II.1. Nghiên cứu – thực nghiệm cho cụm cấp phôi
Phương án 1:
Nghiên cứu – thực nghiệm phương án “Dùng cơ cấu bậc thang để tách nhóm, tách đơn chiếc và định vị 3 bậc tự do tịnh tiến của phôi từ một thùng chứa ngẫu nhiên”.
Hình II.1: Thử nghiệm cơ cấu bậc thang
Nhóm nghiên cứu đã gia cơng và thử nghiệm cơ cấu bậc thang tách phôi. Vật liệu gia công bậc thang làm bằng teflon, giảm hiện tượng ma sát khi tách phôi. Qua q trình chạy thử, có thể nhận thấy một số đặc điểm sau:
Đầu vào phải được định hướng tương đối và nhóm thành nhóm, nếu đầu vào ngẫu nhiên thì khơng thể tách được do độ cứng phôi rất thấp Cần người sắp đầu vào.
Khó định vị khi phơi ra khỏi cụm tách. Phương án 2:
32 phơi, dựa vào máng dẫn phơi có khả năng khống chế 2 bậc tự do tịnh tiến và 3 bậc tự do xoay”.
Hình II.2: Máng dẫn phơi
Nhóm nghiên cứu đã thực nghiệm phương án dùng máng dẫn phôi và cơ cấu tách phôi, tuy nhiên nguyên lý trọng lực khơng phù hợp với đặc thù hình dạng của phơi do một số nguyên nhân sau:
Phần lông chổi mềm khi xếp chồng lên nhau dễ làm cho phôi bị nghiêng hoặc xoay đảo chiều.
Một số phôi bị cong vênh do quá trình dập cắt từ thanh dài (quy trình sản xuất).
Hình II.3: Phơi bị cong vênh Phương án 3:
Nghiên cứu – thực nghiệm phương án “Sử dụng khay chứa phơi, có rãnh theo đúng biên dạng ngồi của phôi để khống chế 3 bậc tự do xoay và 2 bậc tự do tịnh tiến, chuyển phôi bằng cách di chuyển khay chứa và tác động lên 1 bậc tự do tịnh tiến còn lại”.
Đặc điểm của phương án dùng khay chứa phôi: Định vị phôi tốt
33 Dễ dàng khống chế phôi khi chuyển sang khâu tiếp theo
Tốn nhân cơng sắp phơi vào khay
Hình II.4: Khay chứa phơi
Phân tích lựa chọn phương án:
Dựa vào quá trình thực nghiệm 3 phương án trên, nhóm nghiên cứu nhận thấy phương án 3: “Sử dụng khay chứa phơi, có rãnh theo đúng biên dạng ngồi của phơi để khống chế 3 bậc tự do xoay và 2 bậc tự do tịnh tiến, chuyển phôi bằng cách di chuyển khay chứa và tác động lên 1 bậc tự do tịnh tiến còn lại” là phương án tối ưu và lựa chọn phương án này để thiết kế cụm cấp phôi.
II.2. Nghiên cứu – thực nghiệm cho cụm bôi keo
Như nội dung I.2.6 đã trình bày, nhóm nghiên cứu sẽ tự thiết kế và thử nghiệm cơ cấu bôi keo phù hợp với yêu cầu kỹ thuật và kinh tế đặt ra.
Thiết bị bôi keo dùng nguyên lý bơm định lượng, thực hiện theo chu trình sau: Trạng thái ban đầu: Van điều khiển ở vị trí 1, đóng tất cả các cửa. Áp suất khí
tác động lên pittong bằng mơi trường ngồi nên ống bơm keo không hoạt động. Q trình bơm keo: Van điều khiển được kích sang vị trí 2, áp lực khí nén tác
dụng lên pittong của ống bơm. Dưới áp lực khí nén tác động, keo được đẩy ra khỏi ống bơm. Lượng bơm keo phụ thuộc vào áp lực (chỉnh bằng van điều áp) và thời gian bơm (bộ điều khiển).
34 ngưng q trình bơm keo. Van điều khiển kích sang vị trí 3, áp lực khí nén tác động lên van chân không, tạo áp suất âm lên pittong để hút keo ngược vào ống bơm. Lượng keo hút ngược phụ thuộc vào thời gian (bộ điều khiển). Sau khi kết thúc quá trình hút, van điều khiển trở lại trạng thái ban đầu.
Hình II.5: Sơ đồ khí nén thiết bị bơm keo
II.3. Nghiên cứu – thực nghiệm cho cụm sấy
Cụm sấy sẽ được thực nghiệm và hiệu chỉnh trên máy đã lắp ráp. 1 2 3 4 6 5
1: Cụm đèn sấy khôi keo 4: Cơ cấu chứa phôi
2: Bánh xích 5: Motor truyền động xích tải
3: Phơi 6: Cụm quạt làm nguội và khơi keo
35
III. NỘI DUNG 3: Xây dựng sơ đồ động học tổng quát
36
III.2. Xây dựng sơ đồ động học cho cụm cấp phôi.
Phôi được chứa trong khay trung gian, người dùng xếp nhiều khay vào vị trí quy định của máy. Tại đây, cơ cấu tách khay có nhiệm vụ cấp từng khay cho bộ phẩn chuyển phôi.
Bộ phận chuyển phơi dùng cơ cấu vít me bi – đai ốc và động cơ servo để điều khiển vị trí. Bộ phận này lần lượt di chuyển phơi trên khay đến vị trí gạt vào cụm tiếp theo.
Khi khay trống, bộ phận chuyển phôi đưa khay tới khâu cuối và thả lên bộ phận chứa khay trống, sau đó quay về vị trí ban đầu lấy phơi tiếp theo.
Cơ cấu chứa khay trống hạ xuống theo khoảng cách bằng chiều cao của khay để chờ nhận thêm khay trống mới.
37
III.3. Xây dựng sơ đồ động học cho cụm bôi keo
Bộ phận di chuyển ống bơm keo dùng cơ cấu vít me bi – đai ốc và động cơ bước để điều khiển vị trí. Khi xy lanh đẩy ống bơm keo vào vị trí cơng tác, van điện từ điều khiển bơm keo được bật, và động cơ di chuyển cụm để thực hiện thao tác bôi keo theo cài đặt ban đầu.
Khoảng cách bôi, tốc độ, cách bôi (kéo qua lại, bôi 1 lần,...) được cài đặt trước trên màn hình giao diện điều khiển.
Hình III.2: Sơ đồ động học cụm bôi keo cạnh
38 Cơ cấu bôi keo đầu có cấu tạo đơn giản: sử dụng xy lanh để đưa ống bơm keo đến vị trí cơng tác, sau đó kích van điện từ điều khiển bơm keo.
Thông số bôi keo gồm áp lực bơm và thời gian bơm keo, 2 yếu tố này được người dùng cài đặt trước.
III.4. Xây dựng sơ đồ động học cho cụm sấy
Hình III.4: Sơ đồ động học cụm sấy và cụm đĩa xoay cấp phôi
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 ò
= 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 quán 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 thông 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 qn 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