L ời nói đầu
3.6.2Tính toán chọn động cơ AC servo trục X
Động cơ AC servo truyền động trực tiếp trục vít me bi. Mô men quay trục vít me bi : M=T+Mc
T= 0,5.F.Dtb.tan(γ+ φt) [1, tr.169] + Trong đó : F= max (FDi, FDm)=4654,73 (N) Dtb =PCD=37,4 (mm) Góc vít γ = arctan π. = 4,86o Góc ma sát lăn thay thế : = arctan . . ( ) = arctan . , , . ( ) ≈0,02 .Hệ sốma sát lăn thay thế: ft = 0,004
.Đường kính chân ren: d1= RD=30,91 (mm) .Góc tiếp xúc ≈45 (hình 3.35)
Vậy: T= 0,5. 4654,73. 37,4. tan(4,86o+ 0,02o) = 7431,6 (N.mm) Lấy mô men cản: Mc= 980 (N.mm)
Mô men quay trục vít me bi:
M=T+ Mc=7431,6+ 980= 8411,6 (N.mm) ≈ 8,41 (N.m)
90
– số vòng quay tính toán của trục vít me.
Một vòng quay trục vít thì đai ốc tịnh tiến một đoạn bằng bước vít, do đó :
= = = 3000 (vòng/phút) Công suất tính toán: = . , . =8411,6 .3000 , . = 2,59( ) [4, tr. 21] Chọn động cơ AC servo trục X có: nmax≥ 3000 (vòng/phút)
Mô men hoạt động liên tục ≥ 8,41 (N.m) Công suất ≥ 2,59(kW)
Chọn động cơ AC Servo FANUC: α12/3000 (không phanh)
+ Công suất 2,8 (kW) (phụ lục 7) + Mô men hoạt động liên tục 12 (N.m)
+ Mô men quay lớn nhất 66 (N.m) + nmax= 3000 (vòng/phút)
+ Khối lượng 18 (kg)
+ Đồ thịđường đặc tuyến mô men - tốc độ của α12/3000 (Hình 3.37)
91 3.6.3 Tính toán chọn ổ bi cho vít me trục X
Trong trường hợp này, ổ bi gần như chỉ chịu tải trọng dọc trục, nhưng để đảm bảo độ cứng vững trong khi làm việc nên phải chọn ổbi đỡ chặn.
Hình 3.70: Kiểu bố trí ổ bi (sử dụng 2 cặp ổbi đỡ chặn) Tải trọng dọc trục: = 3882,31 (N) Thời gian làm việc: Lh=3x365x24=26280 ( giờ) L= Lh. .60 (vòng) = [10, tr.2309] - Thời gian làm việc (triệu vòng) C - Tải trọng cho phép của ổ bi. (N)
P - Tải trọng tương đương khi làm việc (N)
= 760(vòng/phút)
Tải trọng tính toán: C’= ( ) = = . . .
C’= 3882,31 . . . = 41236,99 (N) Ổ bi đỡ chặn cho phép chịu tải trọng dọc trục theo một chiều, dựa vào cách bố trí ổ bi hình 3.70, đểtính cho một ổ bi:
C1’= C’/2=41236,99 / 2= 20618,5 (N) ≈ 20,62 (kN)
Chọn ổbi đỡ chặn có tải trọng động cho phép C≥20,62 (kN)
Chọn ổbi đỡ chặn đôi BEAS 025057 - 2Z và BEAS 030062 - 2Z của hãng SKF [19] Các ổ bi này hoàn toàn giống với ổ bi cho vít me trục Z, xem phụ lục 9, 10.
92
3.6.4 Chọn then và thiết kế khớp nối giữa trục vít me và động cơ AC servo trục X Then và khớp nối giữa trục vít me và động cơ AC servo trục X hoàn toàn giống
như trục Z, do động cơ và trục vít me giống như trục Z. 3.6.5 Tính toán chọn thanh trượt - bạc trượt trục X
Theo hình 3.69, tổng tải trọng tác dụng theo phương Z: ∑ = Fz+ Pp+ Pb=4654,73+ 9810+ 3184,9 =17649,63 (N)
Tải trọng lớn nhất tác dụng lên 1 bạc trượt theo phương Z (bố trí 6 bạc trượt): CZ= ∑ /6 .2,75 =17649,63 /6 .2,75= 8089,41 (N) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tải trọng lớn nhất tác dụng lên 1 bạc trượt theo phương Y:
CY= Fy/6 .2,75 =4654,73/6 .2,75= 2133,42 (N) (hệ số tải trọng không đều khi làm việc = 2,75) Tải trọng tương đương: Ptd= CZ + 0,5 . CY [8, tr.8] Ptd=8089,41 + 0,5 .2133,42 = 9156,12 (N) = . 50 . 10 .60 ↔ = . . .60 50 . 10 [8, tr. 5] Lh=26280 ( giờ) Tốc độ trung bình trục vít me trục X: = 760 (vòng/phút) Bước vít: p=10 mm Tốc độ trung bình của bạc trượt: Ve= . p =7600 (mm/phút)= 7,6 (m/phút) = 9156,12. 26280 .7,6 .60 50 . 10 = 56874,6 ( ) Chọn bạc trượt có tải trọng động cho phép C ≥ 56874,6 ( ) và có kích thước lắp ráp phù hợp.
Chọn thanh trượt - bạc trượt HGL45CA có tải trọng động cho phép C=94,54 (kN) ( thông sốvà kích thước đầy đủ xem phụ lục 13)
93
3.6.6 Hoàn thiện thiết kế bàn máy
Chọn phương pháp gia cường bằng chêm côn và gia cường 2 phía sử dụng thêm miếng chêm thẳng cho mối ghép giữa bàn máy và các bạc trượt.
Hình 3.71: Bàn máy
Kiểm tra vị trí lắp đai ốc bi:
94
Hình 3.73: Kết quảứng suất
Ứng suất lớn nhất 4638196 (N/m2) trong phạm vi rất nhỏ và nhỏ hơn giới hạn chảy 48,6 lần.
Hình 3.74: Kết quả chuyển vị. Biến dạng lớn nhất 0,001704 (mm)
95
3.7 Thiết kế chi tiết thân cụm chuyển động trục Y
3.7.1 Chọn vật liệu
Gang xám GG30 (DIN)
3.7.2 Dùng công cụCAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu
Thân cụm trục Y được thiết kế phù hợp để gá lắp tất cả các chi tiết chuyển động theo trục Y, bao gồm: 2 gối đỡ trục vít me, 1 động cơ AC servo, 2 thanh trượt trục
X; phía dưới lắp 4 bạc trượt, 1 đai ốc bi trục Y, 1 thước đo quang học trục Y…
Hình 3.75: Mô hình hóa sơ bộ thân cụm trục Y
+ Lực tác dụng lớn nhất lên bề mặt lắp ráp với thanh trượt của thân cụm trục Y FCZmax= Pb + Pp+ Fzmax = 3184,9 + 9810+ 4654,73=52649,63 (N)
.Trọng lượng bàn máy: Pb=324,66 .9,81 = 3184,9 (N)
.Trong lượng phôi lớn nhất: Pp= 9810 (N)
.Trọng lượng các chi tiết khác không đáng kể nên bỏ qua .Lực cắt: Fzmax=4654,73 (N)
96
+ Khối lượng của thân cụm trục Y: mthY = 978,25 (kg)
+ Trọng lượng thân cụm trục Y: PthY = 978,25 .9,81= 9596,63 (N) + Lực tác dụng theo phương Y: Fymax= 4654,73 (N)
Hình 3.76: Bề mặt khống chế.
Kiểm tra cho các trường hợp thân cụm trục Y chịu lực FCZmax và Fymax ở các vùng bề mặt khác nhau:
97 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Trường hợp 1 (TH1):
Hình 3.77: Mô hình phân tích TH1
Hình 3.78: Kết quảứng suất TH1
98
+ Trường hợp 2 (TH2):
Hình 3.80: Mô hình phân tích TH2
Hình 3.81: Kết quảứng suất TH2
99
+ Trường hợp 3 (TH3):
Hình 3.83: Mô hình phân tích TH3
Hình 3.84: Kết quảứng suất TH3
100
3.7.3 Thống kê, đánh giá kết quả kiểm tra bền và biến dạngthân cụm trục Y
Bảng 3.15: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạng thân cụm trục Y S T T Hình kết quả phân tích Ứng suất ( N/m2) Giới hạn chảy (N/m2) Hệ số an toàn Chuyển vị (mm)
σmax σmin σ σ/σmax εmaxx10 - 3 εminx10 - 4 (trong vùng gia công)
εomaxx10 - 3 1 3.78 3.79 7398098,5 328,0 225593984 30,5 61,360 3,852 5,26 2 3.81 3.82 5120523,0 2273,2 225593984 44,1 43,36 0,9981 4 3 3.84 3.85 5551787,5 268,2 225593984 40,6 7,376 6,484 3,7 LỚN NHẤT 7398098,5 2273,2 225593984 44,1 61,36 6,484 5,26 NHỎ NHẤT 5120523,0 268,2 225593984 30,5 7,376 0,9981 3,7 TRUNG BÌNH 6023469,67 956,47 225593984 38,4 37,365 3,77803 4,32
Trong điều kiện lực tác dụng lớn nhất, thân cụm trục Y vẫn đảm bảo được độ bền với hệ số an toàn trung bình là 38,4 ,vùng ứng suất lớn nhất trong một phạm vi nhỏ và chủ yếu tập trung tại bề mặt lăp ráp với bạc trượt.
Biến dạng lớn nhất trung bình là 37,365x10 - 3 (mm) (gần bằng 0,04 mm) nhưng phạm vi khá nhỏ và tập trung ở phía ngoài của chi tiết, trong vùng gia công (khu vực xung quanh trục chính đối với thân cụm trục Y) biến dạng vẫn nằm trong giới hạn cho phép, trung bình 0,00432 mm. Do vậy, sai số do biến dạng gây ra trong điều kiện lực tác dụng lớn nhất là đạt yêu cầu.
101
3.8 Vít me-đai ốc bi, động cơ AC servo, khớp nối,thanh trượt-bạc trượt trục Y và hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Y và hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Y
3.8.1 Tính toán chọn vít me - đai ốc bi trục Y
Hình 3.86:Sơ đồ tính toán + Bỏ qua lực ma sát của thanh trượt - bạc trượt bi. + Lực cắt Fz ; Fy
+ Trong lượng phôi lớn nhất: Pp = 9810 (N) + Trọng lượng bàn máy: Pb=3184,9 (N)
+ Trọng lượng thân cụm trục Y: PthY= 9596,63 (N) + Gia tốc: at (m/s2)
+ Lực quán tính của phôi: Fqt1 (N) + Lực quán tính của bàn máy: Fqt2 (N)
+ Lực quán tính của thân cụm trục Y: Fqt3 (N)
- Trường hợp thân cụm trục Y di chuyển nhanh theo phương Y+ : at =0,37 (m/s2)
Fy=Fz=0
+ Khối lượng của thân cụm trục Y: mthY = 978,25 (kg) + Khối lượng phôi lớn nhất: mp=1000 (kg)
+ Khối lượng bàn máy: mb=324,66 (kg) FD= Fqt1+ Fqt2+ Fqt3= (mp+ mb+ mthY).at (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
102
- Trường hợp đang gia công: FD = Fy=Fymax=4654,73 (N) Chọn bước ren vít me: p=10mm
Tốc độ quay lớn nhất của trục vít me:
nmax= = = 3000 (vòng/phút)
Bảng 3.16: Bảng số liệu để tính toán tải trọng trung bình.
STT Tải trọng (N) Tốc độ dịch chuyển trục Z (m/phút) Tốc độ quay trục vít me có p=10mm (vòng/phút) Tỉ số thời gian chịu tải (%) Hệ số điều kiện làm việc FDi ni ti fpi 1 Chạy nhanh có gia tốc 852,08 30 3000 20 1,4 2 Gia công 4654,73 2 200 80 1,4 Tốc độ trung bình trục vít me trục Y: [7, tr. 21] = . 100= 3000. 20 100+ 200. 80 100= 760(vòng/phút) Tải trọng trung bình: [7, tr.22] = . . 100. 3 = 852,08 .3000 760 . 20 100.1,43+ 4654,73 .200 760 . 80 100.1,43 = 3906,16 (N) Tải trọng tính toán: Fa=FDm=3906,16 (N) Thời gian làm việc: Lh=3x365x24=26280 ( giờ) L= Lh. .60 (vòng) C’= = . . = 3906,16 . . . [7, tr. 24] C’= 41490,3 (N)= 4233,7 (kgf) (1kgf≈9,8N)
Chọn vít me - đai ốc bi tuần hoàn có tải trọng động dọc trục cho phép: C ≥ C’=4233,7 (kgf)
103
Chọn vít me - đai ốc bi của hãng HIWIN (Đài Loan),
Số hiệu sản phẩm R36 - 10B2 - FDW - 980 - 1269 - 0.018 (xem phụ lục 6) Các thông số cơ bản:
+ Bước ren vít: p=10 mm + Góc vít: γ≈ 4,86o
+ Đường kính đỉnh ren trục vít : OD=36 mm + Đường kính chân ren trục vít: RD=30,91 mm + Đường kính tâm bi ăn khớp: PCD=37,4 mm + Đường kính bi: 6,35 mm
+ Tải trọng động lớn nhất cho phép: C=5105 (kgf) + Tải tĩnh lớn nhất cho phép: Co= 12668 (kgf)
+ Mô men cản: Mc= 6,64÷12,34 (kgf.cm) =650,72÷1209,32 (N.mm) + Chiều dài hành trình đai ốc: L=L1 - 193 =980 - 193=787 (mm)
3.8.2 Tính toán chọn động cơ AC servo trục Y
Động cơ AC servo truyền động trực tiếp trục vít me bi. Mô men quay trục vít me bi : M=T+ Mc
T= 0,5.F.Dtb.tan(γ+ φt) [1, tr. 169] + Trong đó : F= max (FDi, FDm)=4654,73 (N) Dtb =PCD=37,4 (mm) Góc vít γ = arctan π. =4,86o Góc ma sát lăn thay thế : = arctan . . ( ) = arctan . , , . ( ) ≈0,02 Hệ sốma sát lăn thay thế: ft = 0,004
Đường kính chân ren: d1= RD=30,91 (mm) Góc tiếp xúc ≈45
T= 0,5. 4654,73. 37,4. tan(4,86o+ 0,02o) = 7431,6 (N.mm) Lấy mô men cản: Mc= 1209,32 (N.mm)
Mô men quay trục vít me bi:
104
– số vòng quay tính toán của trục vít me.
Một vòng quay trục vít thì đai ốc tịnh tiến một đoạn bằng bước vít, do đó :
= = = 3000 (vòng/phút) Công suất tính toán: = . , . =8640,92 .3000 , . = 2,66( ) [4, tr. 21] Chọn động cơ AC servo trục Y có: nmax≥ 3000 (vòng/phút)
Mô men hoạt động liên tục ≥ 8,64 (N.m)
Công suất ≥ 2,66(kW)
Chọn động cơ AC Servo FANUC: α12/3000 (không phanh)
+ Công suất 2,8 (kW) (Phụ lục 7) + Mô men hoạt động liên tục 12 (N.m)
+ Mô men quay lớn nhất 66 (N.m) + nmax= 3000 (vòng/phút)
+ Khối lượng 18 (kg) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Đồ thịđường đặc tuyến mô men - tốc độ của α12/3000 (Hình 3.37)
+ Kích thước cơ bản của động cơ xem phụ lục 15
3.6.3 Tính toán chọn ổ bi cho vít me trục Y
Trong trường hợp này, ổ bi gần như chỉ chịu tải trọng dọc trục, nhưng để đảm bảo độ cứng vững trong khi làm việc nên phải chọn ổbi đỡ chặn.
Kiểu bố trí ổ bi (sử dụng 2 cặp ổbi đỡ chặn) giống như đối với trục Z và X Tải trọng dọc trục: = 3906,16 (N) Thời gian làm việc: Lh=3x365x24=26280 ( giờ) L= Lh. .60 (vòng) = [10, tr. 2309] - Thời gian làm việc (triệu vòng) C - Tải trọng cho phép của ổ bi. (N)
P - Tải trọng tương đương khi làm việc (N)
= 760(vòng/phút)
Tải trọng tính toán: C’= ( ) = = . . .
105
Ổ bi đỡ chặn cho phép chịu tải trọng dọc trục theo một chiều, dựa vào cách bố trí ổ bi:
Tính cho một ổ bi: C1’= C’/2=41490,32/ 2= 20745,2 (N) ≈ 20,75 (kN)
Chọn ổbi đỡ chặn có tải trọng động cho phép C≥20,75 (kN)
Chọn ổbi đỡ chặn đôi BEAS 025057 - 2Z và BEAS 030062 - 2Z của hãng SKF [19] Các ổ bi này hoàn toàn giống như ổ bi của trục vít me trục X và Z
thông sốvà kích thước ổ bi xem phụ lục 9, 10.
3.8.4 Chọn then và thiết kế khớp nối giữa trục vít me và động cơ AC servo trục Y Then và khớp nối giữa trục vít me và động cơ AC servo trục Y hoàn toàn giống Then và khớp nối giữa trục vít me và động cơ AC servo trục Y hoàn toàn giống
như trục Z và X, do động cơ và trục vít me giống nhau. 3.8.5 Tính toán chọn thanh trượt - bạc trượt trục Y
Theo hình 10.1, tổng tải trọng tác dụng theo phương Z:
∑ = Fz+ Pp+ Pb+ PthY = 4654,73+ 9810+ 3184,9 + 9596,63 =27246,26 (N) Tải trọng lớn nhất tác dụng lên 1 bạc trượt theo phương Z (bố trí 4 bạc trượt):
CZ= ∑ /4 .2,75 =27246,26 /4 .2,75= 18731,8 (N) Tải trọng lớn nhất tác dụng lên 1 bạc trượt theo phương X:
Cx= Fx/4 .2,75 =4654,73 /4 .2,75= 3200,13 (N)
(trong đó hệ số tải trọng không đều khi làm việc = 2,75)
Tải trọng tương đương: Ptd= CZ + 0,5 . Cx [8, tr.8] Ptd=18731,8 + 0,5. 3200,13 = 20331,9 (N) = . 50 . 10 .60 ↔ = . . .60 50 . 10 [8, tr.5] Lh=26280 ( giờ) Tốc độ trung bình trục vít me trục Y: = 760 (vòng/phút) Bước vít: p=10 mm Tốc độ trung bình của bạc trượt: Ve= . p =7600 (mm/phút)= 7,6 (m/phút) = 20331,9 . 26280 .7,6 .60 50 . 10 = 126294,58 ( )
106
Chọn bạc trượt có tải trọng động cho phép C ≥ 126294,58 ( ) và có kích thước lắp ráp phù hợp.
Vậy, chọn thanh trượt - bạc trượt HGW55HA có tải trọng động cho phép C=139,35 (kN), chiều dài bạc trượt 204,8 mm, chiều rộng bạc trượt 140 mm Chọn chiều dài thanh trượt L=1260 (mm) (Phụ lục 14, cột HG55) 3.8.6 Hoàn thiện thiết kế thân cụm trục Y
Chọn phương pháp gia cường bằng chêm côn, gia cường 2 phía và sử dụng thêm miếng chêm thẳng (hình 3.47, 3.48) cho mối ghép giữa thân cụm trục Y và 4 bạc trượt trục Y.
Chọn phương pháp gia cường bằng chêm côn (hình 3.47, 3.48) cho mối ghép giữa thân cụm trục Yvà 2 thanh trượt trục X
107
- Kiểm tra vị trí lắp đai ốc bi: với lực tác dụng = Fymax=4654,73 (N) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 3.88: Kết quảứng suất
Ứng suất lớn nhất 3616412,5 (N/m2) trong phạm vi hẹp và nhỏ hơn giới hạn chảy 62,4 lần
Hình 3.89: Kết quả chuyển vị
108
3.9 Thiết kế phần bệ máy và trụđứng
3.9.1 Chọn vật liệu
Vật liệu làm bệ máy và trụđứng là gang xám GG30 (DIN) 3.9.2 Chọn bộ thay dao tựđộng
Chọn bộ thay dao tự động CTM40 (với cánh tay thay dao kiểu BP41) của hãng Colombo Filippetti Torino (Italia) đây là loại ổ chứa dao xoay tròn trên mặt phẳng thẳng đứng có tay máy thay dao. Xem kích thước cơ bản và thông số kỹ
thuật đầy đủ trong phụ lục 19, 20.
Bảng 3.17: Các thông sốcơ bản của bộ thay dao tựđộng CTM40 - BP41 [11, tr.8-11-8-19]
Thông số Giá trị
Sốlượng dao tối đa trên ổ chứa 20 dao
Đầu kẹp dao tiêu chuẩn BT40 (ISO 40)
Khối lượng lớn nhất của 1 con dao 10 kg
Chiều dài dao lớn nhất 300 mm
Khoảng cách thay dao giữa 2 con dao 600 mm Thời gian thay dao gần nhất 1,2 s
Thời gian thay dao xa nhất 6 s
Tổng khối lượng (không mang dao) 190 kg Tổng khối lượng lớn nhất cho phép
(mang đủ số dao)
300 kg
3.9.3 Dùng công cụ CAD/CAE để thiết kế, kiểm tra và tối ưu hóa hết cấu
Bệ máy được thiết kế phù hợp đểđỡ toàn bộ khối lượng của máy, tất cả các tải trọng, rung động phát sinh trong khi máy vận hành đều trực tiếp hoặc gián tiếp
tác động vào bệ máy, trụ đứng và 2 thanh trượt trục Y được lắp trực tiếp trên bệ
máy bằng bulông , ngoài ra bệ máy còn có các phần chân đế (để lắp với nền) và máng (rãnh) để thu hồi dung dịch trơn nguội, vị trí lắp 2 gối đỡ trục ví me, động cơ ,
thước đo quang học trục Y,...
Trụđứng đỡ toàn bộ khối lượng của cụm trục Z và gián tiếp chịu tác dụng của lực cắt và các tải trọng khác trong quá trình gia công. Trên trụđứng có vịtrí để lắp thân của bộ chứa dao, lắp 2 thanh trượt trục Z, vị trí thuận lợi để lắp móc di chuyển