Khi đĩa xoay đưa phơi tới vị trí cuối (vị trí cụm sấy), xy lanh khí nén tác động đẩy để mở ngàm kẹp phơi. Sau đó xy lanh trên cụm sấy tác động để kéo phôi vào ngăn chứa trên xích tải.
Xích tải di chuyển từng nấc để lần lượt chứa phôi.
Việc sấy được thực hiện nhờ hệ thống đèn sấy khơ và quạt gió. Thơng số của q trình này là cường độ sáng của đèn và lưu lượng gió của quạt. Yếu tố thời gian được cố định, do số ngăn chứa trên xích tải và chu kỳ lấy phơi là cố định.
IV. NỘI DUNG 4: Tính tốn động lực học IV.1. Tính tốn động lực học cho cụm cấp phơi. IV.1. Tính tốn động lực học cho cụm cấp phôi.
39 1: Khay mica 2: Servo motor 3: Gối dẫn hướng 4: Vít me Hình IV.1: Cụm cấp phơi
Vít me được dẫn bởi một servo motor thông qua một bộ truyền đai có tỷ số truyền u = 1. Sau khi thiết kế, ta có được các thơng số để phục vụ q trình tính tốn như sau:
Tổng khối lượng của khay mica và gối trượt: W = 2,8 kg Hệ số ma sát của bộ ty trượt dẫn hướng: = 0,02
Hiệu suất của bộ truyền vít me: = 0,8 Momen cản của ổ lăn: = 10 . [6]
Vít me: Bước vít l = 6 mm, đường kính danh nghĩa, DN = 16 mm, trọng lượng Ws = 5 kgf.
Theo [6], momen cần thiết trên trục motor để di chuyển các khay mica là:
= ( + + ). (IV.1)
Trong đó:
là tổng tải dọc trục và tải ma sát trên cơ cấu dẫn hướng là tải preload Ta có: = 2 = 0,056.6 2. . 0,8 = 0,067 . (IV.2)
Với = + = 0 + 0,02.2,8 = 0,056 (Fbm là tải dọc trục, do khơng có tải dọc trục nên Fbm = 0)
40 Preload: = 2.8= 0,056 2.8 = 0,02 (IV.3) Tải preload: = 2 = 0,2.0,02.6 2 = 3,8. 10 . (IV.4) Với Kp = 0,1 – 0,3 [6], chọn Kp = 0,2 Vậy: = ( + + ). = (0,067 + 10 + 3,8. 10 ). 1 = 10,07 . (IV.5) Speed (rad/s) Time (s) 8 0 1 7 2,12
Hình IV.2: Đặc tính vận tốc chuyển động của vít me
Servo tăng tốc làm gối dẫn hướng tăng tốc, đến tốc độ ổn định, sau đó giảm tốc cho đến khi đạt đoạn đường 16,2mm là khoảng cách giữa 2 chổi trên khay thì dừng lại. Một chu trình bơi keo kéo dài 9s, gối dẫn hướng sẽ đạt vị trí cần thiết sớm hơn 1s, thời gian tăng tốc chiếm 1/8 quãng thời gian. Như vậy, mỗi chu kì hoạt động của servo kéo dài 8s , trong đó có 1s tăng tốc, 1s giảm tốc.
Trong 8s, đai ốc của vít me phải di chuyển một đoạn 16,2 mm, với bước vít l = 6 mm, suy ra vít me phải chuyển động với vận tốc:
=16,2
6.8 = 0,34 ị
= 2,12 / (IV.6)
Dựa vào Hình IV.2 ta thấy khoảng thời gian tăng tốc và giảm tốc là như nhau do đó: n = 2,12 rad/s cũng là vận tốc lớn nhất mà vít me phải đạt được. Vậy gia tốc góc của servo là:
=
ă ố
. =2,12
41 Momen quán tính của vít - me:
= 1 2 2 = 1 2.98005 16 2 1 = 0,016 . . (IV.8) Momen quán tính của tải:
= 2 = 2,8 9800 6 2 1 = 2,6. 10 . . (IV.9)
Dựa vào thiết kế trên Solidwork, ta xác định được tổng momen quán tính của hai pulley truyền động là:
= 1,14. 10 . . (IV.10)
Vậy momen quán tính của tải là:
= + + = 0,016 + 2,6. 10 + 1,14. 10 = 0,017 . . (IV.11) Gọi I0 là momen quán tính của motor. Vậy tổng momen quán tính của hệ là:
= + = + 0,017 . .
(IV.12) Chọn hệ số an tồn là = 2, ta tính momen cần thiết cho motor:
= . = 2.10,07 = 20,14 . (IV.13)
= . = ( + 0,017)2,12 = 2,12 + 0,036 . (IV.14) Chọn motor có Rate torque > 20,14 . , cho phép momen quán tính 0,017 kgf.mm.s2 và có Peak torque > 2,12 + 0,036 . .
IV.2. Tính tốn động lực học cho cụm bơi keo
1: Trục chính 2: Đĩa xoay 3: Pulley bị động 4: Pulley chủ động 5: Servo motor
42 Đĩa xoay được dẫn động bởi một servo motor thơng qua một bộ truyền đai có tỷ số truyền u = 0,5. Sau khi thiết kế, ta có được các thơng số để phục vụ q trình tính tốn như sau:
Momen qn tính của đĩa xoay: = 2,19 . . Momen quán tính của trục chính: = 0,13 . .
Momen quán tính của pulley bị động: = 13,9. 10 . . Momen quán tính của pulley chủ động: = 8,6. 10 . . Momen cản của ổ lăn: = 10 . [6]
Momen cần thiết trên trục motor để di chuyển các khay mica là:
= . = 10.0,5 = 5 . (IV.15)
Để thực hiện tác vụ bơi keo, cứ sau 2s thì đĩa xoay sẽ quay một góc π/2 (rad) để chuyển chổi đến các trạm bôi keo, thời gian di chuyển giữa các trạm là 1s, tăng tốc chiếm 1/5 quãng thời gian, giảm tốc chiếm 1/5 quãng thời gian. Như vậy, mỗi chu kì hoạt động của servo kéo dài 1s , trong đó có 0,2s tăng tốc, 0,2s giảm tốc như
Speed (rad/s) Time (s) 1 0 0,2 0,8 π/2
Hình IV.4: Đặc tính vận tốc chuyển động của đĩa quay
Servo motor dẫn động đĩa quay thơng qua bộ truyền đai có tỷ số truyền u = 0,5 nên đặc tuyến vận tốc của motor sẽ như Hình IV.5.
43 Speed (rad/s) Time (s) 1 0 0,2 0,8 π
Hình IV.5: Đặc tuyến chuyển động của motor Gia tốc góc của servo là: Gia tốc góc của servo là:
=
0,2= 5 / (IV.16)
Momen quán tính của tải là: = (2 + + ) +
= (2.2,19 + 0,13 + 13,9. 10 )0,5 + 8,6. 10 = 1,13 . . (IV.17) Gọi I0 là momen quán tính của motor. Vậy tổng momen quán tính của hệ là:
= + = + 1,13 . .
(IV.18)
Chọn hệ số an toàn là = 2, ta tính momen cần thiết cho motor:
= . = 2.5 = 10 . (IV.19)
= . = ( + 1,13)5 = 5 + 5,65 . (IV.20) Chọn motor có Rate torque > 10 . , cho phép momen quán tính 1,13 kgf.mm.s2 và có Peak torque > 5 + 5,65 .
44
IV.3. Tính tốn động lực học cho cụm dỡ phơi
1: Motor step 2: Vít me M16 B5 3: Gối dẫn hướng 4: Bộ khay Mica 5: Đế đỡ khay Mica Hình IV.6: Cụm dỡ phơi
Vít me được dẫn bởi một Step motor thông qua một nối trục. Sau khi thiết kế, ta có được các thơng số để phục vụ q trình tính tốn như sau:
Hệ có thể chứa được 15 khay Mica.Tổng khối lượng của 15 khay mica và gối trượt: W = 11,8 kg
Hệ số ma sát của bộ ty trượt dẫn hướng: = 0,02 Hiệu suất của bộ truyền vít me: = 0,8
Momen cản của ổ lăn: = 10 . [6]
Vít me: Bước vít l = 5 mm, đường kính danh nghĩa DN = 16 mm, trọng lượng Ws = 2 kgf.
Theo [6], momen cần thiết trên trục motor để di chuyển các khay mica là:
= ( + + ). (IV.21)
Trong đó:
là tổng tải dọc trục và tải ma sát trên cơ cấu dẫn hướng là tải preload Ta có: = 2 = 12,036.5 2. . 0,8 = 11,97 . (IV.22)
45 Với = + = 11,8 + 0,02.11,8 = 12,036 Preload: = 2.8= 12,036 2.8 = 4,3 (IV.23) Tải preload: = 2 = 0,2.4,3.5 2 = 0,68 . (IV.24) Với Kp = 0,1 – 0,3 [6], chọn Kp = 0,2 Vậy: = ( + + ). = (11,97 + 10 + 0,68). 1 = 22,56 . (IV.25) Chiều cao khay mica 27,5mm, bước vitme 5mm. Vít me quay 5,5 vịng thì khay sẽ tịnh tiến xuống ví trí để khay mới có thể đặt chồng lên. Thời gian cần thiết để thực hiện chuyển động trên, ta chọn bằng 30s. Tốc độ hoạt động của motor là:
=5,5.60
30 = 11 ò / ℎú (IV.26)
Do hoạt động với tốc độ thấp nên có thể bỏ qua lực qn tính. Chọn motor có đặc tính vận tốc – momen như sau: Với n = 11 vòng/phút, motor tạo ra torque T = 2.TM = 2.22,56 = 43,12 kgf.mm.
Chọn hệ số an toàn là = 2, ta tính momen cần thiết cho motor:
= . = 2.10,07 = 20,14 . (IV.27)
= . = ( + 0,017)2,12 = 2,12 + 0,036 . (IV.28) Chọn motor có Rate torque > 20,14 . , cho phép momen quán tính 0,017 kgf.mm.s2 và có Peak torque > 2,12 + 0,036 . .
46
V. NỘI DUNG 5: Thiết kế cơ khí (xem thêm chi tiết trong phụ lục bản vẽ) V.1. Thiết kế cơ khí cụm cấp phơi V.1. Thiết kế cơ khí cụm cấp phơi
V.1.1. Cơ cấu cấp khay
1: Khay chứa phôi 5: Cụm di chuyển khay chứa phôi
2: Cơ cấu tách khay chứa phôi 6: Cơ cấu chứa khay trống
3: Motor – cơ cấu truyền đai quay trục vít 7: Motor truyền động trục vít cụm chứa khay trống
4: Xi lanh nâng khay chứa phơi
Hình V.1: Cụm cấp khay
Kiểm nghiệm chi tiết số 5- Linear bearing LMUW-N20 (nhà cung cấp Misumi) theo tài liệu tham khảo [2]:
Máy hoat động 24h / 1 ngày. Ta kiểm nghiệm độ bền của Linear bearing trong vòng 5 năm, tương đương thời gian làm việc là L0 = 24.365.5 = 43800 (h). Chế độ tải: tĩnh, P = 28N (tương đương tổng khối lượng của khay mica và gối
trượt)
Số stroke trong 1 phút: Mỗi khay chứa 15 chổi, thời gian thao tác đối với mỗi khay là 9s suy ra thời gian thao tác đối với mỗi khay là 9.15 = 135(s). Sau 135s, cụm cấp phơi sẽ thay một khay khác vào, khi đó bộ dẫn hướng mới thực hiện được một stroke. Số stroke thực hiện trong 1 phút là: Nl = 0,44
47 Stroke: ls = 800 mm
Tốc độ: = 2. . = 2.800.0,44 = 720 / ℎú Độ cứng của trục dẫn hướng: HRC60
Với các thông số trên, thời gian sống của Linear bearing được tính theo cơng thức: = . . . . 50 = 1.1.1 1,2 . 2650 28 . 50 = 24,5 . 10 ( ) (V.1) = . 10 2. . . 60= 24,5. 10 . 10 2.800.0,44.60 = 580. 10 (ℎ) > (V.2) trong đó: o = 1, là hệ số độ cứng (trang 18, [2])
o = 1, là hệ số nhiệt độ, ở đây ta cho nhiệt độ của hệ dẫn hướng là ≤ 1000C (trang 18, [2])
o = 1, là hệ số tiếp xúc, (trang 19, [2])
o = 1.2, là hệ số tải trọng, được chọn với chế độ tải tĩnh và vận tốc < 15 m/phút (trang 19, [2])
o Vì Lh > L0 nên Linear bearing được chọn là thỏa yêu cầu đề ra
V.1.2. Cơ cấu đẩy chổi
Kiểm nghiệm chi tiết số 3 – Ray trượt MGW12C (nhà cung cấp Hiwin) theo tài liệu tham khảo [3]:
Máy hoat động 24h / 1 ngày. Ta kiểm nghiệm độ bền của ray trượt trong vòng 5 năm, tương đương L0 = 24.365.5 = 43800 (h).
Chế độ tải: dao động nhẹ, lực tải chủ yếu là trọng lượng của các chi tiết gá trên con trượt của bộ ray trượt. Dựa vào phần mềm Solidworks, lực tải được xác định là P = 5 N
Số stroke trong 1 phút: Cứ 9s thì xi lanh 1 sẽ kéo để đẩy chổi vào cụm bôi keo, do đó Nl = 6,7
48 Stroke: ls = 350 mm
Tốc độ: = 2. . = 2.350.6,7 = 4690 / ℎú Độ cứng của ray: HRC60
1: Xi lanh gạt phôi 3: Ray trượt – con trượt dẫn hướng 2: Xi lanh nâng hạ que gạt phôi 4: Que gạt phơi
Hình V.2: Cơ cấu đẩy phơi
Với các thơng số trên, thời gian sống của ray trượt được tính theo cơng thức: = . . . 50 = 1.1 1,5. 3920 5 . 50 = 7 . 10 ( ) (V.3) = . 10 2. . . 60= 7. 10 . 10 2.350.6,7.60= 2,5. 10 (ℎ) > (V.4) trong đó: o = 1, là hệ số độ cứng (trang 5, [3]).
o = 1, là hệ số nhiệt độ, ở đây ta cho nhiệt độ của hệ dẫn hướng là ≤ 1000C (trang 5, [3]).
o = 1.5, là hệ số tải trọng, được chọn với chế độ tải dao động nhẹ và vận tốc ≤ 60 m/phút (trang 5, [3]).
49
o Vì Lh > L0 nên ray trượt được chọn là thỏa yêu cầu đề ra. Một số chi tiết cụm cấp phơi:
Hình V.3: Gối đỡ bạc đạn trục vít me bi Hình V.4: Gối linear bushing
Hình V.5: Địn bẩy Hình V.6: Đầu xi lanh
V.2. Thiết kế cơ khí cụm bơi keo V.2.1. Cụm bôi keo đầu
Kiểm nghiệm chi tiết số 2 – Ray trượt MGN9C (nhà cung cấp Hiwin) theo tài liệu tham khảo [3]:
Máy hoat động 24h / 1 ngày. Ta kiểm nghiệm độ bền của ray trượt trong vòng 5 năm, tương đương L0 = 24.365.5 = 43800 (h)
Chế độ tải: dao động nhẹ, lực tải chủ yếu là trọng lượng của các chi tiết gá trên con trượt của bộ ray trượt. Dựa vào phần mềm Solidworks, lực tải được xác định là P = 6 N
50 Stroke: ls = 55 mm
Tốc độ: = 2. . = 2.55.6,7 = 737 / ℎú Độ cứng của ray: HRC60
1: Ống bơm keo 3: Xi lanh đẩy cụm bôi keo
2: Ray trượt – con trượt dẫn hướng 4: Cơ cấu chỉnh vị trí Hình V.7: Cụm bơi keo đầu
Với các thơng số trên, thời gian sống của ray trượt được tính theo cơng thức: = . . . 50 = 1.1 1,5. 1860 6 . 50 = 441 . 10 ( ) (V.5) = . 10 2. . . 60= 441. 10 . 10 2.55.6,7.60 = 9,97. 10 (ℎ) > (V.6) trong đó: o = 1, là hệ số độ cứng (trang 5, [3])
o = 1, là hệ số nhiệt độ, ở đây ta cho nhiệt độ của hệ dẫn hướng là ≤ 1000C (trang 5, [3])
o = 1.5, là hệ số tải trọng, được chọn với chế độ tải dao động nhẹ và vận tốc ≤ 60 m/phút (trang 5, [3])
51
V.2.2. Cụm bôi keo cạnh
1: Ống bơm keo 5: Ray trượt – con trượt dọc chiều bôi keo 2: Cơ cấu chỉnh vị trí 6: Vít me bi – đai ốc
3: Xy lanh đẩy cơ cấu bôi keo 7: Bộ truyền đai răng định thì 4: Ray trượt – con trượt ngang 8: Motor bước truyền động bôi keo
Hình V.8: Cụm bơi keo cạnh
Kiểm nghiệm chi tiết số 5 – Ray trượt MGN12C (nhà cung cấp Hiwin) theo tài liệu tham khảo [3]:
Máy hoat động 24h / 1 ngày. Ta kiểm nghiệm độ bền của ray trượt trong vòng 5 năm, tương đương L0 = 24.365.5 = 43800 (h).
Chế độ tải: tĩnh, lực tải chủ yếu là trọng lượng của các chi tiết gá trên con trượt của bộ ray trượt. Dựa vào phần mềm Solidworks, lực tải tác động lên một con trượt là P = 15 N
Số stroke trong 1 phút: Nl = 6,7 Stroke: ls = 30 mm
Tốc độ: = 2. . = 2.30.6,7 = 402 / ℎú Độ cứng của ray: HRC60
52 Với các thông số trên, thời gian sống của ray trượt được tính theo cơng thức:
= . . . 50 = 1.1 1 . 2840 15 . 50 = 6,7 . 10 ( ) (V.7) = . 10 2. . . 60= 6,7. 10 . 10 2.30.6,7.60 = 278. 10 (ℎ) (V.8) trong đó: o = 1, là hệ số độ cứng (trang 5, [3])
o = 1, là hệ số nhiệt độ, ở đây ta cho nhiệt độ của hệ dẫn hướng là ≤ 1000C (trang 5, [3])
o = 1, là hệ số tải trọng, được chọn với chế độ tải tĩnh và vận tốc ≤ 15 m/phút (trang 5, [3])
o Vì Lh > L0 nên bộ ray trượt được chọn là thỏa yêu cầu đề ra.
Kiểm nghiệm chi tiết số 6 – Vít me bi 8-2.5B1 Rolled ball screw (nhà cung cấp Hiwin) theo tài liệu tham khảo [3]:
Thơng số vít me:
Đường kính danh nghĩa: 8 mm Bước vít: 2,5 mm
Hệ số tải tĩnh: C0 = 317 kgf Hệ số tải động: C = 218 kgf Tốc độ: n = 300 vòng/phút
Hệ số ma sát của dẫn hướng: = 0,02 [3] Khối lượng tải: M = 6 kg
Máy hoat động 24h / 1 ngày. Ta kiểm nghiệm độ bền của ray trượt trong vòng 5 năm, tương đương L0 = 24.365.5 = 43800 (h).
Theo kết cấu của hệ, vít me khơng chịu lực hướng trục mà chỉ chịu lực ma sát của dẫn hướng và tải preload (trang 20, [3]).
Lực ma sát: = . . = 0,02 . 6.9,81 = 1,18 Preload: =
. = ,
53 Tổng tải tác động lên vít me: = + = 1,18 + 0,42 = 1,6
= . . 60 = 43800.300.60 = 788,4. 10 (V.9) = 10 / = 1,6. 788,4. 10 10 / = 14,78 < (V.10) Vì < nên vít me đã chọn là hợp lí.
V.2.3. Đĩa xoay định vị cụm bôi keo
Kiểm định ổ bi đỡ đĩa xoay B6004ZZ (nhà cung cấp Misumi) theo tài liệu [4]. Thông số của ổ bi đỡ đã chọn:
Khả năng tải tĩnh: C0 = 5,05 kN Khả năng tải động: C = 9,4 kN
Vận tốc đang hoạt động: n = 6,7 vòng/phút
Máy hoat động 24h / 1 ngày. Ta kiểm nghiệm độ bền của ổ bi đỡ trong vòng 5 năm, tương đương L0 = 24.365.5 = 43800 (h).
54 1: Xy lanh định vị đĩa xoay 6: Cơ cấu định vị phôi dưới đĩa xoay