CHƯƠNG 2 : PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ VÀ MƠ HÌNH HỐ
2.3.2. Ưu điểm của kết hợp 2 phương pháp thiết kế
Phương pháp thiết kế thuận cho phép người thiết kế sử dụng ý tưởng của chính mình để tạo ra chi tiết, máy… theo số liệu đã đo đạc. Sau đó sử dụng các phần mềm để tính tốn, phân tích CAD/CAM/CAE. Cuối cùng từ những phân tích như vậy để tối ưu hóa thiết kế trước khi đưa ra bản vẽ chế tạo gia công.
Phương pháp thiết kế ngược cho phép thiết kế nhanh và chính xác mẫu thiết kế có độ phức tạp hình học cao, hoặc mẫu dạng bề mặt tự do không xác định được.
Phương pháp thiết kế ngược giúp bớt đi 1 khâu sản xuất mẫu thử. Giảm bớt thời gian chế tạo dẫn tới năng suất cao.
Khi kết hợp 2 phương pháp này lại, chúng ta có tồn bộ thiết kế trên 3D, sau đó gia cơng lắp ráp thực tế, tránh tình trạng phải chế tạo thử nghiệm.
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Đưa ra kích thước thực tế của sản phẩm thơng qua mơ hình 3D trên máy tính. Xem xét rõ vị trí tương quan của các chi tiết máy, các cụm lắp ghép.
Có thể đưa ra các chi tiết theo dạng: Chi tiết gia công - chi tiết mua sẵn. Lúc này, với mỗi sản phẩm đều có thể cho ra 1 bộ dữ liệu bao gồm: bản vẽ gia công và biểu linh kiện mua hàng.
Nghiên cứu và phát triển sản phẩm mới.
Giáo dục- cho tào đạo, trình chiếu và mơ hình hóa thiết kế số hóa.
Thời trang và dệt may- thiết kế cho vừa các kích cỡ quần áo và xác định kích thước, và kích cỡ chuẩn.
35
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
2.3.4. Mơ hình hóa các chi tiết
(a) (b)
(c) (d)
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.16: Thiết kế các chi tiết trên phần mềm Autodesk Inventor
(a)Tấm đỡ (b)Bích xoay lấy dây
(c) Bích đỡ cụm cụm lấy dây trên (d)Bích đỡ cụm cụm lấy dây trên (e) Bích gá động cơ mở kẹp (f) Bích gá động cơ kéo cắt
37
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
2.3.5. Mơ hình hóa các cụm
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.18: Lắp ráp cụm kéo cắt trên Autodesk Inventor
39
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
2.4. Lý thuyết về động cơ Servo
2.4.1. Giới thiệu về động cơ Servo
Động cơ servo là những hệ hồi tiếp vịng kín, tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bất kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận được tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác. [6]
2.4.2. Ưu điểm của động cơ Servo [20-21]
- Tăng tốc độ đáp ứng: Các động cơ bình thường, muốn chuyển từ tốc độ này
sang tốc độ khác thì cần một khoảng thời gian quá độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải tăng/giảm tốc nhanh chóng để đạt được một tốc độ mong muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặc đạt được một vị trí mong muốn nhanh nhất.
- Tăng khả năng đáp ứng: Đáp ứng ở đây cần được hiểu đó là sự tăng/giảm tốc
cần mượt mà, nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần như là một hằng số, quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách tuyến tính. Để làm được điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.
- Điều chỉnh được nhiều tốc độ: Động cơ Servo được điều chỉnh bằng số xung,
là điều khiển trơn nên giá trị vị trí và tốc độ có thể thay đổi. So với động cơ thường thì chỉ có 1 tốc độ, cịn động cơ bước (step) thì vị trí phụ thuộc vào bước, nên vị trí khơng thể tinh chỉnh.
- Khả năng ổn định tốc độ: Động cơ servo loại này thường được thiết kế sao cho
vận tốc quay của nó rất ổn định. Như ta đã biết khơng có mạch điện hồn hảo, khơng có từ trường hoàn hảo trong thực tế. Động cơ servo khác biệt với động cơ thường là ở chỗ độ ổn định tốc độ khá cao. Các động cơ loại này thường được sử dụng trong các ứng dụng địi hỏi tốc độ chính xác
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.20: Động cơ Servo và bộ điều khiển [31]
2.4.3. Cấu tạo động cơ servo
Cấu tạo cơ bản của động cơ servo gồm: - Nam châm vĩnh cữu
- Lõi sắt phần ứng - Bộ encoder - Vỏ
- Cuộn dây phần ứng
Nguyên lý hoạt động cơ bản của Encoder: Nguyên lý hoạt động cơ bản của
encoder đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Người ta dùng một đèn led chiếu sáng trên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ khơng có lỗ (rãnh), đèn led khơng chiếu xun qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xun qua. Khi đó, phía mặt ben kia của đĩa, người ta đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, người ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng.
Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã quay được một vòng.
41
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.21: Điều khiển vịng kín (servo) [21]
Trong đó:
Plant là hệ thống cần được điều khiển.
Controller: Cung cấp tín hiệu điều khiển cho plant, được thiết kế để điều khiển toàn bộ đáp ứng của hệ thống.
2.4.4. Ảnh hưởng của các yếu tố đến động cơ Servo
- Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại đến động cơ Servo:
Độ khuếch đại là hệ số đánh giá định lượng khả năng về tác động tăng công suất hoặc biên độ của tín hiệu từ ngõ vào đến ngõ ra. Độ khuếch đại của động cơ ảnh hưởng đến momen của động cơ.
Hình 2.22: Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại đến momen động cơ [21]
Từ đồ thị trên, nhận thấy rằng hệ số khuếch đại càng lớn thì thời gian đáp ứng càng nhanh và momen ban đầu càng lớn. Hệ số này rất quan trọng trong khi sử dụng để tăng tốc và giảm tốc động cơ.
- Ảnh hưởng của khối điều khiển đến động cơ Servo:
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Mom en (N.m m ) Thời gian (t)
Ảnh hưởng của hệ số khuếch đại
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
cho một mạch RC.
Hình 2.23: Khối điều khiển động cơ Servo [11]
Nó có mối quan hệ đầu ra và đầu vào được cho bởi công thức: ( ) 1
( ) 1
C s R s =Ts
+ (1.1)
Biến đổi Laplace của hàm đơn vị 1/s, tức là thay R(s) = 1/s ta có: 1 1 ( ) . 1 C s Ts s = + (1.2)
Biến đổi ta được:
1 1 1 ( ) 1 1 T C s s Ts s s T = − = − + + (1.3) Khi hằng số thời gian càng nhỏ thì phản ứng của hệ thống càng nhanh. Kết quả cuối cùng được chứng minh theo cơng thức sau:
0 1 1 . t T t dc e dt T T − = = = (1.4) Trong đó 1/T được gọi là độ dốc của đường cong đáp ứng.
43
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.24: Quan hệ giữa đường cong đáp ứng và thời gian [6]
Lần lượt thay đổi giá trị điều khiển ở toán tử Laplace, giữ nguyên hệ số khuếch đại và khối giảm nhiễu thì ta có sơ đồ đáp ứng sau:
Hình 2.25: Ảnh hưởng của biến điều khiển đến momen động [21]
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
Ảnh hưởng của khối điều khiển
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
ứng của động cơ càng chậm.
2.5. Bộ truyền đai răng
2.5.1. Giới thiệu
Bộ truyền đai răng là bộ truyền chuyển động và mômen giữa các trục nhờ ăn khớp giữa các răng và được ứng dụng rộng rãi. Để giải quyết những yêu cầu kỹ thuật khác nhau người ta dùng bộ truyền đai răng với nhiều loại biên dạng khác nhau.
Hình 2.26: Bộ truyền đai răng [14]
Bộ truyền đai răng có các răng tương tự bánh răng, ăn khớp vào các rãnh tương ứng trong pulley. Khác với hầu hết các đai khác, loại đai này không truyền động thông qua lực kéo dựa trên chiều dày, thay vào đó, đai có cấu trúc bản mỏng, khả năng truyền động là từ các dây cáp thép và các răng có độ dai cao.
Nhờ truyền động bằng ăn khớp nên bộ truyền đai răng tránh đi tình trạng trượt đàn hồi của bộ truyền đai thang, và có thể truyền động giữa 2 trục xa nhau, tỷ số truyền ổn định như bánh răng, hiệu suất cao.
45
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
2.5.2. Các thành phần của đai răng
Hình 2.27: Thành phần đai răng [14]
Thành phần cơ bản của đai răng là vật liệu tổng hợp có độ bền cao được dùng trong kết cấu truyền động đai răng. Ba thành phần chính của đai răng đó là:
- Nền cao su neoprene: mặt lưng (2) và mặt răng (3) - Các dây cáp thép (1)
- Các răng neoprene với lớp mặt là nylon (4).
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 2.29: Đồ thị biểu thị lực ở các nhánh dẫn phụ thuộc vào lực căng ban đầu [13]
Flkb là lực kéo nhánh bị dẫn. Flkd là lực kéo nhánh dẫn.
Fwlkd là lực động học nhánh dẫn. Fs là lực kéo dây đai.
Fv là lực căng ban đầu
0 20 40 60 80 100 120 140 11.6 20 30 40 60 80 100 Fs Fv Flkb Flkd Fwlkd
47
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ CỦA CÁC CỤM CƠ CẤU CỦA MÁY HÀN QUAI KHẨU TRANG
3.1. Phân tích ngun lý, thời gian của tồn máy
Hình 3.1: Ngun lý máy hàn quai khẩu trang
Nguyên lý: Phôi khẩu trang sẽ được đưa vào cụm khay (1), sau đó cụm khay chuyển động từng bước khay, đưa khẩu trang tại vị trí hàn quai (3). Cụm hàn quai (2) sẽ hàn quai khẩu trang đã được chuẩn bị trước từ cụm lấy dây (4) đến phôi khẩu trang. Tiếp tục hàn ở quai phải (2 quai hàn 2 lần). Sau đó, khẩu trang sẽ được đưa tới cụm gập quai (7), thơng qua đầu gập có nhiệt, quai khẩu trang sẽ được gập vào trong phôi khẩu trang để có thể dễ đóng gói. Cuối cùng, qua bộ ra (8), khẩu trang sẽ được xếp thành chồng
1 8 4 7 6 2 3
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
được cắt thông qua cụm (6) để chuẩn bị cho khẩu trang tiếp theo. Thông số thiết kế khẩu trang:
- Kích thước phơi khẩu trang: Dài x Rộng = 175 x 95 mm. - Kích thước dây thun quai: chiều dài từ 165 ÷ 175mm.
Bảng 1: Ước tính thời gian thực hiện, các thao tác chính và thao tác đồng thời
Bảng 2: Xử lý số liệu từ thời gian
XỬ LÝ SỐ LIỆU Thời gian Thao tác Thời gian bước trước Thời gian thực hiện Đơn vị
Bước 1 Băng tải chạy 1 khay vào vị trí 0 100 ms
Trễ 1 100 -100 ms
Bước 2 Xoay lấy dây thun 0 120 ms
Trễ 2 120 10 ms
Bước 3 Kẹp dây 130 80 ms
Trễ 3 0 ms
Bước 4 Cụm kéo cắt vào + cắt dây 210 150 ms
49
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Bước 5 Đầu hàn đi xuống + thời gian hàn 360 230 ms
Trễ 5 0 ms
Bước 6 Nhả dây quai đã được hàn ra 590 100 ms
Trễ 6 0 ms
Bước 7 Đầu hàn đi lên 690 80 ms
Tổng thời gian 770 ms
Bảng 3: Thời gian và năng suất theo mục tiêu và thực tế
Thông số Thời gian Đơn vị
Thời gian hàn 150 ms
Thời gian xuống hàn 80 ms
Thời gian xoay kéo dây 100 ms
Thời gian cắt kéo 50 ms
Năng suất mục tiêu 85 cái/phút
Năng suất đạt được thực tế 77,9 cái/phút Thông số về năng suất tính tốn:
- Thời gian hàn: 70 ÷ 150 ms.
- Thời gian động cơ đi xuống để hàn: 60 ÷ 80 ms. - Thời gian động cơ xoay kéo dây: 80 ÷ 120 ms. - Thời gian động cơ cụm kéo cắt: 40 ÷ 50 ms.
Ngoài ra, thời gian trễ của các bước cũng được liệt kê ở Bảng 2.
Tổng thời gian thực hiện để hàn 1 khẩu trang từ phơi đến hồn thiện: 770 ms. Vì vậy, năng suất của máy hàn quai: 𝑁 =1000×60
770 = 77.9 cái/phút. Năng suất nằm trong
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Hình 3.2: Biểu đồ phân bố thời gian theo tính tốn
3.2. Tính tốn thiết kế các cụm chính của máy quai khẩu trang
3.2.1. Cụm cấp phôi
Cụm cấp phôi khẩu trang vào máy quai dùng để cấp phôi từ máy thân sang máy quai, sau đó sẽ đưa đến các vị trí hàn. Cụm này sẽ hoạt động độc lập, mỗi lần sẽ di chuyển 1 bước, đến khi các cụm hàn quai và gập quai hồn thành thì sẽ hoạt động bước tiếp theo.
Phôi khẩu trang sẽ được chứa trên các khay chứa, mỗi khay chứa 1 khẩu trang. Có các cách để dẫn động như sau:
- Truyền động bằng băng tải cao su. - Truyền động bằng băng tải dùng xích.
Vì lý do băng tải dẫn động này là các khay chứa nên lựa chọn sử dụng xích để tải. Ngồi ra, xích tải mang các khay nên xích sử dụng là xích có bách dẫn. u cầu đặt ra là xích sẽ dẫn hướng nên sử dụng 2 đĩa xích để truyền động và dẫn hướng.
a. Tính tốn chọn xích
51
THƯ VIỆN TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG.
Lưu hành nội bộ
Vận tốc tải nhỏ dưới 10÷ 15m/s nên xích được chọn là xích ống con lăn 1 dãy, và cũng dễ mua hàng sẵn trên thị trường.
Loại xích: Xích 35(ANSI), 1 dãy xích. Bước xích: t = 9,525mm. - Số răng đĩa xích:
Tỉ số truyền được chọn trong băng tải là u=1 nên chọn xích có số răng là 33 răng. Công suất cần truyền: 𝑁 = 𝑃 .𝑣
1000= 80 .0,25
1000 = 0,02 𝑘𝑤 [4]
với P = 80 N (xích có tải trọng 8kg) và v = 0,25 m/s là vận tốc tải. Công suất cần thiết cho động cơ:
𝑁𝑐𝑡 = 𝑁. 𝑘
Với: k = kđ. kA.k0.kđc.kb.kc [1]
kđ: Hệ số xét đến tải trọng ngoài, chọn kđ=1,25 vì có va đập kA: Hệ số xét đến chiều dài xích, A > 80t nên chọn kA = 0,8
k0: Hệ số xét đến cách bố trí bộ truyền. Chọn k0 = 1
kđc: Hệ số xét đến khả năng điều chỉnh lực căng xích, chọn kđc = 1 kb: Hệ số xét đến bơi trơn, vì ít bơi trơn nên chọn kb = 0,7
kc: Hệ số xét đến chế độ làm việc của bộ truyền, chọn 3 ca nên kc = 1,45 Khi đó, k = 1,25.0,8.1.1.0,7.1,45 = 1,015
Nên công suất cần thiết là: 𝑁𝑐𝑡 = 𝑁. 𝑘 = 0,02.1,015 = 0,0203 𝑘𝑊
Tra bảng 6.4 [4], ta có Nct < [N] nên số răng đáp ứng được. Chọn số răng đĩa xích là Z = 33 răng.