông số cơ bản của VMĐB: Đường kính danh nghĩa d1 = 16; Bước ren Ph = 5; Chiều dài đoạn có ren trên trục vít me L = 222; Loại VMĐB là T; Cấp chính xác VMĐB là 7; Ren phải; Số vòng bi trên trục vít me là 4.
Bộ tiêu chuẩn ISO 3408 không tiêu chuẩn hóa các kích thước lắp ghép và các kích thước hình học cụ thể của từng chi tiết. Ứng với một mã hiệu quy định như trên, tùy vào yêu cầu, khả năng công nghệ,... các hãng sản xuất các chủng loại VMĐB khác nhau với các kích thước hình học cụ thể của từng chi tiết khác nhau (bán kính cong của rãnh ren vít, đường kính tâm bi, số vòng ren đai ốc, ....). Do đó, các thông số kỹ thuật cần thiết khác được xác định theo bộ truyền được lựa chọn và tiêu chuẩn của ISO. Bảng 3.1 thể hiện các thông số kỹ thuật cơ bản của VMĐB dùng trong thực nghiệm.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi
STT Nội dung Giá trị Đơn vị Ghi chú
1 Đường kính trục vít me 16 mm d0
2 Bước vít me 5 mm Ph
3 Chiều dài đoạn ren 222 mm l1
4 Kiểu đai ốc (P hoặc T) T
5 Cấp chính xác 7 C7
6 Chiều ren R phải
7 Số vòng ren làm việc 4
8 Đường kính bi 3,175 mm DW
9 Đường kính lắp ghép đai ốc bi 28 mm D
10 Dung sai đường kính đai ốc bi g6 mm
11 Đường kính bích đai ốc 48 mm
12 Chiều dài đai ốc 42 mm
Đo vị trí đai ốc
Đo góc quay trục vít me
64
13 Chiều dày mặt bích đai ốc 10 mm
14 Đường kính tâm lỗ trên mặt bích 38 mm 15 Tải động dọc trục danh nghĩa Ca 765 kgf 16 Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa C0a 1240 kgf Hình 3.2 thể hiện một số kích thước cơ bản của bộ truyền VMĐB :
Hình 3.2 Một số kích thước cơ bản của bộ truyền vít me – đai ốc bi
3.2.2.2. Xác định các thông số kỹ thuật cơ bản của máy thí nghiệm
Xem phụ lục tính toán của luận án. Tải lớn nhất trong các thí nghiệm là 3500 N; khoảng tốc độ quay của trục vít me là 79100 (vg/ph); Công suất động cơ dẫn động trục vít me 1,0 (kW).
3.2.2.3. Thiết bị tạo môi trường
Thiết bị đảm nhận nhiệm vụ tạo môi trường thực nghiệm (tủ nhiệt ẩm) phải đảm bảo yêu cầu sau:
- Các cơ cấu chấp hành của tủ nhiệt ẩm được điều khiển có phản hồi. Thời gian lấy tín hiệu phản hồi phải được chọn hợp lý theo yêu cầu và công suất làm việc của các cơ cấu chấp hành.
- Giá trị sai số của cảm biến nhiệt độ, độ ẩm phải được chọn hợp lý theo yêu cầu làm việc và công suất các cơ cấu chấp hành, nhưng không được lớn hơn (hoặc bằng) dung sai nhỏ nhất cho phép của nhiệt độ, độ ẩm môi trường theo TCVN 7699-2-30.
- Không khí trong tủ phải được lưu thông
- Tránh không để nước tụ trên bề mặt vật liệu rơi trực tiếp vào cảm biến nhiệt ẩm
Sơ đồ khối điều khiển nhiệt độ và độ ẩm tương đối của môi trường trong tủ nhiệt ẩm BKM-NA2 theo môi trường tiêu chuẩn TCVN 7699-2-30 được biểu diễn ở hình 3.3.
65
66 Trong đó:
T: Thời gian trong chu trình 24h
t: Nhiệt độ thực trong tủ (do cảm biến phản hồi về) t0: Nhiệt độ đích
tmax, tmin: Nhiệt độ max và min cho phép của mức danh nghĩa t0 RH: Độ ẩm tương đối trong tủ (do cảm biến phản hồi về) RH0: Độ ẩm tương đối đích
RHmax, RHmin: Độ ẩm tương đối max và min cho phép của mức danh nghĩa RH0
3.2.2.4. Hệ thống tạo tải dọc trục lên bộ truyền vít me – đai ốc bi [13, 14, 16]
Hệ thống tạo tải phải tạo tải có đặc điểm như khi VMĐB làm việc và khi đo mòn trong điều kiện có tác dụng của tải dọc trục, nên hệ thống tạo tải phải đảm bảo tạo được hai trạng thái:
Trạng thái khi làm việc:
- Tải tác dụng lên đai ốc của VMĐB là tải dọc trục
- Tải tác dụng lên đai ốc luôn được duy trì ổn định khi đai ốc dịch chuyển ở các vị trí khác nhau trên hành trình và có giá trị bằng không “0” khi đai ốc ngừng dịch chuyển. - Tải tác dụng lên đai ốc theo cả hai chiều và có hướng phụ thuộc vào chiều chuyển động của đai ốc.
Trạng thái khi đo:
Trục vít me cần được cố định tại các điểm định trước (theo vị trí góc quay của trục vít me). Tải phải được duy trì ổn định trong quá trình đo.
Hình 3.4 mô tả sơ đồ đặt tải lên vít me – đai ốc bi
67
Để tạo được tải theo yêu cầu. Có một số phương án cho hệ thống tạo tải lên VMĐB:
Phƣơng án I:Tạo tải nhờ tải trọng
Hình 3.5Phương án I – Tạo tải nhờ tải trọng
Đặc điểm của phương án I là tải đặt lên đai ốc rất ổn định – rất thuận lợi cho quá trình đo đạc. Đồng thời, kết cấu hệ thống tạo lực đơn giản, dễ chế tạo, ít tốn kém. Tuy nhiên nhược điểm của phương án này là rất khó khi thay đổi chiều tác dụng của tải trong một chu trình chuyển động (nếu điều chỉnh đổi chiều tải bằng tay thì phải dừng máy nên rất tốn thời gian, nếu dùng hệ thống tự động thì khá phức tạp, tốn kém). Đồng thời, để tải tác động lên đai ốc là dọc trục thì việc gá lắp, điều chỉnh là khá khó khăn.
Phƣơng án II: Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tách rời sống trượt
Hình 3.6Phương án II – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tách rời sống trượt
Đặc điểm của phương án II là dễ dàng điều khiển đổi chiều tác dụng của tải, tải khá ổn định. Kết cấu hệ thống thủy lực chủ yếu bao gồm các cụm chi tiết tiêu chuẩn nên thuận tiện cho việc thiết kế chi tiết. Tuy nhiên, nhược điểm của phương án này là khó gá lắp, điều chỉnh cho tải tác động từ pittong lên đai ốc có phương dọc trục. Đồng thời, do có kết cấu
68
phức tạp, cồng kềnh nên cũng không thuận lợi cho việc gá lắp máy trong tủ môi trường – nhất là khi tủ môi trường có kích thước hạn chế.
Phƣơng án III: Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong - xilanh tích hợp với sống trượt
Hình 3.7Phương án III – Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tích hợp với sống trượt
Đặc điểm của phương án III là dễ dàng điều khiển đổi chiều tác dụng của tải; Tải ổn định; Dễ dàng điều chỉnh để tải tác dụng lên đai ốc là dọc trục; Kết cấu máy nhỏ, gọn, dễ tháo lắp – thuận tiện cho việc gá lắp máy thí nghiệm vào trong tủ môi trường.
Do đáp ứng tốt các yêu cầu khi làm việc của tải; dễ dàng chế tạo, gá lắp, căn chỉnh mà phương án III được lựa chọn để thiết kế, chế tạo hệ thống tạo tải của máy thí nghiệm. Hình 3.8 là hình ảnh hệ thống tạo tải dọc truc tác dụng lên VMĐB của thiết bị thí nghiệm.
69
3.2.2.5. Hệ thống đo lường
Hệ thống đo lường phải đảm bảo đo được các dịch chuyển dọc trục của VMĐB (tịnh tiến của đai ốc và quay của trục vít me), đồng thời phải có độ phân giải nhỏ hơn lượng mòn dọc trục dự tính của VMĐB sau thời gian thí nghiệm ở điều kiện tiêu chuẩn. Độ phân giải của thiết bị đo càng nhỏ, độ chính xác của thiết bị đo càng cao thì độ tin cậy số liệu đo càng lớn, tuy nhiên giá thành lại rất cao. Do đó, có thể đảm bảo chất lượng phép đo bằng cách sử dụng thiết bị đo có độ phân giải hợp lý và thực hiện nhiều lần một phép đo kích thước.
Với độ phân giải hệ thống đo là 1m, có thể đo và nhận biết sai lệch vị trí của VMĐB có cấp chính xác cao nhất C0 khi làm việc
Nếu chọn thiết bị đo có độ chính xác cao nhưng phương pháp gá đặt không đúng thì kết quả đo sẽ rất thiếu chính xác. Do đó, việc chọn và lên phương án gá lắp thiết bị đo cũng rất quan trọng.
Phương pháp đo quay phổ biến và phù hợp, cho độ chính xác cao hiện nay là đo bằng thước quang đo quay – Rotary Encoder (RE). Với bước vít me 5mm, để có độ phân giải 1m, chọn RE có ký hiệu S48-8-5000VL của hãng LS’ để đo quay cho trục vít me trong các thí nghiệm của luận án. Dưới đây là các phương án đo dịch chuyển tịnh tiến của đai ốc.
Phƣơng án I:Đo dịch chuyển đai ốc nhờ đồng hồ so.
Hình 3.9Phương án I – Đo dịch chuyển của đai ốc nhờ đồng hồ so
Đặc điểm của phương án I là sử dụng các thiết bị đo đơn giản, giá thành thấp. Tuy nhiên, việc gá lắp đồng hồ so để đo được đúng điểm cần đo và phương dịch chuyển là rất khó khăn. Đồng thời, đồng hồ so phải được tháo, lắp mỗi điểm đo và mỗi lần đo. Do đó, phương án này không khả thi.
70
Phƣơng án II: Đo vị trí đai ốc nhờ thước quang đo thẳng – Liner Scale (LS)
Theo phương án này, sử dụng thước quang đo thẳng (LS) – có hai phần chính là thân thước và đầu đọc – một phần ghép nối cố định với đai ốc, một phần ghép nối cố định với thân máy. Chuyển động tương đối của đai ốc so với thân máy cũng sẽ là chuyển động tương đối của đầu đọc và thân thước. Lượng dịch chuyển được số hóa, hiển thị trên màn hình của thiết bị hiển thị (Readout) và kết nối với máy tính điện tử. Ưu điểm chính của phương án này là thiết bị đo quang học có độ chính xác rất cao, có thể kết nối và lưu trữ dữ liệu trên máy tính điện tử rất dễ dàng. Chọn LS của hãng “SINPO”, mã hiệu “JOXE-O”, độ chính xác 0,001mm để đo chuyển động tịnh tiến của đai ốc.
Trong phương án II, có 2 phương án gá lắp LS với đai ốc bi và thân máy: Một là ghép nối cố định thân thước với đai ốc bi, đầu đọc ghép nối cố định với thân máy; Hai là ghép nối cố định thân thước với thân máy, đầu đọc ghép nối cố định với đai ốc bi. Các hình dưới đây thể hiện hai phương án 1 và 2 của phương án II. Trong đó, hình 3.10 thể hiện phương án II.1 ghép nối thân thước với đai ốc bi di chuyển, đầu đọc với thân máy; hình 3.11 thể hiện phương án II.2 ghép nối đầu đọc với đai ốc bi di chuyển, thân thước với thân máy.
Hình 3.10Phương án II.1 – Thân thước ghép nối với đai ốc bi di chuyển
Hình 3.11Phương án II.2 – Đầu đọc ghép nối với đai ốc bi di chuyển.
Đầu đọc cố định Thân thước chuyển động
Đầu đọc chuyển động Thân thước cố định
71
Thực tế khi lắp đặt theo phương án II.1 cho thấy phương án này có nhược điểm đặc biệt là gá lắp, điều chỉnh LS gặp rất nhiều khó khăn, đồng thời thân thước có kích thước lớn nên có ít hơn các phương án gá lắp LS.
Phương án II.2 cho thấy rất thuận lợi cho việc tháo lắp, căn chỉnh LS nên cho kết quả đo chính xác hơn. Chọn phương án II.2 làm phương án bố trí, gá lắp thiết bị đo. Đây là phương án được nhiều nhà khoa học trên thế giới sử dụng cho các nghiên cứu của mình [19, 28, 46, 78]. Đồng thời, cũng là phương án gá đặt thiết bị đo thường thấy trong các máy công cụ CNC có độ chính xác gia công cao.
Để loại bỏ ảnh hưởng của môi trường thực nghiệm đến hệ thống đo, đặt hệ thống đo (LS và RE) ở bên ngoài tủ nhiệt ẩm.
Hình 3.12 là hình ảnh hệ thống đo được lắp với máy thí nghiệm để chạy thử, trước khi gá lắp toàn bộ hệ thống vào trong tủ nhiệt ẩm.
Hình 3.12Hình ảnh hệ thống đo ghá lắp với máy thí nghiệm, đặt bên ngoài tủ nhiệt ẩm
3.2.2.6. Phương pháp đo
Để xác định lượng mòn tại một điểm (theo góc quay trên trục vít me), phải xác định được chính xác vị trí điểm đó khi đo. Trong hệ thống đo này, vị trí mọi điểm đo được xác định theo góc quay so với một điểm chuẩn đặt trước. Vị trí điểm này được xác định cho mỗi thí nghiệm.
Như phân tích ở 2.2.2. Lượng mòn dọc trục chính là lượng tăng lên của sai lệch dọc trục. VMĐB làm việc hai chiều, do vậy lượng mòn tại mỗi điểm đo sau một khoảng thời gian là tổng của lượng mòn hai phía của một điểm. Trong đó, lượng mòn mỗi phía được xác định là hiệu của hai giá trị vị trí cùng phía của đai ốc sau hai lần đo, ứng với lúc bắt
72
đầu và kết thúc của khoảng thời gian đó. Sơ đồ đo mòn của VMĐB được thể hiện ở các hình 3.13 và hình 3.14.
Hình 3.13Sơ đồ đo mòn tại B – mòn má trái ren
73 Trên hình:
A: Điểm gốc 0 với cả LS và RE
B: Vị trí đai ốc danh nghĩa khi bắt đầu từ A, quay vít me n vòng.
B1T: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 1, đặt tải tác dụng hướng từ phải qua trái
B2T: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 2 (sau khoảng thời gian 1 chu kỳ), tải tác dụng theo hướng từ phải qua trái.
B1P: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 1, đặt tải tác dụng hướng từ trái qua phải
B2P: Vị trí thực của điểm B khi đo lần 2 (sau khoảng thời gian 1 chu kỳ), tải tác dụng theo hướng từ trái qua phải.
1T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 1, chiều của tải hướng từ phải qua trái 2T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 2, chiều của tải hướng từ phải qua trái 1T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 1, chiều của tải hướng từ trái qua phải 2T: Sai lệch vị trí đai ốc tại thời điểm đo lần 2, chiều của tải hướng từ trái qua phải
T: Sai lệch vị trí đai ốc giữa thời điểm đo lần 1 và đo lần 2, khi chiều của tải hướng từ phải qua trái.
P: Sai lệch vị trí đai ốc giữa thời điểm đo lần 1 và đo lần 2, khi chiều của tải hướng từ trái qua phải.
Theo hình 3.13, lượng mòn phía trái của điểm B sau thời gian làm việc “t” là hiệu của sai lệch trước làm việc và sau thời gian “t”: T =(AB2T –AB) –(AB1T –AB) =AB2T - AB1T; Tương ứng, lượng mòn phía phải của điểm B: P = AB2P – AB1P (hình 3.14). Lượng mòn tại B sau thời gian làm việc “t”:
= T + P (3.1)
Thực hiện đo mòn tại các điểm cách đều nhau có tải và tốc độ ổn định (theo số vòng quay của trục vít me), loại bỏ những điểm quá độ (những điểm thuộc khoảng đầu và cuối của hành trình đai ốc).
Các bƣớc thực hiện quá trình đo:
Bước 1: Chuẩn máy đo (chỉnh thông số tải và vận tốc về đúng thông số đầu vào thí