- Áp suất phân bố trên bề mặt đủ lớn để tạo lực nâng. Không có tiếp xúc cơ khí giữa sống dẫn và bề mặt đệm khí - khi đó hệ số ma sát gần bằng 0.
- Độ cứng vững cao để khi có sự thay đổi lớn của tải trọng thì khe hở
sống dẫn biến thiên ít làm cho sai số chuyển vị của hệđo nhỏ.
- Có độ cân bằng và ổn định cao, làm việc êm không rung động, kết cấu của đệm khí hợp lý để cục bộ hóa áp suất phân bố dưới bề mặt đệm - để khi có một tác động làm đệm khí mất cân bằng thì chênh áp cục bộ sẽ tạo ra mômen quay đẩy đệm khí về vị trí cân bằng.
Kết luận chương 1:
- Đệm khí được sử dụng hữu hiệu trong các dẫn trượt của thiết bị đo lường do khả năng không tiếp xúc cơ khí, hệ số ma sát gần như bằng không, trung bình hóa toàn bộ nhấp nhô tế vi dưới bề mặt và chuyển động với sự biến thiên khe hở khớp động bằng không.
- Sống trượt đệm khí có thểđảm bảo độ chính xác dẫn trượt rất cao, nhiệm vụ của luận văn là tạo ra một hệ dẫn động ứng dụng đệm khí.
CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
ĐỆM KHÍ VÀ SỐNG TRƯỢT
2.1. Chế tạo sống dẫn và đệm khí mẫu.
Để nghiên cứu các tính năng của sống dẫn và đệm khí cũng như ảnh hưởng của các yếu tố khi làm việc, yêu cầu đặt ra là phải nghiên cứu trên sản phẩm thực tế. Cùng với những kế thừa các nghiên cứu đã có, phù hợp với thực tế em đã chế tạo sống dẫn và đệm khí mẫu (bản vẽ kèm theo) . Hình 2.1: Sống dẫn mẫu chế tạo Hình 2.1: Đệm khí mẫu chế tạo 1: Lỗ bi; 2: Lỗ dẫn khí; 3: Rãnh khí; 4: Lỗ tiết lưu; 5: Bề mặt đệm khí 1 4 3 2 5
Yêu cầu :
¾ Xây dựng biểu đồ phân bố áp suất lên bề mặt dẫn dưới đệm khí.
¾ Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thước phần tử lưới và kết quả lực nâng tính toán.
¾ Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa khe hở z và lực nâng đệm khí. ¾ So sánh lực nâng đệm khí khi kích thước s,r thay đổi.
2.2.2. Quy trình tính toán.
Thiết lập mô hình tính toán
Chia lưới
Nhập dữ liệu, điều kiện biên
Tính toán
2.2.3. Thiết lập mô hình tính toán (hình 2.5).
¾ Để xây dựng mô hình tính toán, chúng ta phải căn cứ vào những yếu tố:
• Sử dụng phần mềm nào để tính toán.
• Bài toán cần tính toán thuộc dạng nào, phân tích dòng chảy hay trường
ứng suất, biến dạng …
• Kết cấu của chi tiết cần tính toán, các điều kiện biên của nó.
• Mục đích của việc tính toán.
¾ Dựa vào những yếu tố trên, ta có thể xây dựng được mô hình tính toán như sau:
• Bài toán của chúng ta là bài toán phân tích dòng chảy chất khí sử dụng phần mềm Ansys CFX, vì vậy chúng ta cần dựng một mô hình tương ứng với phần chất khí sẽ chiếm chỗ trong đệm khí.
• Mục đích của bài toán là xác định lực nâng của đệm khí và phân bố áp lực trên bề mặt dẫn ở khu vực bên dưới đệm khí. Vì vậy mô hình tính toán sẽ phải có thêm phần khe hở z giữa bề mặt đệm khí và bề mặt dẫn.
• Dòng khí sẽ vào từ mặt A(inlet) và thoát ra ngoài qua các mặt B, C, D, E (outlet) trên bản vẽ.
• Chúng ta sẽ xác định lực và biểu đồ phân bố áp lực lên bề mặt F.
vậy phải sử dụng phương pháp chia lưới – một phương pháp dựa trên cơ sở
của phương pháp phần tử hữu hạn và các điều kiện biên để tính toán.
Chia lưới phải phù hợp với mô hình, bởi nó ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả tính toán. Tuy nhiên để chia lưới phù hợp với chi tiết yêu cầu chúng ta phải thực hiện nhiều thực nghiệm để tìm phương pháp tối ưu.
Có nhiều phương pháp để tìm lưới chia phù hợp trong đó quan trọng nhất là dựa vào đặc trưng hình học. Ví dụđối với lưới chia các chi tiết dạng tấm thì nên chọn kiểu lưới sell mesh… Khi chia lưới theo các kích thước khác nhau thì kết quả cũng khác nhau, tất nhiên là chia lưới càng nhỏ, càng mịn thì càng chính xác, tuy nhiên nếu chia lưới càng mịn thì cần càng nhiều tài nguyên máy tính và thời gian tính toán.
Có thể biết được lưới chia hợp lý hay không nhờ vào đánh giá sự sai lệch kết quả giữa các kích thước lưới khác nhau, khi kết quả thay đổi ở mức độ
cho phép thì phù hợp hoặc đánh giá qua sự sai lệch giữa kết quả tính được và kết quả thực nghiệm.
Ngoài ra để nâng cao độ chính xác của phép tính, thì tại những vị trí đặc biệt như kích thước rất nhỏ, chịu lực lớn… Ở những vị trí đó ta nên tiến hành kiểm soát lưới (mesh control) để có thể tùy chỉnh như chỉnh kích thước chia nhỏ hơn các vị trí khác… Dung sai của nút thắt (pinch tolerance) cũng rất quan trọng trong việc quyết định độ chính xác của phép tính, vì vậy cũng cần phải lựa chọn dung sai nút thắt phù hợp.
Hình 2.6 .Mô hình sau khi chia lưới.
Ở bài toán tính toán đệm khí,việc chia lưới cho phù hợp là rất khó khăn bởi vì mô hình có sự chênh lệch kích thước max và min quá lớn và có những kích thước quá nhỏ. Qua nhiều lần tiến hành chia lưới thì em đã quyết định lựa chọn phương pháp chia lưới tự động chọn chế độ mịn cao, dung sai nút
thắt chọn δ= 10-5mm và tiến hành kiểm soát lưới ở bề mặt F.
bằng 250C.
¾ Lựa chọn chế độ chảy của khí là chảy tầng vì đó là đặc điểm của dòng khí khi chảy trong khe hẹp.
Hình 2.8: Chiều dòng chảy
2.2.6. Tính toán.
Sau khi thiết lập mô hình, chia lưới và nhập dữ liệu cùng các điều kiện biên thì ta sẽ cho phần mềm tựđộng tính toán.
2.2.7. Kết quả tính toán.
2.2.7.1. Biểu đồ phân bố áp suất.
Việc xây dựng biểu đồ phân bố áp suất rất quan trọng trong việc tính toán
đệm khí, bởi vì ngoài yêu cầu có thể nâng bộ phận dịch chuyển của máy đo,
đệm khí còn phải đảm bảo yếu tố cân bằng, mà yếu tố này có thể thấy được qua biểu đồ phân bố áp suất.
Hình 2.9. Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,3mm, z=0,015mm.
Hình 2.10. Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,5mm, z=0,015mm.
Nhận xét:
¾ Áp lực phân bố trên bề mặt đệm khí là đáp ứng yêu cầu cân bằng của
đệm khí.
Hình 2.11. Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,3mm, lưới 0,2mm.
Qua kết quả tính toán lực ta thu được biểu đồ quan hệ sau: 0 50 100 150 200 250 300 350 Lực nâng( N) 296.824 297.531 292.764 300.391 337.53 Kích thước lưới chia (mm) 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
1 2 3 4 5
Hình 2.13. Biểu đồ quan hệ giữa kích thước phần tử lưới và lực nâng
Nhận xét:
¾ Kích thước chia lưới càng nhỏ thì lực nâng biến đổi càng ít và tiến tới giá trị lực nâng chính xác là giá trị mà khi chia lưới nhỏ hơn nữa thì nó không thay đổi.
¾ Khi kích thước chia lưới nhỏ hơn 0,2 mm thì kết quả lực nâng tương
đối ổn định, kích thước phần tử lưới trên bề mặt F là 0,2 mm là phù hợp.
2.2.7.3. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thước khe hở z và kết quả
lực nâng đệm khí.
Với s=r= 0,3 mm và chia lưới mặt phẳng F với kích thước phần tử lưới là 0,2 mm, thay đổi kích thước khe hở z.
Hình 2.14.Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,3mm, z=0,010mm.
Qua kết quả tính lực nâng của các khe hở ta xây dựng được biểu đồ sau: 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Khe hở (mm) 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 Lực nâng( N) 391.3 296.824 246.431 225.874 217.055 1 2 3 4 5
Hình 2.16. Biểu đồ quan hệ giữa kích thước khe hở z và lực nâng.
Nhận xét:
¾ Lực nâng của đệm khí trên là rất lớn, thỏa mãn yêu cầu đối với đệm khí sử dụng trong máy đo độ thẳng.
¾ Khe hở Z càng nhỏ thì lực nâng càng lớn. Khe hở z = 0,01mm thì F= 391,3N Khe hở z= 0,03mm thì F = 217,055N
2.2.7.4. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thước chiều sâu rãnh s và
kết quả lực nâng đệm khí.
Ta thay đổi chiều sâu rãnh khí để so sánh biểu đồ áp suất và giá trị lực tại các chiều sâu khác nhau.
Hình 2.17. Biểu đồ phân bố áp suất với s=0,2mm, r=0,3 và z=0,015mm.
0 50 100 150 200 250 300 350 Lực nâng( N) 294.234 296.824 301.608 303.522 306.117 Chiều sâu rãnh (mm) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 2 3 4 5
Hình 2.19. Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu rãnh và lực nâng
Nhận xét :
¾ Với đệm khí có kích thước giống nhau đặt trong cùng một một điều kiện làm việc áp nguồn vào như nhau chỉ khác nhau về kích thước của s thì khả năng chịu tải của các đệm khí sẽ khác nhau, đệm khí nào có s lớn hơn thì khả năng tải sẽ lớn hơn.
¾ Với đệm khí có s lớn hơn thì độ lớn lực nâng lớn hơn so với đệm khí có s nhỏ hơn khi khe hở z không thay đổi => s càng lớn thì độ cứng k đệm khí càng tăng. Với s = 0,2mm thì F = 294,234N
s = 0,6mm thì F=306,117N
2.2.7.5. Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thước chiều rộng rãnh r và
kết quả lực nâng đệm khí.
Ta thay đổi chiều rộng rãnh khí để so sánh biểu đồ áp suất và giá trị lực tại các chiều rộng khác nhau.
Hình 2.20. Biểu đồ phân bố áp suất với r=0,2mm, s=0,3 và z=0,015mm.
0 50 100 150 200 250 300 350 Lực nâng( N) 294.06 296.824 300.065 305.966 306.56 Chiều rộng rãnh (mm) 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 1 2 3 4 5
Hình 2.22. Biểu đồ quan hệ giữa chiều rộng rãnh và lực nâng
Nhận xét :
¾ Với đệm khí có kích thước giống nhau, chỉ khác nhau về kích thước của r. Ở cùng một một điều kiện làm việc áp nguồn vào như nhau, khả năng chịu tải của các đệm khí sẽ khác nhau, đệm khí nào có r lớn hơn thì khả năng tải sẽ lớn hơn.
¾ Với đệm khí có r lớn hơn thì độ lớn lực nâng tăng so với đệm khí có r nhỏ hơn khi khe hở z không thay đổi => r càng nhỏ thì độ cứng k đệm khí càng giảm. Với r = 0,2mm thì F = 294,06 N
r = 0,6mm thì F = 306,56 N
Kết luận:
Qua quá trính tính toán bằng phần mềm đã giúp ta đưa ra được kích thước
đệm khí tối ưu đểứng dụng chế tạo hệ dẫn trượt thẳng.
Kết luận chương 2:
- Việc khai thác sử dụng phần mềm Ansys đã giúp ta tìm ra được kích thước đệm khí tối ưu. Giúp ta dựđoán được lực nâng, áp suất trên bề mặt đệm khí thuận lợi cho việc chế tạo đệm khí.
- Qua tính toán bằng phần mền Ansys ta đưa ra được kích thước đệm khí
Thực nghiệm trên mô hình máy đo sai lệch độ thẳng nhằm mục đích
đánh giá độ chính xác của mô hình, tiến hành các thực nghiệm: - Thực nghiệm đo nhám bề mặt của sống trượt và đệm khí. - Thực nghiệm các đặc tính đệm khí nhằm mục đích xác định các đặc tính của đệm khí như: + Quan hệ giữa tải và khe hở. + Xác định độ cứng của đệm khí, chọn miền làm việc. + Xác định phân bố áp trên bề mặt đệm khí.
- Thực nghiệm xác định độổn định và độ thẳng sống trượt khi làm việc. - Thực nghiệm đo chi tiết thẳng trên máy đo 3 tọa độ DEA và so sánh với kết quảđo của dụng cụđo độ thẳng đã chế tạo.
3.1. Thực nghiệm đo độ nhám bề mặt sống trượt và đệm khí.
3.1.1. Đo độ nhám bề mặt sống trượt.
3.1.1.1. Điều kiện thực nghiệm
- Máy đo phân tích nhám Mitutoyo.
- Sống trượt của dụng cụđo độ thẳng tự chế tạo. - Các yếu tố khác đảm bảo thực nghiệm.
3.1.1.2. Mô tả thực nghiệm đo
Gá đầu đo máy đo nhám lên bề mặt sống trượt, chỉnh đầu đo tiếp xúc với sống trượt, bật máy để máy tựđộng đo phân tích nhám, đưa ra kết quả và đồ
3.1.1.3. Mô hình thực nghiệm đo và kết quả Vị trí đầu - Mô hình thực nghiệm đo hình 3.1: Hình 3.1. Mô hình đo độ nhám của sống trượt ở vị trí đầu - Kết quảđo: Ra = 0,13 µm/4mm Rz = 0,76 µm/4mm Rq = 0,16 µm/4mm - Đồ thị đo nhám hình 3.2 Hình 3.2. Đồ thịđo độ nhám của sống trượt ở vị trí đầu
Hình 3.3. Mô hình đo độ nhám của sống trượt ở vị trí giữa - Kết quảđo: Ra = 0,07 µm/4mm Rz = 0,84 µm/4mm Rq = 0,10 µm/4mm - Đồ thị đo nhám hình 3.4 Hình 3.4. Đồ thịđo độ nhám của sống trượt ở vị trí giữa
Vị trí cuối - Mô hình thực nghiệm đo hình 3.5 Hình 3.5. Mô hình đo độ nhám của sống trượt ở vị trí cuối - Kết quảđo: Ra = 0,12 µm/4mm Rz = 0,78 µm/4mm Rq = 0,16 µm/4mm - Đồ thị đo nhám hình 3.6 Hình 3.6. Đồ thịđo độ nhám của sống trượt ở vị trí cuối 3.1.2. Đo độ nhám bề mặt đệm khí 3.1.2.1. Điều kiện thực nghiệm
- Máy đo phân tích nhám Mitutoyo.
- Đệm khí sử dụng cho dụng cụđo độ thẳng tự chế tạo. - Các yếu tố khác đảm bảo thực nghiệm.
- Mô hình thực nghiệm đo hình 3.7: Hình 3.7. Mô hình đo độ nhám của đệm khí ở vị trí 1 - Kết quảđo Ra = 0,11 µm/4mm Rz = 1,62 µm/4mm Rq = 0,16 µm/4mm - Đồ thị đo nhám hình 3.8: Hình 3.8. Đồ thịđo độ nhám của đệm khí ở vị trí 1
Vị trí 2: - Mô hình thực nghiệm đo hình 3.9: Hình 3.9. Mô hình đo độ nhám của đệm khí ở vị trí 2 - Kết quảđo: Ra = 0,09 µm/4mm Rz = 1,28 µm/4mm Rq = 0,14 µm/4mm - Đồ thị đo nhám hình 3.10: Hình 3.10. Đồ thị đo độ nhám của đệm khí ở vị trí2
a z
- Đệm khí: Nhám ở hai vị trí đo trên bề mặt đệm khí tương đối giống nhau:
+ Vị trí 1: Ra = 0,11 µm/4mm ; Rz = 1,62 µm/4mm + Vị trí 2: Ra = 0,09 µm/4mm ; Rz = 1,28 µm/4mm
Từ các kết quả đo nhám trên bề mặt sống trượt và đệm khí ta thấy nhám đo được nhỏ hơn nhám yêu cầu trên bản vẽ thiết kế. Như vậy quá trình mài nghiền đã làm giảm các đỉnh nhám.
Để đệm khí có thể di chuyển dễ dàng trên sống dẫn thì tổng độ nhám của sống trượt và đệm khí (∑Rz) phải nhỏ hơn khe hở khí (z)
Cụ thể: ∑Rz= 0,84 + 1,62= 2,46 µm < z = 15µm
Như vậy sống trượt và đệm khí đã chế tạo đảm bảo yêu cầu cho chuyển
động dẫn trượt được dễ dàng.
Kết luận: Quá trình mài nghiền, kết hợp đo kiểm, chỉnh sửa có định hướng
đã giúp nâng cao độ chính xác của hệ dẫn trượt.
3.2. Thực nghiệm xác định đặc tính của đệm khí