− Khâu: trong cơ cấu và máy, toàn bộ những bộ phận có chuyển động tƣơng đối đối so với các bộ phận khác gọi là khâu
Hình 3.6:Chuyển động của trục cầu trên ô tô − Bậc tự do (BTD)
+ Một khả năng chuyển động độc lập đối với một hệ quy chiếu → một BTD z x y + Giữa hai khâu trong mặt phẳng → 3 BTD: Tx, Ty, Qz
+ Giữa hai khâu trong không gian → 6 BTD: Tx, Ty, Tz, Qx, Qy, Qz
15
Bậc tự do của cơ cấu là số thông số độc lập cần thiết để xác định hồn tồn vị trí của cơ cấu, nó cũng là số khả năng chuyển động tƣơng đối độc lập của cơ cấu đó.
Cơng thức tính bậc tự do
Đối với cơ cấu không gian
Đối với cơ cấu phẳng trừ cơ cấu chêm
với : số khâu động : loại khớp động : số khớp loại : số ràng buộc trùng : số ràng buộc thừa : số BTD thừa
Theo số BTD bị hạn chế: Khớp động loại k hạn chế k bậc tự do hay có k ràng buộc
Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, các khớp đƣợc biểu diễn trên những hình vẽ bằng những lƣợc đồ quy ƣớc
16
Các khâu cũng đƣợc thể hiện qua các lƣợc đồ đơn giản gọi là lƣợc đồ khâu
Hình 3.9: Lƣợt đồ khâu pít tơng thanh truyền
Trên lƣợc đồ khâu phải thể hiện đầy đủ các khớp động, các kích thƣớc có ảnh hƣởng đến chuyển động của khâu và chuyển động của cơ cấu
3.2.5 Lực ma sát
Trong vật lý học, ma sát là một loại lực cản xuất hiện giữa các bề mặt vật chất, chống lại xu hƣớng thay đổi vị trí tƣơng đối giữa hai bề mặt.
Lực ma sát làm chuyển hóa động năng của chuyển động tƣơng đối giữa các bề mặt thành năng lƣợng ở dạng khác. Việc chuyển hóa năng lƣợng thƣờng là do va chạm giữa phần tử của hai bề mặt gây ra chuyển động nhiệt hoặc thế năng dự trữ trong biến dạng của bề mặt hay chuyển động của các electron, đƣợc tích lũy một phần thành điện năng hay quang năng. Trong đa số trƣờng hợp trong thực tế, động năng của các bề mặt đƣợc chuyển hóa chủ yếu thành nhiệt năng.
Có thể xấp xỉ lực ma sát tỷ lệ với lực ép hai bề mặt lên nhau, áp lực F0 vng góc với hai bề mặt, và hệ số ma sát k giữa các vật liệu:
F = F0k
Hệ số ma sát
Hệ số ma sát khơng phải là một đại lƣợng có đơn vị, nó biểu thị tỉ số của lực ma sát nằm giữa hai vật trên lực tác dụng đồng thời lên chúng. Hệ số ma sát phụ thuộc vào chất liệu làm nên vật; ví dụ nhƣ, nƣớc đá trên thép có hệ số ma sát thấp (hai vật liệu có thể trƣợt dễ dàng trên bề mặt của nhau), cao su trên mặt đƣờng có hệ số ma sát lớn(hai loại vật liệu không thể dễ dàng trƣợt trên bề mặt của nhau). Các hệ số ma sát có thể nằm trong khoảng từ 0 cho tới một giá trị lớn hơn 1- trong điều kiện tốt, lốp xe trƣợt trên bê tơng có thể tạo ra hệ số ma sát với giá trị là 1,7.
17
Lực ma sát ln ln có xu hƣớng chống lại chuyển động (đối với lực ma sát động) hoặc xu hƣớng chuyển động (đối với ma sát nghỉ) giữa hai bề mặt tiếp xúc nhau. Ví dụ nhƣ, một hịn đá trƣợt trên băng đã chịu tác dụng của lực ma sát động làm chậm nó lại. Một ví dụ về lực ma sát chống lại xu hƣớng chuyển động của vật, bánh xe của một chiếc xe đang tăng tốc chịu tác dụng của lực ma sát hƣớng vế phía trƣớc; nếu khơng có nó bánh xe sẽ bị trƣợt ra phía sau. Chú ý rằng trong trƣờng hợp này lực ma sát không chống lại chiều chuyển động của phƣơng tiện mà nó chống lại xu hƣớng trƣợt trên đƣờng của lốp xe.
Hệ số ma sát là một đại lƣợng mang tính thực nghiệm; nó đƣợc xác định ra trong những giá trị cao hơn cho hệ số ma sát. Hầu hết các vật liệu khô kết hợp với nhau cho ta hệ số ma sát nằm trong khoảng từ 0.3 đến 0.7. Các giá trị ngoài tầm này thƣờng rất hiếm gặp, nhƣng Teflon có thể có hệ số ma sát thấp với giá trị là 0.04. Hệ số ma sát có giá trị khơng chỉ x́t hiện trong trƣờng hợp bay lên nhờ có từ trƣờng. Cao su trên các mặt tiếp xúc khác thƣờng có hệ số ma sát nằm trong khoảng 1,0 đến 2.
Chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn
Các ổ bi, chuyển ma sát trƣợt thành ma sát lăn, giúp giảm đáng kể ma sát trong các hệ thống cơ học.
Lực ma sát lăn có hệ số rất nhỏ so với hệ số ma sát trƣợt và có cơng thức: Fmsl = N × k
3.2.6 Lý thuyết bền a. Khái niệm a. Khái niệm
Khi kiểm tra độ bền thanh chịu kéo, nén đúng tâm (trạngthái ứng suất đơn chỉ có
z ), ta có các điều kiện sau: max 1 k ; min 3 n
Nếu muốn kiểm tra bền một điểm ở trạng thái ứng suất phức tạp (phẳng, khối) có cả 1 , 2 , 3 ta cũng phải có những kết quả thí nghiệm phá hoại mẫu thử ở trạng thái ứng suất tƣơng tự. Những thí nghiệm nhƣ thế khó thực hiện vì:
+ Số thí nghiệm phải nhiều mới đáp ứng đƣợc tỷ lệ giữa các ứng śt chính + Trình độ kỹ thuật chƣa cho phép (thí nghiệm nhƣ kéo theo 3 phƣơng).
Vì những nguyên nhân trên, nên khi kiểm tra ở những điểm có trạng thái ứng suất phức tạp ngƣời ta khơng thể dựa vào kết quả thí nghiệm trực tiếp mà phải đặt ra các giả thuyết về nguyên nhân phá hoại của vật liệu và dùng để đánh giá độ bền của mọi trạng thái ứng suất trong khi chỉ biết độ bền của vật liệu ở trạng thái ứng suất đơn (thí nghiệm kéo, nén).
18
b. Các thuyết bền cơ bản:
Thuyết bền ứng suất pháp cực đại (TB 1)
Nội dung thuyết bền: “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do ứng suất pháp cực đại của phân tố ở TTƢS phức tạp đạt đến ứng suất nguy hiểm của phân tố ở trạng thái ứng suất đơn.”
Gọi ok , on : là ứng suất nguy hiểm khi kéo, nén (Trạng thái ứng suất đơn ) n : là hệ số an tồn
Ta có cơng thức kiểm tra bền: ok k
t n
1 1
on n
t n
1 3
Thuyết bền biến dạng dài tƣơng đối cực đại (TB 2)
Nội dung thuyết bền: “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do biến dạng dài tƣơng đối cực đại của phân tố ở trạng thái ứng suất phức tạp đạt đến biến dạng dài tƣơng đối ở trạng thái nguy hiểm của phân tố ở trạng thái ứng suất đơn.”
Ta có cơng thức kiểm tra bền : ok k
t n
2 1 2 3
Khi biến dạng co ngắn : on n
t n
2 3 1 2
Ƣu điểm: Có xét đến 3 ứng suất chính.
Nhƣợc điểm: Qua thí nghiệm thấy chỉ phù hợp với vật liệu giịn, khơng thích hợp với vật liệu dẻo.
Thuyết bền ứng suất tiếp cực đại (TB 3)
Nội dung thuyết bền: “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do ứng suất tiếp cực đại của phân tố ở TTƢS phức tạp đạt đến ứng suất tiếp nguy hiểm của phân tố ở trạng thái ứng suất đơn.
Gọi: maxlà ứng suất tiếp cực đại ở trạng thái ứng suất phức tạp (khối).
o
ứng suất tiếp nguy hiểm khi kéo theo 1 phƣơng (trạng thái ứng suất đơn). n : là hệ số an toàn .
Ta có cơng thức: ok k
t n
3 1 3
− Ƣu điểm: Qua thực nghiệm thấy phù hợp với vật liệu dẻo
19
Thuyết bền thế năng biến đổi hình dáng cực đại (TB 4)
Nội dung thuyết bền: “Nguyên nhân vật liệu bị phá hoại là do thế năng biến đổi hình dáng của phân tố ở trạng thái ứng suất phức tạp đạt đến thế năng biến đổi hình dáng của phân tố ở trạng thái ứng śt đơn.”
Ta có cơng thức: t 2 12 23 31 k 3 2 2 2 1 4
Ƣu điểm: Có tính đến 2. Phù hợp với vật liệu dẻo. Hiện nay áp dụng nhiều trong tính tốn xây dựng và cơ khí.
Nhƣợc điểm: Khơng phù hợp với vật liệu giịn. Khơng giải thích đƣợc trƣờng hợp kéo theo 3 phƣơng với cùng giá trị ứng suất
Thuyết bền về các trạng thái ứng suất giới hạn ( TB Mor hay TB 5 )
Ta có cơng thức: 3 k on ok 1 5 t
Trong đó: 1, 3 là ứng suất chính của phân tố ở trạng thái ứng suất phức tạp. ok,on là các giới hạn nguy hiểm của phân tố ở TTƢS đơn.
Ƣu điểm:
Thuyết bền này áp dụng cho vật liệu giịn (hay vật liệu có giới hạn bền kéo và nén khác nhau) và cả vật liệu dẻo. Thuyết bền này không cần đề ra những giả thuyết mà căn cứ trực tiếp vào các TTƢS khối biểu thị bằng những vịng trịn chính để xét độ bền của vật liệu.
Nhƣợc điểm:
+ Không kể đến ảnh hƣởng của 2 và đơn giản hoá đƣờng cong giới hạn bằng đƣờng thẳng
+ Cơng thức tính t Mor chỉ cho kết quả chính xác khi vịng trịn giới hạn của TTƢS đang xét nằm trong khoảng 2 vòng tròn giới hạn kéo và nén.
3.2.7. Phƣơng pháp lập trình điều khiển trình tự a. Giới thiệu
Trong công nghiệp, hầu hết các dự án điều khiển xảy ra một cách trình tự, khâu xử lý sau chậm hơn khâu xử lý trƣớc một khoảng thời gian xác định. Ví dụ nhƣ q trình chuyển động mới bắt đầu nếu nhƣ một quá trình khác đƣợc kết thúc.
Vấn đề này có thể đƣơc giải quyết bằng điều khiển liên kết , với việc kết nối cứng các điều kiện trong chƣơng trình. Nhƣng ở đây chỉ ra rằng từ một khuôn khổ điều khiển
20
đã biết thì việc giải quyết vấn đề bằngđiều khiển liên kết là rất khó đọc chƣơng trình và viêc tìm lỗi phải mất nhiều thời gian.
Nếu một dự án đƣợc thực hiện theo phƣơng pháp điều khiển trình tự thì cấu trúc chƣơng trình có thể nhận biết một cách dễ dàng và dự án có thể đƣợc biểu diễn bằng hình ảnh. Điều khiển trình tự giúp cho ngƣời đọc đọc chƣơng trình một cách dễ dàng, chƣơng trình điều khiển đƣợc trình bày theo cấu trúc, ƣu điểm của nó là giúp cho việc lập trình, thay đổi và tìm lỗi các dự án một cách có hiệu quả.
Ƣu điểm của phƣơng pháp điều khiển trình tự là :
Thiết kế lập trình nhanh và đơn giản
Cấu trúc chƣơng trình rõ ràng
Thay đổi dễ dàng trình tự thực hiện
Nhận biết nhanh chóng các nguyên nhân gây ra lỗi
Nhiều kiểu hoạt động khác nhau có thể thực hiện đƣợc.
Từ các ƣu điểm này mà trong thực tế rất nhiều bài toán điều khiển đƣợc giải quyết bằng phƣơng pháp điều khiển trình tự. Điều khiển trình tự có thể chia ra làm hai loại:
Điều khiển trình tự theo thời gian:
Ở điều khiền trình tự theo thời gian thì điều kiện chyển tiếp chỉ phụ thuộc vào thời gian. Các khâu định thời , bộ đếm thời gian…. để tạo ra điều kiện chuyển tiếp.
Điều khiển trình tự theo quá trình:
Ở điều khiển trình tự theo quá trình thì điều kiện chuyển tiếp phụ thuộc vào các tín hiệu của thiết bị đƣợc điều khiển. Các thông báo về từ các sự kiện của xử lý có thể là vị trí van các bộ giám sát hoạt động, lƣu lƣợng áp suất, nhiệt độ, độ dẫn , độ nhờn… Trong nhiều trƣờng hợp các thông báo về từ việc xử lý phải đƣợc biến đổi thành tín hiệu nhị phân.
Một dạng của điều khiển trình tự phụ thuộc vào quá trình xử lý của điều khiển theo hành trình, điều kiện chuyển tiếp của nó chỉ phụ thuộc vào các tín hiệu hành trình của thiết bị đƣợc điều khiển.
Cấu trúc chung của một chƣơng trình điều khiển
Đoạn chƣơng trình điều khiển chế độ hoạt động Khởi tạo vị trí cơ bản:
Các thiết bị vật lý đƣợc điều khiển có vị trí cơ bản, ví dụ khi các cơ cấu tác động ở các trạng thái OFF và các cơng tắc hành trình ở vị trí hở. Tất cả các yếu tố này có thể đƣợc tổ hợp logic với nhau để báo hiệu và khởi tạo vị trí cơ bản, và đƣợc lập trình nhƣ một bƣớc trong chuỗi trình tự.
21
Hầu hết các điều khiển trong cơng nghiệp đều có nút khởi động(Start) và nút dừng (Stop) mà có thể lập trình cho hành vi của chúng. Các nút này đƣợc lập trình bằng các tiếp điểm logic thực hiện khởi động hay dừng toàn bộ hoạt động điều khiển của PLC. Cũng có thể có một cơng tắc bằng tay để cho phép hay không cho phép các ngõ ra, dùng khi kiểm tra chƣơng trình.
Đoạn chƣơng trình xử lý điều khiển
Bao gồm việc thiết kế và lập trình các điều khiển dùng cơ chế trình tự hay logic tổ hợp, các kết quả của sự tổ hợp logic trên thƣờng khơng trực tiếp kích các cơ cấu chấp hành, mà thông qua các ô nhớ trung gian.
Đoạn chƣơng trình kích các ngõ ra
Các tín hiệu ngõ ra dùng để kích cơ cấu tác động đƣợc khóa lẫn nhau bởi các ơ nhớ trung gian hình thành từ các đoạn chƣơng trình xử lý điều khiển.
Đoạn chƣơng trình xuất các chỉ thị , chỉ báo
Các trạng thái của quá trình hoạt động thƣờng đƣợc biểu thị bằng đèn, chng…. Để ngƣời vận hành máy có các quyết định thích hợp.
Việc lập trình theo cấu trúc nhƣ trên nhằm làm cho chƣơng trình điều khiển có độ tin cậy cao hơn, dễ hiểu hơn, cho phép xác định lỗi nhanh chóng và rút ngắn đƣợc thời gian bảo trì, sửa chữa.
22
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 4.1 Yêu cầu của hệ thống: 4.1 Yêu cầu của hệ thống:
Hệ thống vận chuyển đƣợc thiết kế và lắp đặt tại trong môi trƣờng công nghiệp, khi khảo sát đo đạt và trao đối với công ty ta nhận đƣợc những thông số, yêu cầu nhƣ sau:
Trong một khu vực làm việc gồm có 5 bàn, yêu cầu một hệ thống vận chuyển vật từ bàn 1 qua bàn 2, tƣơng tự bàn 2 qua bàn 3…Vật di chuyển từ bàn 1 qua bàn 2 khi tới giữa hai bàn thì dừng lại, chờ khi nào vật từ bàn 2 đƣợc vận chuyển qua bàn 3 thì mới đƣợc đi tiếp.
Khoảng cách giữa các bàn làm việc, chiều cao của bàn, khoảng cách từ bàn lên tới hệ thống thanh treo của xƣởng là những thông số đã đo đạt đƣợc.
Vật cần vận chuyển là bộ dây điện trên xe ô tô đƣợc công ty sản xuất cho các công ty hãng xe lớn nhƣ Toyota, Mazda, Suzuki, Mitsubishi .v.v…
Do vật là cụm dây điện có hình tua nhiều nhánh khơng có hình dáng khối vng, hộp, trụ thƣờng thấy trong cơng nghiệp, nên u cầu tính tốn thiết kế cơ cấu giữ vật tối ƣu nhất.
23
Cụm dây có khối lƣợng từ 10-20kg qua mỗi bàn cho công nhân thao tác quấn băng keo, gắn các clip vào cụm dây và kiểm tra dây điện hỏng. Yêu cầu thời gian vận chuyển vật từ bàn này qua bàn kia là 5s.
4.2 Sơ đồ của hệ thống:
Từ những yêu cầu và thơng số đã khảo sát đƣợc ta có sơ đồ của hệ thống nhƣ hình vẽ:
Hình 4.2: Sơ đồ hệ thống
Cụm dây điện đƣợc cơ cấu giữ vật giữ chặt để cụm dây điện khơng bị ảnh hƣởng trong q trình di chuyển từ bàn đầu tiên qua các bàn còn lại. Việc di chuyển qua các bàn đƣợc thực hiện bởi cơ cấu vận chuyển.
Để thuận tiện cho việc di chuyển, tránh cho cụm dây điện không va chạm với các thiết bị có trên bàn thì cơ cấu nâng hạ có nhiệm vụ đƣa cụm dây điện lên một độ cao thích hợp.
24
4.3 Lựa chọn cơ cấu và tính tốn cơ cấu: 4.3.1 Chọn cơ cấu giữ vật:
Cơ cấu giữ vật có nhiệm vụ cố định cụm dây điện trong quá trình vận chuyển,