b. Ưu nhược điểm của thay dao tự động so với thao tác bằng tay
4.2.2. Tính toán động học cho đài dao
a. Động học dẫn động quay đài dao [3]
1)
Hình 4-15. Sơ đồ dẫn động quay đài
dao
1: động cơ điện AC 3 : Cơ cấu Maltese
2: Nối trục
Tính toán động học quay đài dao
Phương trình xích động : nđc .iman = nđd nđc : Tốc độ quay của động cơ (vòng/phút). nđd : Tốc độ quay của đài dao (vòng/phút). iman: tỉ số truyền của cơ cấu Maltese iMaltese Z1 241
Để chọn động cơ dẫn động cho đài dao cần xác định momen yêu cầu để dẫn động đài dao
Mđcmax:
Mđcmax Mc
Mđc: Momen của dộng cơ (thời gian thực).
Mc: Momen cản (phản lực) của đài dao lên trục động cơ. pđcmax pc
pđcmax: công suất cực đại của động cơ
pc: công suất cản trên trục động cơ (do đĩa Maltese gây ra).
Tính toán lực quán tính tại vị trí đĩa Maltese có gia tốc lớn nhất: 1 =62
F r F 2 O2 Hình 4-16. Sơ đồ tính toán các lực Phương trình cân bằng mô men của đài dao tại O2 khi 1 = 62o.
M I2
Ft R 3 Mms Idd 2
Trong đó:
- Ft là phản lực của chốt A lên đĩa Maltese.
- Mms là mô men do lực ma sát trên ổ bi của đài dao gây ra. Mms = Fmsrtb
- Fms là lực ma sát tại ổ đũa côn do trọng lượng Tang tạo ra. Fms = m.f = 352*10*0,01 = 39,8 N
f = 0.01 là hệ số ma sát của ổ đũa côn đỡ chặn.
rtb – bán kính trung bình của ổ đũa côn: rtb = (125 +70)/2 = 97,5 mm Mms = 39,8.0,0975 = 3.9 (Nm)
- Idd là mô men quán tính khối của toàn bộ đài dao (bao gồm cả 24 dao).
Idd = Idd0 + Id (4-1) (4-2) (4-3) (4-4) Trong đó:
o Idd0 là mô men quán tính khối của bản thân đài dao (không bao gồm các dao). Có thể tính theo 2 cách.
Cách 1: Sử dụng phần mềm CAD (Solidworks, Catia, …) để tính.
Cách 2: Chia đài dao thành cách khối dạng đĩa, tính mô men quán tính khối cho từng
phần rồi cộng tại. Có thể tính sơ bộ Idd0 = mt+tkR32/2 = 184*0,252/2 = 11,5 (kgm2)
o Id là mô men quán tính khối của 24 dao. Coi mỗi dao là một chất điểm cách đường tâm đài dao một khoảng R thì Id = NMdR2. = 24*7*0.462 = 35,5 (kgm2)
Từ phương trình Idd = Idd0 + Id (kgm2) Từ phương trình Ft R 3 M ms I dd 2 F I dd 2 M ms t R3
Phương trình cân bằng mô men của chốt quay tại O1 (với giả thiết chốt quay với tốc độ không đổi và hệ số ma sát trên trục bằng không):
Trong đó:
- Mđc là mô men trên trục động cơ.
- Fr là phản lực của đĩa Maltese lên chốt (chính là lực ma sát trượt giữa chốt và rãnh). Fr = Ft.f2 F2 là hệ số ma sát trượt (f2 =0,1).
Từ phương trình
= 4500*0,1*0,035=15,8 (Nm) Công
suất động cơ cần thiết: pđc = Mđc 1
Trong đó: 1 là tốc độ góc của chốt quay (đã tính ở trên). pđc = 15,8*14,6 = 230 (W)
2) Lựa chọn động cơ dẫn động quay đài dao
Với yêu cầu Pđc ≥ 0,356 Kw ta chọn động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ 4A112MA8Y3 với các thông số sau.
Kiểu động cơ
4A90LB8Y3
Hình 4-17. Kích thước động cơ điện 4A 3) Chọn hộp giảm tốc
Hộp giảm tốc là gì?
Khi nguồn động lực là động cơ điện, tốc độ của trục động cơ thường lớn và mô men xoắn nhỏ, không đảm bảo điều kiện làm việc của máy ở tốc độ thấp và mô men xoắn lớn. Như vậy cần một thiết bị có thể giảm tốc độ của động cơ, đồng thời tăng mô men xoắn đề phù hợp chế độ làm việc của máy. Thiết bị như vậy được gọi là hộp giảm tốc (reduction gear box).
Hộp giảm tốc khác gì hộp số (gear/transmission box)?
Một số máy cần sự thay đổi tải (mô men xoắn) trong một số điều kiện khác nhau. Chẳng hạn như xe ô tô cần mô men xoắn lớn khi leo dốc hoặc khi khởi động, mặc dù xe di chuyển ở vận độ thấp. Mặt khác, khi di chuyển ở vận tốc cao trên đường bằng thì mô men xoắn không cần cao do quán tính lớn của ô tô. Như thế cần một thiết bị để thay đổi mô men xoắn và tốc độ trong các điều kiện làm việc khác nhau. Thiết bị như thế được gọi là hộp số. Như vậy, hộp giảm tốc có tác dụng giảm tốc độ, tăng mô men xoắn còn hộp số có tác dụng thay đổi tốc độ và mô men xoắn. Sinh viên cần chú ý sử dụng chính xác hai thuật ngữ này.
Có cần hộp giảm tốc cho động cơ dẫn động đài dao không?
Đài dao thường có khối lượng lớn (khoảng vài trăm kg) nên có mô men quán tính lớn khi quay, tốc độ quay lại nhỏ nên việc sử dụng hộp giảm tốc để giảm tốc độ và tăng mô men xoắn trên trục đầu ra của hộp giảm tốc là cần thiết.
Trình tự tính toán:
Tính Momen xoắn đầu vào Mv dựa trên công suất và tốc độ quay của động cơ Tìm tỉ số truyền và Momen đầu ra của hộp số.
Tính toán các bánh răng của hộ Mc = 94179,5(Nmm)
Chọn bánh răng : Z1=19 mà lại có tỷ số truyền là 6,25 nên Z2=19.6,25=118,75. Chọn Z2=119
4) Tính toán ly hợp ma sát
Ly hợp có tác dụng truyền động momen giữa 2 trục và ngắt truyền động nhanh, dứt khoát trong những trường hợp cần thiết
Ưu điểm của ly hợp matsat là truyền động êm, tự động ngắt truyền động khi hệ thống quá tải nên ta lựa chọn lắp ly hợp Masat cho hệ thống dẫn động quay đài dao.
Tính toán ly hợp nhiều đĩa : Cơ sở để tính ly hợp masat nhiều đĩa là hệ số masat của vật liệu làm đĩa masat, đồng thời yêu cầu ly hợp phải có kết cấu phù hợp.
Ta có công thức tính đường kính trung bình của đĩa Masat : Dtb = (2,5÷ 4).d = (2,5 ÷ 4).24 = 60÷ 96 mm
Chọn Dtb = 80 mm
Trong đó d = 24 mm – đường kính trục động cơ hay đường kính lắp Ly hợp Đường kính ngoài của đĩa Masat:
D = 1,25.Dtb = 1,25.80 = 100 mm Đường kính trong của đĩa Masat:
d = 0,75.Dtb= 0,75.80 = 60 mm
Chọn cặp ly hợp masat là Thép tôi – Thép tôi
Bôi trơn bằng nhỏ dầu, có hệ số masat f = 0,1, hệ số masat áp lực riêng cho phép là p = 4 kG/cm2.
5) Mối ghép then trên trục nối động cơ với đĩa O1 của cơ cấu Maltese
Ta chọn sơ bộ mối ghép then bằng cho kết cấu với kích thước chọn theo đường kính trục động cơ d = 24 mm
Tra bảng 9.1a – Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí ta có kích thước của then : b= 8mm, h = 7mm, t1= 4mm, t2 = 2,8mm
bán kính góc lượn : r = (0,25 – 0,4)
Hình 4-18. Kích thước hình học của then Ta kiểm nghệm then theo điều kiện bền dập và điều kiện bền cắt
d = 2T/[d.lt(h – t1) ≤ [ d] c = 2T/(d.lt.b) ≤ [ c] [ d] = 150 Mpa [ c] = 80 Mpa Momen tác dụng trên trục : T = 17,94 Nm = 17940 Nmm Từ (1) => lt≥ mm Từ (2) => lt≥ mm
Vậy ta chọn chiều dài của then lt = 20 mm là đủ điều kiện làm việc. b. Động học dẫn động di chuyển đài dao
1) Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao [8]
Trong quá trình thay dao tự động ta cần thực hiện chuyển động tịnh tiến ra vào của Tang so với trục trính để thực hiện quá trình thay dao. Với tải trọng của đài dao không quá lớn, chuyển động là chuyển động thẳng ra vào nên ta chọn hệ thống xylanh khí nén cho hệ thống.
Ta xây đựng hệ thống dẫn động khí nén với các phần tử của hệ thống thủy-khí được nối ghép theo sơ đồ sau :
Hình 4-19. Sơ đồ hệ thống khí nén dẫn động đài dao
1. Piston 2. Xy lanh khí nén 3. Đài dao 4. Van tiết lưu
5. Van đảo chiều 9. Đồng hồ đo Áp 2) Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khí nén được hút từ bình chứa khí qua van lọc thô vào máy nén khí 10 tạo ra dòng khí có áp suất P, và tiếp tục qua van lọc tinh 11.
Van an toàn 13 bảo vệ máy nén khi khi quá tải hoặc van lọc 11 bị tắc, khí sẽ được xả ngược về bình chứa khí
Đồng hồ đo áp 9 – kiểm tra áp suất dòng khí.
Van giảm áp 8 – điều chỉnh áp suất cần thiết cho hệ thống.
Rơle áp suát 7 – ngắt nguồn điện cung cấp cho hệ thống khi quá tải. Van đảo chiều 5 – đảo chiều xylanh : điều khiển bằng điện từ.
Van tiết lưu 4 kết hợp với van 1 chiều 6 có tác dụng tiết lưu theo 1 chiều
Khí có áp suất làm việc sẽ đi vào Xylanh 2, dưới áp suất làm việc sẽ đẩy Piston 1 gắn với đài dao cùng di chuyển.
3) Tính toán hệ dẫn động khí nén Z D/2 Cụm trục Z D/2 f Z 2r Lmin 2r Lmax
Vị trí đài dao gần tâm cụm trục Z nhất Vị trí đài dao xa tâm cụm trục Z nhất
Hình 4-20. Các vị trí của đài dao so với trục chính Khoảng cách giới hạn giữa trục đài dao và trục chính là:
Lmin = D/2 = 460 (mm)
Lmax = (D/2) + k = 460 +250 = 710 (mm) với k ≥ Z/2 + r + f
trong đó:
Z: chiều rộng bàn Z của máy, Z = 340 mm r:
bán kính cổ chuôi dao BT40, r = 31,5 mm
f: khoảng an toàn, chọn f = 20 mm (để khi đài dao ra vào không xảy ra va chạm với trục chính thì f > 0)
k ≥ 221,5 mm. Chọn k = 250 (mm)
Hành trình của piston là: H = Lmax – Lmin = 710 – 460 = 250 (mm) Khối lượng của cả đài dao và các chi tiết lắp ghép khác: Q (kg)
Trọng lượng của tang và dụng cụ: Q0 = 398 kg
Trọng lượng của động cơ quay đài dao: Q1 = 28,7 kg Trọng lượng của trục đỡ tang: Q2 = 12 kg
Trọng lượng của giá treo đài dao: Q3 = 24 kg Các thành phần lắp ghép khác chọn = 10 kg
Q = 472,7 kg
Thông số đầu vào:
Khối lượng của đài dao: Q = 472,7 kg
Chọn hệ số ma sát giữa đài dao và trục dẫn hướng: fms = 0.1 Hành trình của piston đã tính được: H = 250 mm
Ta tính áp lực do cần piston tạo ra theo công thức : Fpiston = .. p.
trong đó:
D – đường kính của xylanh
p – áp suất làm việc của xylanh (áp suất khoang làm việc 6-8 bar, áp suất khoang thoát khí tối thiểu là 1,4 bar)
– Hệ số hiệu dụng của xylanh
Đa số các xylanh khí nén làm việc chịu tải trọng động. Khi đó do tổn hao về ma sát, do có tính đàn hồi của khí nén khi chịu tải thay đổi, do sức ỳ của Piston trước khi dịch chuyển, vì vậy hệ số hiệu dụng giảm thường chọn bằng 0,5.
Chọn sơ bộ áp suất làm việc của hệ thống là: p = 8 bar = 8 Kg/cm2 Để piston di chuyển được thì:
F = . . p. ≥ Fms
Fms: lực masat giữa đài dao và thanh dẫn hướng Ta có:
Fms = Q.f = 472,7 0,1 = 47,27 kg
D ≥ . . = 3,88 cm
Chọn theo tiêu chuẩn (trong giới hạn đồ án này sinh viên chỉ cần chọn kích thước đường kính xylanh và piston đến số lẻ là 5, vd: 15, 20, 25, …):
Đường kính trong của xylanh là: D = 50 mm Đường kính cần piston là: d = 20 mm
Vậy áp suất thực tế cần là: F = . . p. ≥Fms + .( ). pa.
Với pa : áp suất buồng thoát khí – chọn pa = 1,5 bar = 1,5 kg/cm2 Thay số ta được P ≥ 6,075 kg/cm2 = 6,075 bar.
Chọn P = 7 kg/cm2 = 7 bar
Chọn được kết cấu của xylanh – piston khí nén theo catalog của nhà sản xuất.
Ở đây ta lựa chọn xylanh có kết cấu giảm chấn khí nén ở cả 2 đầu với các thông số hình học như sau :
Hình 4-21. Kích thước của Xilanh-Piston khí nén
Tính toán lưu lượng qua van tiết lưu : Hành trình của Xylanh là :
H = 250 mm
Thời gian di chuyển của đài dao: T = 2 s
Giả sử đài thay dao di chuyển thẳng đều với tốc độ là: V = H/T = 125 mm/s
Lưu lượng qua van tiết lưu chiều đi là: Q1= . . V = . , .1,25.60 = 14,73 ( l/ph)
Lưu lượng qua van tiết lưu chiều về là:
Từ Q1, Q2 ta lựa chọn được van tiết lưu phù hợp cho hệ thống
Bảng 4-3 Thông số của hệ thống khí nén
Tên kích thước Kích thước
Đường kính trong của Xylanh D = 50(mm)
Đường kính cần piston d = 20(mm)
Hành trình của Xylanh – Piston H = 250 (mm)
Thời gian đi hết hành trình của Xylanh – Piston T = 2(s)
Áp suất khoang làm việc P = 7 bar
Áp suất khoang thoát khí pa = 1,5bar
Lưu lượng qua van tiết lưu chiều đi Q1 = 14,73 l/ph
Lưu lượng qua van tiết lưu chiều về Q2 = 12,37 l/ph
4) Tính toán trục dẫn hướng đài dao
Để dẫn hướng cho Tang chứa dụng cụ, ta dùng 2 trục lắp trên thân đỡ để dẫn hướng:
Hình 4-22. Sơ đồ bố trí trục dẫn hướng trên hệ thống thay dao
Với hệ thống thay dao đòi hỏi độ chính xác cao, trục dùng để dẫn hướng Tang chứa dao tiến vào trục chính của máy để thay dao thông qua các bạc. Vậy ta có thể coi trục chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của Tang chứa dụng cụ, động cơ để truyền động quay phân độ Tang và than đỡ Tang. Ta chọn vật liệu làm trục
Đường kính trục dẫn hướng được tính theo hai chỉ tiêu là độ bền uốn và độ võng lớn nhất cho phép. Đầu vào là khối lượng của hệ thống Tang chứa dụng cụ, và khoảng cách giữa 2 gối ổ cố định được lấy gần bằng hành trình dịch chuyển của tang.
Đầu vào:
-Trọng lượng của Tang và dụng cụ : G0 = 398.10 = 3980N
- Trọng lượng của động cơ quay đài dao : G1 = 28,7.10 = 287 N
- Trọng lượng của trục đỡ tang : G2 = 12.10 = 120 N
- Trọng lượng của giá treo đài dao : G3 = 24.10 = 240 N -Vật liệu thépC45: σb=600(MPa),=12 20(MPa)
-Chiều dài trượt : Ltd= 130 mm
Tính đường kính trục dựa trên độ bền uốn. Kết quả tính toán trong trường hợp Tang và dụng cụ nằm tại vị trí giữa của trục dẫn hướng.Như vậy Momen lớn nhất tại vị trí giữa của trục có độ lớn Mtd = G/2.Ltd.
Với G là tổng trọng lực tác dụng lên 2 trục dẫn hướng chủ yếu bao gồm trọng lượng của tang và dụng trên tang, trọng lượng của trục đỡ tang, trọng lượng của Động cơ, trọng lượng của giá treo đài dao và các thành phần phụ khác ta chọn tổng khối lượng là 10.10 = 100 N
G= G0 +G1 +G2 +G3 + 100
= 3980 + 287 +120 +240 + 100 = 4727 N Đường kính trục phải thỏa mãn điều kiện : d 3
Với Mtd = 4727.130/2= 307255 (N.mm) Thay số ta có : d ≥ 17,2 mm
Chọn đường kính trục nhỏ nhất dmin = 25mm
Kiểm tra độ võng lớn nhất của trục bằng phương pháp nhân biểu đồ Veresaghin. Xây dựng các biểu đồ Momen Mpvà Mk.
Trong đó Mk là momen đơn vị với giá trị lực đơn vị tương ứng 1N
Hình 4-23. Biểu đồ momen Độ võng lớn nhất của trục đượ tính theo công thức
f = . =.Ẹ=
Điều kiện trục làm việc được : f≤ [f]
[f] : Độ võng cho phép của hệ thống
[f] = h
Với h : khe hở cho phép làm việc của kết cấu Xylanh – Piston.
CHƯƠNG 5. TRÌNH TỰ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN