7. THIẾT KẾ SẢN PHẨM
7.1. Các dữ liệu ban đầu
- Lực ép xylanh: 300N Tính toán thiết kế máy - Kích thước: 1400x1600x1000 - Vận tốc nhào kẹo: 3s. - Giá thành: 600$ 7.2. Thiết kế hệ thống
Để thiết kế hình dạng của máy nhào kẹo, ta đi sơ đồ như sau
khiển Lựa chọn thiết bị đảm bảo tính năng Cấ u tr úc G ia o di ệ n K h ô n g gi a n, t n h c h ất , m ôi tr ư ờ n g , k i n h p h í , …
Hình dạng thô Hình dạng giao diện Quá trình thiết kế, hình dáng cuối cùng Hình 7.2. Quá trình lựa chọn hình dáng sản phẩm Kết hợp với nhóm những yếu tố trong lược đồ
Hệ thống máy nhào kẹo
Hệ thống Xylanh khí nén Hệ thống truyền động bàn xoay
Hình 7.3. Các nội dung chính trong thiết kế sản phẩm
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
Ta có hình dạng máy như sau
7.3. Tính toán hệ thống
7.3.1. Hệ thống xylanh khí nén
7.3.1.1. Thiết kế mạch điểu khiển khí nén
Hình 7.4. Sơ đồ mạch điều khiển khí nén.
(1)– Nguồn cấp khí nén, (2) – Cửa xả, (3) (7) (11) - Van phân phối 5/2, (4) – Van tiết lưu một chiều, (5) (8) – Xy lanh khí nén A và B, (6) – Cảm biến tiệm cận ở xy lanh A, (8) – Xy lanh khí nén C, (9) – cảm biến tiệm cận ở xy lanh C, (12) –
Van an toàn.
Nguyên lí hoạt động của mạch điều khiển xy lanh khí nén:
Đầu tiên, khi cuộn Solenoid A+¿ vàB+¿ có điện thì xy lanh A và xy lanh B duỗi ra ép theo phương ngang, khi có tín hiệu a1, cuộn Solenoid C+ ¿ có điện, xy lanh C duỗi xuống ép theo phương đứng, đồng thời cuộn SolenoidA+¿ vàB+¿ bị ngắt điện thì xy
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
lanh A và B tuwjj động co lại nhờ lực lò xo của van phân phối. Xy lanh C duỗi ra cho đến khi có tín hiệuc1 thì cuộn Solenoid C+ ¿ bị ngắt điện, xy lanh C tự động thu về nhờ lực lò xo của van phân phối 5/2. Khi có tín hiệu c0, xy lanh A và B tiếp tục duỗi ra và chu kì được thực hiện liên tục.
Sơ đồ hành trình bước của hệ thống xy lanh khí nén:
: Các bước của các xy lanh.
Hình 7.5. Sơ đồ hành trình bước của xy lanh.
7.3.1.2. Cấu tạo của mạch điểu khiển xylanh khí nén
Bao gồm các khối thiết bị sau:
Nguồn khí nén: Máy nén khí, bình tích áp.
Các phần tử điều khiển: van phân phối 5/3 có cuộn solenoid, các cảm biến tiệm cận, van tiết lưu, van an toàn.
Các phần tử chấp hành: piston xi lanh tác động kép.
Phân phối khí nén: gồm hệ thống các ống dẫn để phân phối khí nén tới cơ cấu chấp hành.
Nguồn khí nén.
Trong công nghiệp, theo quy mô sản xuất, người ta thường xây dựng một vài trạm khí nén phục vụ sản xuất với các mục đích khác nhau. Hệ thống khí nén muốn làm việc
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
bền vững, liên tục, tin cậy thì nguồn khí nén phải được tăng cường ổn định về áp suất, phun dầu bôi trơn cho các phần tử điều khiển, cơ cấu chấp hành… Do đó, cần được trang bị một loạt phần tử nối tiếp nhau như máy nén khí có thể tích hành trình không đổi, bình tích áp, bộ lọc hơi nước, bộ tra dầu, van điều chỉnh áp suất có cửa tràn,…
Hình 7.6. Hệ thống máy nén khí trong công nghiệp.
Các phần tử điều khiển
Van phân phối điện từ 5/2.
Van 5/2 là một loại van điện từ có 5 cổng và 2 vị trí, bao gồm 1 cổng cấp khí tổng, 2 cổng phân chia khí và 2 cổng xả. Cấu tạo của van phân phối 5/2 gồm:
+ Phần coil điện: khi được cấp nguồn điện 1 chiều hoặc dòng điện xoay chiều từ bên ngoài thì van sẽ hoạt động. Tùy thuộc nguồn điện từ 24V, 220V mà van sẽ hoạt động khác nhau.
+ Phần thân van: được phân thành 5 cửa với 2 vị trí đảo chiều hoạt động. Đây cũng là lý do van có tên gọi là van 5/2 điện từ (van đảo chiều 5/2).
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
Hình 7.7. Van phân phối 5/2. Van tiết lưu.
Van tiết lưu là loại van có chức năng điều chỉnh lưu lượng của dòng chất qua van, dựa trên nguyên lý: lưu lượng phụ thuộc vào tiết diện của dòng chảy qua van. Hình trên là nguyên lí hoạt động và kí hiệu của van tiết lưu có tiết diện thay đổi, tiết lưu được cả 2 chiều, dòng khí nén đi từ A qua B và ngược lại. Tiết diện thay đổi bằng vít điều chỉnh.
Hình 7.8. Kí hiệu van tiết lưu có tiết diện thay đổi (Hãng Herion). Van an toàn.
Van an toàn khí nén là loại van dùng cho hệ thống khí nén, vai trò chính của van giúp cho hệ thống khí nén không bao giờ vượt qua ngưỡng áp suất cài đặt. Khi ở trong trạng thái bình thường, do lực ép của lò xo nên van đóng kín, chỉ đến khí áp suất của khí nén không nằm trong giới hạn an toàn lớn hơn lực căng của lò xo, làm cho van an toàn của máy nén khí mở. Khi đó, khí sẽ thoát ra ngoài, giảm lượng áp suất dư bên trong bình chứa khí, giữ ở mức độ ổn định đảm bảo được an toàn và ổn định.
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
Hình 7.9. Cấu tạo van an toàn. Cảm biến tiệm cận (Proximity Sensors).
Cảm biến tiệm cận (hay được gọi là “Công tắc tiệm cận”) phản ứng khi có vật ở gần cảm biến, khoảng cách này tính vài mm. Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu về sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật thể thành tín hiệu điện.
Hình 7.10. Cấu tạo cảm biến tiệm cận. Các phần tử chấp hành.
Trong hệ thống mạch điểu khiển, phần tử chấp hành là xy lanh khí nén tác động
kép. Xy lanh khí nén là một thiết bị cơ học được vận hành bằng khí nén, có khả năng
chuyển hóa năng lượng khí nén thành động năng. Nguyên lí: không khí được nén vào trong xy lanh thông qua một đầu piston và chiếm không gian bên trong xy lanh, làm cho piston di chuyển theo hướng trục của xy lanh. Khi hết hành trình, xy lanh lại đẩy khí nén ra ngoài tiếp tục vòng tuần hoàn. Nhờ vậy đã sinh ra công, điều khiển thiết bị bên ngoài.
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
Hình 7.11. Xy lanh tác động kép (tác động hai chiều).
1. Cửa nối khoang piston 2. Cửa nối khoang cần piston 3. Cần piston 4. Khoang cần piston 5. Tiết diện cần piston 6. Piston 7.
Tiết diện piston
7.3.1.3. Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén
Lực cản kỹ thuật.
Độ cứng của kẹo: 14068 g
Suy ra lực cản kỹ thuật lớn nhất là:
Fkt=14068 × 9,81≈
138( N ) 1000
Vậy lực cần thiết tạo ra từ xy lanh trong quá trình duỗi raF ≥ Fkt. ⇒Chọn lực ép đầu cần xy lanh làF=300 N.
Thông số thiết kế xy lanh khí nén.
Theo yêu cầu kĩ thuật và điều kiện làm việc của phương án thiết kế, thì xy lanh C có lực đầu cần lớn nhất, do đó, khi tính toán, chỉ cần tính cho xy lanh C, từ đó lựa chọn xy lanh A và B theo xy lanh C. Ta có bảng thông số kỹ thuật như sau:
Thông số kỹ thuật
Lực ép đầu cần ba xy lanh Áp suất làm việc
TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Hành trình duỗi ras1 A vàs1 B của xy lanh A và B
Hành trình duỗi ras1 C của xy lanh C
Hành trình thu lạis2 A vàs2 B của xy lanh A và B Hành trình thu lạis2 C của xy lanh C
Thời gian xy lanh duỗi ra của ba xy lanht1 Thời gian xy lanh thu lại của ba xy lanht2
BẢNG 7.1. BẢNG THÔNG SỐ THIẾT KẾ XY LANH.
Tính toán các thông số.
Ta có công thức tính lực lớn nhất ở hành trình tiến xy lanh là:
Fmax=0,9 p π
4D2
Trong đó:
Fmax – Lực éo lớn nhất tạo ra ở đầu xy lanh (N) p – Áp suất làm việc của xy lanh (N / m2)
D – Đường kính trong của xy lanh (m) Vậy đường kính trong của xy lanh là:
D=
√
⇒ Chọn xy lanh có đường kínhD ≥27 (mm)
Theo Catalogue của hãng Misumi, ta có các thông số lựa chọn xy lanh có kí hiệu sau:
Xy lanh A và xy lanh B: CA2B50-250JZ
Xy lanh C: CA2B50-200JZ
Hình 7.12. Bảng thông số hành trình xy lanh.
Hình 7.13. Bảng thông số đường kính xy lanh.
Hình 7.14.. Bản vẽ kỹ thuật của xy lanh
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
Hình 7.15. Bảng thông số các kích thước của xy lanh.
7.3.1.4. Tính lưu lượng cần thiết cấp cho hệ thống
Lưu lượng cần cấp cho xy lanh được tính theo công thức như sau:
Q= A . v
trong đó :
Q: lưu lượng cần cấp cho xy lanh,m3 /s
A: diện tích tác dụng của xy lanh (đối với hành trình tiến hay lùi),m2 v: vận tốc cần piston,m/s
Lưu lượng cần thiết cấp cho xy lanh A và B trong quá trình duỗi ra: Q1A =Q1 B= s1A . π . D2 =0,25 . π . 0,052 =3,27. 10−4 (m3 / s)=19,62¿ t1 4 1,5 4
Lưu lượng cần thiết cấp cho xy lanh A và B trong quá trình thu về:
Q2A=Q2B=
Lưu lượng cần thiết cấp cho xy lanh C trong quá trình duỗi ra:
Q1 C= s1 C . π . D2
= 0,2 . π . 0,052 =2,6.10−4 ( m3 / s)=15,6 ¿
t141,54
Lưu lượng cần thiết cấp cho xy lanh C trong quá trình thu về:
s
2 C
Q2C=
t2
Vậy lưu lượng khí lớn nhất cần cấp cho hệ thống từ bình chứa khí là:
Qmax=19,62.2=39,24 ¿
7.3.2. Hệ thống truyền động bàn xoay
7.3.2.1. Giới thiệu về cơ cấu Man
Cơ cấu Man hay Mante, Geneva là cơ cấu biến chuyển động quay liên tục thành chuyển động quay gián đoạn nhờ trên khâu dẫn (cần Man) có chốt và trên khâu bị dẫn (đĩa Man) có những rãnh tiếp xúc không liên tục với nhau. Cơ cấu Man được ứng dụng trong một số máy như: cơ cấu ăn dao của máy bào, cơ cấu thay ụ dao của máy tiện tự động, cơ cấu đưa phim của máy chiếu phim,…
Hình 7.16. Động học cơ cấu Man 4 rãnh. Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man:
Bánh dẫn (1) mang chốt (3) quay quanh tâm O1; bánh bị dẫn (2) là đĩa mang những rãnh (4) có thể quay quanh tâm O2. Khi bánh dẫn (1) quay liên tục, sẽ có lúc chốt trụ (3) lọt vào rãnh (4) của bánh bị dẫn (2) ở vị trí A và gạt đĩa này quay quanh O2 một
góc đến khi chốt ra khỏi rãnh ở vị trí B thì bánh bị dẫn (2) sẽ ngừng quay nhờ cung tròn CDE trên bánh dẫn (1) tiếp xúc với cung tròn FGH trên bánh bị dẫn (2). Lúc này rãnh kế tiếp trên bánh bị dẫn (2) ở vị trí chờ chốt trên bánh dẫn (1) vào để truyền động xảy ra liên tục.
7.3.2.2. Tính toán hình học cơ cấu Man
Hình 7.17. Sơ đồ hình học cơ cấu Man.
Trong quá trình chốt ở trong rãnh và truyền chuyển động cho nhau, quan hệ động học trong cơ cấu Man hoàn toàn giống như quan hệ động học trong cơ cấu Cu-lít (coulis).
Cơ cấu Man là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của bánh dẫn O2
thành chuyển động quay gián đoạn của bánh bị dẫn O1. Chuyển động gián đoạn của bánh bị dẫn O1 chính là chuyển động quay của bàn xoay của máy nhào kẹo. Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4, 6, 8,...Vì yêu cầu thiết kế của bàn xoay trong một chu trình chỉ quay một góc 90o, do đó chọn cơ cấu Man có 4 rãnh.
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
Điều kiện bắt buộc để chống va đập là:
α+ β=90o
trong đó góc (Hình 3.7) được xác định theo số rãnh của đĩa Man là Z = 4 rãnh: α= Zπ = 180
4o =45o
Do đó:
β=90o−45o=45o
Gọi thời gian quay của bánh bị dẫn làtm, thời gian không quay của bánh bị dẫn là t0, ta có tỷ số giữa thời gian quay của bánh bị dẫntm và thời gian không quay của nót0 là:
t 0 = ZZ−+22 = 44−+22 =31tm
Với thông số đầu vào yêu cầu, cứ một chu trình (xy lanh duỗi ra, thu về theo phương ngang, phương dọc và xoay bàn) thực hiện trong 6 giây, nên ta có:
tm +t0=6 từ đó, ta tính được:tm=1,5(giây) ,t0 =4,5(giây).
Khi cần Man quay với tốc độ đều ¿const thì thời gian quay đúng một vòng là:
t= 60
n (giây)
với: n - số vòng quay của chốt trụ trên bánh dẫn ( v / p). ta có:
tm
=β
t π
Với:Z– số rãnh trên đĩa;
tm – thời gian quay của bánh bị dẫn(giây);
n – số vòng quay của chốt trụ trên bánh dẫn ( v / p).
⇒n= 4−
42. 1,530 =10(v / p)
Các thông số hình học của cơ cấu Man được xác định:
Hình 7.18. Kích thước hình học của cơ cấu Man. Khoảng cách trục giữa bánh dẫn và bánh bị dẫn L: LấyL=150(mm). Bán kính quỹ đạo chốt trụ: r=L. sinα=150. sin 45o =106,07(mm) Bán kinh của bánh bị dẫn R: R=L. cosα=150. cos 45o=106,07 (mm) Chọn bán kính chốt trụ r p =9(mm)
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
⇒Bán kính ngoài chính xác của bánh bị dẫn R':
R' =R √1+(r
Rp )2 =106,07.√1+(106,079 )2 =106,45(mm)
Chiều dài rãnh h:
h≥ L.( sinα +cosα−1)=150.( sin 45o +cos 45o −1)=62,13(mm)
Góc ăn khớp chuyển động γ:
γ= π
Z ( Z+ 2)= π
4 (4 +2)=3
2π =270o
Đường kính ngõng trục được xác định theo điều kiện như sau: dw<2 L[1−sin (π
Z )]=2.150 .[1−sin(π
4 )]=87,87 (mm)
Vớidw – đường kính trục, mm.
7.3.2.3. Tính toán động học cơ cấu Man
Xác định góc của bánh bị dẫn khi chốt trụ trên bánh dẫn quay được một góc :
tan ψ =
trong đó :λ= r
= L . sinα
=sinα
L L
Vậy tốc độ của bánh bị dẫn có được là: ωd= dψdt = dtd (arctan Vớiα=45o ta được: 1 (cosφ− 1 ) ωd=√2 √2 3 2 −√2 .cosφ ω= . ω Gia tốc của bánh bị dẫn: εd=
Khi bắt đầu và kết thúc thìφ=π / 2−α ⇒ωd=0.
⇒εd = sinα .cos 3 α .ω2=tanα . ω2 (1−sin2α )2
Gia tốc lớn nhất của bánh bị dẫn xảy ra khi:
cosφ=√(
vớiλ=sinα=sin 45o
Vận tốc góc lớn nhất khi φ=0o:
ωd= 1−sinαsinα . ω(rad / s )
Vậy khi bánh dẫn quay đều với vận tốc góc ω thì bánh bị dẫn sẽ quay không đều với vận tốc gócωd và có gia tốc là ε d, và có vận tốc lớn nhất khi φ=0o và gia tốc lớn nhất khiφ=11,46o. Vậy khi đóψ=58,45o.
Vận tốc góc của bánh dẫn :
ω= π
30.n = π
30.10 =1,05 (rad / s)
Vận tốc và gia tốc góc ở vị trí bắt đầu và kết thúc của bánh bị dẫn:
ωd=0 ,εd =tanα . ω2=tan 45o .1,052=1,1025(rad / s2 )
Gia tốc lớn nhất của bánh bị dẫn xảy ra khi φ=11,46o
εd= sin 45
o . cos2 45o .sin 11,46o
(1−2.sin 45o .cos 11,46o +sin2 45o )
Vận tốc góc lớn nhất khi φ=0o:
ωd=
7.3.2.4. Tính toán động lực học cơ cấu Man
Khối lượng của bàn xoay:G=27 (kg)
Khối lượng kẹo trên bàn xoay:G=(50−100)(kg)
GΣ=27+(50 ÷ 100)=(77 ÷127)( kg)
Xét các lực tác dụng lên bánh bị dẫn trong quá trình làm việc: Trọng lượng tác dụng lên cơ cấu Man:
PT =GΣ . g=127.9,81=1245,87 (N )
Hình 7.17. Sơ đồ phân bố lực.
Lực do chốt trụ trên bánh dẫn khi quay tác dụng lên rãnh của bánh bị dẫnFd;
Lực ma sát tại ổ lăn do trọng lượng của bản xoay, phôi và các chi tiết phụ tạo raFms:
Fms=PT . f =1245,87.0,02=24,9174( N )
Vớif =0,02 - Hệ số ma sát của ổ bi. Lực của chốt trụ trên bánh dẫnFc;
D0=35(mm): Đường kính trong sơ bộ của ổ bi đỡ chặn;
BTL MÁY NHÀO KẸO – NHÓM 05 - QUÁ TRINH THIẾT KẾ
Phương trình cân bằng momen của bánh bị dẫn ứng với lúc bánh bị dẫn có gia tốc