Ở chương này chúng em sẽ lựa chọn các phương án truyền động, màn hình hiển thị và thiết bị điều chỉnh khung đặt vật hàn từ các lý thuyết đã nêu ở chương 2 để xây dựng máy có kích thước 1660x600x900mm, phần khung đặt vật hàn có kích thước 1500x500mm. Sản phẩm hàn sẽ được đặt lên khung, cố định chắc chắn, tải trọng tối đa (kể cả cơ cấu kẹp vật) là 40 kg. Khung đồ gá được làm từ thép hộp vuông 50x50x1,5mm.
3.1.Thiết kế cơ cấu kẹp khung gá
3.1.1.Chọn vật liệu chế tạo khung gá
Chọn vật liệu chế tạo các trục là thép 45 thường hóa
Theo Bảng 6.1 trang 92, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 1, Trịnh Chất. - Độ rắn HB = ( 170...217)
- Giới hạn bền: σb = 600 (MPa). - Giới hạn chảy: σch = 340 (MPa).
34
3.1.2.Thiết kế cơ cấu kẹp
Để tạo điều kiện thuận lợi trong q trình gia cơng, giảm chi phí, ê tơ được thiết kế từ 3 tấm kim loại với kích thước bằng nhau 120x90x10 (mm). Sau đó ta-rơ lỗ ở 1 tấm để làm cơ cấu trục vít. Đùng phương pháp hàn que để hàn tạo thành thân ê tơ.
Trục vít được gắn với núm vặn ở 1 đầu, cố định bằng bu-lơng. Đầu cịn lại được khoang 1 lỗ để cố định với phần ngàm di động.
Giữa 2 mặt tiết xúc với khung sắt giữa hàm cố định và hàm di động được đệm thêm 1 lớp cao su để cố định, giảm ảnh hưởng từ lực kẹp của ê tô, giúp bảo vệ khung sắt.
Để bù trừ các sai số trong quá trình chế tạo khung sắt, ê tơ, và thuận tiện cho q trình cố định khung sắt với ê tơ, 2 ê tơ được bố trí cách nhau 1 khoảng l1 = 1510mm tính từ mặt phẳng tiếp xúc với khung sắt, có phương vng góc với trục công tác, dày l2 = 10mm.
Cuối cùng, ê tô sẽ được hàn với trục để tạo thành cơ cấu trục truyền động – kẹp hoàn chỉnh.
35
3.1.3.Tính tốn trọng lượng cơ cấu kẹp
Trọng lượng thép tấm
m1 = m2 = m3 = T.W.L.D
= 10.70.120.7,85.10-6 = 0,6594 = 659,4.10-3 (kg) Trong đó: mn: khối lượng thép tấm (kg)..
T: chiều dày thép tấm (mm). W: chiều rộng thép tấm (mm). L: chiều dài thép tấm (mm).
D: Trọng lượng riêng thép tấm (Kg/mm). Đối với thép c45, trọng lượng riêng D = 7,85.10-6 (Kg/mm).
Vì phần thân ê tô được cấu tạo từ 3 tấm thép giống nhau, bỏ qua trọng lượng phần thép mất đi khi khoan lỗ trục vít => Trọng lượng thân ê tô là
mthân = 3.mn = 3.0,6594 = 1,9872 (kg) Trọng lượng ngàm di động
Ngàm di động có dạng hình trịn, bán kính R = 25 (mm), ở giữa có lỗ φ = 6 mm để bắt chốt cố định với trục vitme.
Vì lỗ bắt chốt cố định nhỏ (φ = 6 mm) nên ta bỏ qua phần trọng lượng bị mất khi khoan lỗ bắt chốt cố định.
m4 = 𝜋.R2.T.D = 𝜋.252.10.7,85.10-6 = 154,33.10-3 (kg)
Trọng lượng trục vitme, chốt cố định, núm vặn, lớp cao su… m5 = 360.10-3 (kg)
Tổng trọng lượng cơ cấu là:
mc = mthân + md + mc
= 1,9872 + 154,33.10-3 + 350.10-3 = 2,5 (kg)
3.1.4.Tính tốn các lực và moment do cơ cấu sinh ra
3.1.4.1.Xác định trọng tâm cơ cấu
Ta chia cơ cấu làm 5 phần, bao gồm 3 phần là 3 thép tấm giống nhau, 2 phần còn lại là trục vitme và hàm di động. Xem trọng lượng núm vặn bằng nhựa và lớp cao su khơng đáng kể. Góc tọa độ như hình vẽ, gọi C(Xc , Yc) là trọng tâm cơ cấu, ta có:
36 Khoảng các từ các trọng tâm của từng phần đến tâm cơ cấu là:
Xác định Xc: Xh1 = Xh3 = Xh4 = Xh5 = 40 (mm) Xh2 = 5 (mm) Xc = ∑(Xhi.mi) ∑ mi = Xh1m1+ Xh2m2+ Xh3m3+ Xh4m4+ Xh5m5 m1 + m2+ m3 + m4+ m5 =40.659,4.10 −3 + 5.659,4.10−3 + 40.659,4.10−3 + 40.154,33.10−3 + 40.360.10−3 3.659,4.10−3+ 154,33.10−3+ 360.10−3 = 30,74 (mm) Xác định Yc:
Yh1 = 5 (mm) Yh2 = 45 (mm) Yh3 = 85 (mm)
Yh4 = 75 (mm) Yh5 = 135 (mm) Yc = ∑(Yhi.mi)
∑ mi =
Yh1m1+ Yh2m2+ Yh3m3+ Yh4m4+ Yh5m5 m1 + m2+ m3 + m4+ m5
37 = 5.659,4.10
−3 + 45.659,4.10−3 + 85.659,4.10−3 + 75.154,33.10−3 + 135.360.10−3 3.659,4.10−3+ 154,33.10−3+ 360.10−3
= 59,86 (mm)
Trọng tâm cơ cấu C(30,74 , 59,86).
3.1.4.2.Lực tác dụng lên cơ cấu
Lực tối đa tác dụng lên cơ cấu
F = FTải = mtải .g = 35.10 = 350 (N) Trong đó F: lực tác dụng (N).
g = 10: gia tốc trọng trường (m/s2).
Vì có 2 cơ cấu kẹp khung gá nên lực tác dụng chia điều cho 2 cơ cấu: Ftd = 350/2 = 175 (N)
Hình 3.4. Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên cơ cấu kẹp.
y z x 𝑌𝑨 A 𝑄𝒚 𝑀𝒙 𝐹𝑡ả𝑖 𝑋𝑨 B C 𝑀𝑨 𝑥 (𝑚𝑚) mm mm 𝑥 (𝑚𝑚) mm mm
38
3.2.Chọn loại động cơ
3.2.1.Động cơ chịu tải các cơ cấu
- Trọng lượng tối đa của khung đặt vật gá, vật gá, kẹp… là mtải = 35 (kg)
- Trọng lượng 2 cơ cấu kẹp là:
mcc = 2.mT = 2.2,5 = 5 (kg) Tổng tải trọng tác dụng lên thân đồ gá là:
mmax = mtải + mc = 35 + 5 = 40 (kg)
- Vì có 2 trục chịu tải, nên tải trọng lớn nhất mỗi trục phải chịu là: m1 = m2 = (mmax)/2 = 40/2 = 20 (kg)
3.2.2.Xác định moment xoắn
Lực tối đa tác dụng lên thân đồ gá
F = FTải = mmax .g = 40.10 = 400 (N) Trong đó F: lực tác dụng (N).
g = 10: gia tốc trọng trường (m/s2). Moment xoắn tối đa
Vì cơ cấu gồm có hai gối đỡ là một khớp nối nên sẽ có hiệu suất nhất định. Hiệu suất: (Tra bảng 2.1, trang 31, sách Thiết kế Đồ án Chi tiết máy, TS Văn Hữu Thịnh – TS Nguyễn Minh Kỳ).
ɳ = ɳơ2. ɳkt = 0,992.1 = 0,98 Trong đó: ɳkt = 1 : Hiệu suất khớp nối trục đàn hồi.
ɳô = 0,99 : Hiệu suất gối đỡ trục.
Moment xoắn lớn nhất mà động cơ cần cung cấp để quay khung sắt là: Tct = F.d
ɳ
Với Tct: moment xoắn trên trục công tác (N.mm). d: chiều dài cánh tay đòn (m).
Vì khung sắt có kích thước dx x dy = 1500 x 500mm, quay tròn theo phương trục X nên cánh tay đòn được xác định theo hướng trục Y.
39 dss = 500
2 = 250 (mm)
Xét trường hợp khung vng góc với mặt đất:
Vì khung làm từ thép hợp vuông 50x50x1,5 (mm) nên dy1 = 50 (mm). dvg = 50
2 = 25 (mm)
Xét trường hợp khung hợp với mặt đất góc 𝛼, với 00 < 𝛼 < 900: Với 𝛼 = 450
d𝛼 = 250.cos(450) = 176,78 (mm)
Trường hợp khung song song với mặt đất có chiều dài cánh tay địn lớn nhất nên ta lấy d = dss = 250 (mm) để tính moment xoắn
Tct = F.d
ɳ =
400.250
0,98 = 102040,81 (N.m)
Vì moment xoắn lớn, tốc độ quay chậm (3 vòng/phút) cho nên ta cần dùng hộp giảm tốc để tăng moment xoắn, giảm số vịng quay, tiếp kiệm kinh phí. Ta chọn hộp giảm tốc có tỉ lệ 1/25.
Moment xoắn tối đa trên trục động cơ: Tđc = Tct ɳ hgt = 102040,81 25 = 4081,63 (N.mm) = 4081,63.10-3 (N.m) Vận tốc trên trục động cơ: vđc = vct. ɳ ℎ𝑔𝑡 = 3.25 = 75 (vòng/phút) Công suất lớn nhất trên trục động cơ:
Pđc = 𝑇đ𝑐. 𝑣đ𝑐 = 4081,63.10-3.75 = 306,12 (W) STT Thông số Số liệu
1 Công suất 306,12 (W)
2 Moment xoắn 4081,63 (N.mm)
3 Vận tốc 3 (vòng/phút)
40 Tiến hành so sánh giữa các phương án đã đưa ra ở Chương 2 để chọn ra phương án thích hợp.
Thiết bị Thông số
Tốc độ Cao, tối đa 3000 ÷ 5000 rpm Thấp, tối đa 1000÷2000 rpm Đối tượng điều khiển Tốc độ, vị trí, moment Vị trí
Phương pháp điều khiển Điều khiển vịng kín Điều khiển vòng hở Bộ điều khiển Phức tạp, do nhà sản xuất
cung cấp
Đơn giản, có thể tự chế tạo Độ phân giải Rất cao (lên đến 23 bit tùy
thuộc vào Encoder)
Thấp ( 0,36o ÷ 15o)
Nhiễu và rung động Ít Nhiều
Hiện tượng trược bước sảy ra khi tăng tải trọng
Khó sảy ra Có sảy ra
Bảo dưỡng Phức tạp, cần bảo dưỡng định kì thường xuyên
Đơn giản, nhỏ gọn, ít bảo dưỡng
Giá thành Cao Thấp
Bảng 4. So sánh giữa động cơ AC Servo và động cơ Step.
41 Thiết bị
Thông số
Ứng dụng điều khiển Tốc độ, độ chính xác cao, thay đổi trạng thái nhanh và liên tục
Không yêu cầu tốc độ, độ chính xác cao, ổn định Đối tượng điều khiển Tốc độ, vị trí, moment Tốc độ
Khả năng đa nhiệm Khơng Có
Độ đáp ứng Nhanh (200 ÷ 1500 rad/s) Chậm ( > 100 rad/s) Độ chính xác Cao ( > 1 µs) Chậm ( > 100 µm)
Chế độ khóa Có Khơng
Tần số khởi động/dừng 20 ÷ 600 vịng/phút > 20 vịng/phút
Moment xoắn tối đa Lớn (300%) Nhỏ (150%)
Công suất Đa dạng (10W ÷ 60kW) Ít đa dạng (100W ÷ 300kW)
Kích thước Nhỏ, gọn tiện lợi To, nặng
Giá thành Cao Thấp
Bảng 5. So sánh giữa điều khiển bằng biến tần và bộ điều khiển Servo. Yêu cầu thực tế của Đồ gá khung sắt: Yêu cầu thực tế của Đồ gá khung sắt:
- Độ chính xác cao
- Điều khiển được các yếu tố tốc độ, vị trí, moment theo từng trường hợp hàn. - Tải lớp (40kg) nếu dùng động cơ Step sẽ cần nguồn lớn, dễ bị trược bước. - Ưu tiên kích thước nhỏ gọn để dễ bố trí, tối ưu hóa hệ thống.
42 Ta chọn động cơ Servo HG-KR43J Mitsubishi và Driver MR J4 40A Mitsubishi.
STT Thông số Số liệu
1 Điện áp 220 VAC
2 Công suất 400 (W)
3 Moment xoắn 1,3 (N.m), tối đa (4,5 N.m)
4 Encoder 22 bit, 4 194 304 (xung/vòng)
5 Tốc độ 3000 (vòng/phút)
6 Kích thước trục ra 14 (mm)
7 Động cơ có phớt chặn dầu
Bảng 6. Thơng số kỹ thuật Servo HG-KR43J Mitsubishi. Hình 3.5. Động cơ Servo HG-KR43J. Hình 3.5. Động cơ Servo HG-KR43J.
43
STT Thông số Số liệu
1 Điện áp nguồn cấp 3-phase 200 VAC hoặc
1-phase 230 VAC)
2 Điện áp 200 – 230 (V)
3 Công suất 400 (W)
4 Loại Servo Servo Amplifer
5 Motor tương thích HC-KFS43, HC-KFS43B
6 Phương pháp điều khiển Điều chế xung PWM, điều chỉnh dòng điện
7 Hãng sản xuất Mitsubishi – Nhật Bản
Bảng 7. Thông số kỹ thuật Driver MR J4 40A. Hình 3.6. Driver MR J4 40A Mitsubishi. Hình 3.6. Driver MR J4 40A Mitsubishi.
44
3.3.Lựa chọn phương án truyền động
Dựa vào cơ sở lý thuyết đã đưa ra ở chương 2, kết hợp với yêu cầu thực tế để chọn cơ cấu truyền động thích hợp.
Thiết bị Tiêu chí so sánh Kích thước Nhỏ gọn To Vừa Khoảng cách trục Nhỏ Lớn Lớn Tỉ số truyền Lớn Thấp hơn Ổn định Tải trọng tác dụng lên trục Thấp Do có tính đàn hồi nên an toàn khi bị quá tải.
Thấp
Phạm vi công suất Đa dạng tùy loại Lớn Lớn
Hiệu xuất Cao Thấp hơn Cao, có thể truyền
cho nhiều trục cùng lúc.
Cấu tạo Phức tạp Đơn giản, dễ sử
dụng, thay thế…
Phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao.
Độ bền Cao. Bị giới hạn bởi nhiệt
độ ứng dụng.
Phải căng dây đai khi thêm tải trọng.
Có thể hoạt động ở nhiều môi trường khắc nghiệt.
Tiếng ồn Vận hành êm Ít. Khả năng chịu sốc cao.
Lớn Bảo trì Cần thường xuyên
kiểm tra các chi tiết và thêm dầu bôi trơn định mức.
Không cần bôi trơn, tiếp kiệm chi phí bảo dưỡng.
Thường xuyên căn xích vì xích dễ bị dãn dài ra do bản lề mịn.
Hiện tượng trượt Khơng Có Khơng
Bảng 8. So sánh các bộ truyền động.
45 Vì đồ gá khung sắt làm việc ở mơi trường bình thường, nhiệt độ khơng cao, yêu cầu khơng gian làm việc nhỏ gọn, đơn giản hóa thiết kế giúp dễ bản trì nên nhóm chúng em quyết định chọn Hộp giảm tốc làm phương án truyền động.
Dựa vào những đặc điểm đã đưa ra ở chương 2, kết hợp với những yêu cầu thực tế để chọn hộp giảm tốc thích hợp. Đặc điểm so sánh Thiết bị HGT bánh răng trụ
Dễ sử dụng, sửa chữa, bảo dưỡng, giản nhiệt tốt, hiệu suất cao.
To, nặng. HGT bánh răng
côn – trụ
Năng suất, hiệu quả cao. Dễ bảo trì, sửa chữa.
Giá thành cao, khó lắp ghép, kích thước lớn.
HGT trục vít Nhỏ gọn, tỉ số truyền lớn, làm việc êm, có khả năng hãm.
Hiệu suất thấp, giá thành cao. HGT hành tinh Nhỏ gọn, tỉ số truyền lớn, có thể
kết nối với động cơ điện và động cơ thủy lực.
Tản nhiệt kém.
Bảng 9. So sánh các loại hộp giảm tốc.
Ta có tỉ số truyền u = 25, để đáp ứng yêu cầu nhỏ gọn, thuận lợi cho việc thiết kế, chế tạo và bảo dưỡng, ta chọn HGT NMRV–040.
STT Thông số Số liệu
1 Loại HGT HGT trục vít, cốt âm
2 Tỉ số truyền u = 25
3 Đường kính trục vào Φ1 = 14 (mm)
4 Đường kính trục ra Φ1 = 18 (mm)
5 Vật liệu Hộp kim nhôm
Bảng 10. Thông số kỹ thuật hộp giảm tốc NMRV-040.
46 Hình 3.7. Hộp giảm tốc NMRV 040 mặt bích 86x86.
47
3.4.Tính tốn thiết kế trục và khung
3.4.1.Chọn khớp nối trục
3.4.1.1.Chọn khớp nối
Lựa chọn khớp nối từ các phương án được đưa ra trên chương 2, theo nhu cầu thiết kế và các chức năng khác.
Bảng 11. So sánh giữa khớp nối linh động (Khớp nối đàn hồi) và khớp nốicứng. Từ các tiêu chí trên, kết hợp với các điều kiện làm việc của máy (Làm việc ở nhiệt Từ các tiêu chí trên, kết hợp với các điều kiện làm việc của máy (Làm việc ở nhiệt
độ bình thường, quay với tốc độ chậm, dừng lại thường xuyên nên moment khởi động lớn, độ lệch tâm trong quá trình hàn, gá vật…) Nên nhóm chúng em chọn khớp nối linh động.
Điều kiện chọn khớp nối: Tt ≤ 𝑇𝑘𝑛𝑐𝑝 dt ≤ 𝑑𝑘𝑛𝑐𝑝 Trong đó:
𝑇𝑘𝑛𝑐𝑝: Moment xoắn lớn nhất có thể truyền được (N.mm) 𝑑𝑘𝑛𝑐𝑝: Đường kính lớn nhất của nối trục (mm)
dt: đường kính trục cần nối (mm). Thiết bị Chỉ tiêu, đánh giá Giá thành Cao Thấp Độ lệch tâm Dùng được, có thể khử được độ lệch tâm Không dùng cho trục có độ lệch tâm, trục có sự duy chuyển tương đối
Khả năng chịu nhiệt Thấp, dưới 120oC Cao
Khả năng chịu lực Cao Cao
Rung lắc, chấn động Giảm Không giảm
Tỉ lệ truyền Cao Cao
Bảo trì Dễ Tùy loại
Lắp đặt Dễ Tùy loại
48 Đường kính trục cần nối được xác định sơ bộ bằng momen xoắn theo công thức (7.4) trang 192, sách Thiết kế Đồ án Chi tiết máy,TS Văn Hữu Thịnh – TS Nguyễn Minh Kỳ.
d ≥ 3√(0,2[τ]Tct = √102040,81 0,2.30
3
= 25,71 (mm)
Trong đó [τ] = 15…30 MPa ứng suất xoắn cho phép với vật liều là thép C45, lấy giá trị nhỏ với trục vào, lớn với trục ra, chọn [τ] = 30 MPa.
Moment xoắn tính tốn:
Tk = k.Tct = 1,2.102040,81 = 122448,97 (N.mm)
Trong đó K: hệ số chế độ làm việc, phụ thuộc vào loại máy, K = 1,2 (Bảng 16.1 trang 58, sách Thiết kế Hệ thống dẫn động cơ khí tập 2,Trịnh Chất).
Tra bảng 16.11 trang 58, sách Thiết kế Hệ thống dẫn động cơ khí tập 2,Trịnh Chất. Tk = 122448,97 (N.mm) ≤ 𝑇𝑘𝑛𝑐𝑝 = 125000 (N.mm)
dt = 25,71 (mm) ϵ 𝑑𝑘𝑛𝑐𝑝 = 25 ÷ 36 (mm) Ta chọn:
𝑇𝑘𝑛𝑐𝑝 = 250 (N.mm) dt = 30 (mm)
Dựa vào những số liệu đã tính tốn được, nhóm chúng em quyết định chọn khớp nối mềm SRJ-55C.
STT Thông số Số liệu
1 Loại khớp nối SRJ-55C
2 Vật liệu Nhôm, cao su
3 Chiều dài 78 (mm)
4 Kích thước lỗ số 1 18 (mm)
5 Kích thước lỗ số 2 25 (mm)
6 Bu lông M6
7 Momen xoắn, Momen xoắn tối đa Tkn = 60 (N.m), Tkn Max = 120 (N.m) Bảng 12. Thông số khớp nối mềm SRJ-55C.
49 Do kích thước lỗ trục tiêu chuẩn chọn theo dãy 12,15,16,18,19,20,22,24,25 được qui định sẵn, phù hợp với trục ra của hộp giảm tốc (18mm) nhưng không đáp ứng đường kính trục cơng tác (30mm) nên khớp chọn khớp nối với kích thước lỗ lớn nhất (25mm) rồi dùng phương pháp tiện để tăng kích thước lên 30mm.
Khơng thể chọn khớp nối lớn hơn (SRJ-65C) vì kích thước lỗ trục nhỏ nhất là 20, lớn hơn so với kích thước trục ra của hộp giảm tốc.
3.4.1.2.Kiểm tra ứng suất dập
Kiểm tra ứng suất dập lớn nhất sinh ra trên đĩa, theo công thức trang 70, sách Thiết kế dẫn động cơ khí tập 2, Trịnh Chất. 𝜎𝑑 = 24.𝑘.𝑇𝑘𝑛 𝑀𝑎𝑥.𝐷 𝐻(𝐷3− 𝑑3) = 24.1,2.55 18.(553−303) = 6,31 (MPa) < [𝜎𝑑] Trong đó: do = 1,2d D: đường kính khớp nối (mm) H: độ dày lớp cao su (mm)
[𝜎𝑑] = 7 Mpa khi n = 100 vòng/phút, theo trang 71, sách Thiết kế dẫn động