L ời nói đầu
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)
+ 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)
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 trụđứng trong quá trình lắp ráp, lắp bơm dầu, bơm dung dịch trơn nguội, vị trí lắp 2 gối đỡ trục ví me, động cơ, thước đo quang học trục Z...
109
Hình 3.90: Mô hình hóa sơ bộ bệ máy và trụđứng.
3.9.3.1 Kiểm tra bền và biến dạng bệ máy
Bề mặt lắp ráp giữa bệ máy và trụ đứng chịu một tải trọng bằng tổng trọng
lượng của trụ đứng và tất cả các chi tiết lắp lên trụ đứng. Một cách gần đúng thì tổng tải trọng này (đặt là ∑ ) bằng:
∑ = đ+ + (N)
Trong đó:
+ Khối lượng trụđứng: đ = 2195,43 (kg) (có được nhờ dùng chức năng tính toán khối lượng chi tiết với vật liệu gang xám trong phần mềm SolidWorks)
Trọng lượng trụđứng: đ = đ. 9,81= 2195,43. 9,81= 21537,168 (N) + Trọng lượng cụm trục Z: = Ps+ PM + PZ
= 284,49 + 299,205 + 3522,38 = 4106,075 (N) (Ps; PM ; PZ xem mục 3.3 Thiết kế chi tiết thân cụm chuyển động trục Z) + Tổng khối lượng lớn nhất bộ thay dao (bao gồm chi tiết thân của bộthay dao để lắp ghép với trụđứng) : mbtd= 400 (kg)
Trọng lượng lớn nhất của bộ thay dao: =400. 9,81= 3924 (N) ∑ = đ+ + = 21537,168+ 4106,075+ 3924= 29567,243 (N)
110
Bề mặt lắp ráp giữa bệ máy và 2 thanh trượt trục Y chịu tải trọng lớn nhất
theo 2 phương Z và X
+ Lấy gần đúng tổng tải trọng theo phương Z:
∑ = Pp+ Pb+ Fzmax+ PthY=9810+ 3184,9+ 4654,73+ 9596,63 =27246,26 (N)
+ Lực cắt tác dụng theo phương X: FXmax=4654,73 (N)
Ngoài ra, bệ máy còn chịu trọng lượng của bản thân nó. Khối lượng bệ máy mbm= 3397,95 (kg) , trọng lượng bệ máy Pbm= 3397,95. 9,81= 33333,89 (N)
Hình 3.91: Bề mặt khống chế (các mặt chân đế và lỗ lắp lulong nền) Kiểm tra cho các trường hợp khác nhau, trong khi gia công cụm trục Y di chuyển cho nên vùng diện tích tác dụng của FXmax và ∑ cũng sẽthay đổi không đều.
+ Trường hợp 1 (TH1) : Hình 3.92: Mô hình đặt lực TH1 ∑ ∑ FXmax Pbm
111
Hình 3.93: Kết quảứng suất TH1
112
+ Trường hợp 2 (TH2) : thay đổi vùng diện tích tác dụng của lực FXmax và ∑
Hình 3.95: Mô hình đặt lực TH2
Hình 3.96: Kết quảứng suất TH2
113
+ Trường hợp 2 (TH2) : thay đổi vùng diện tích tác dụng của lực FXmax và ∑
Hình 3.98: Mô hình đặt lực TH3
Hình 3.99: Kết quảứng suất TH3
114
*Thống kê, đánh giá kết quả kiểm tra bền và biến dạngbệ máy:
Bảng 3.18: Số liệu thống kê kết quả kiểm tra bền và biến dạngbệ máy
S T T Hình kết quả phân tích Ứng suất ( N/m2) Giới hạn chảy (N/m2) Hệ số an toàn Chuyển vị (mm) Bề mặt lắp trụ đứng Bề mặt lắp thanh trượt
σmax σmin σ σ/σmax εmaxx10 - 3 εminx10 - 3 εtbx10 - 3 εmaxx10 - 3 εminx10 - 3 εtbx10 - 3 1 3.93 3.94 8070447,5 3399,3 225593984 27,95 7,361 1,111 3,453 7,882 2,627 6,098 2 3.96 3.97 8760545,0 2303,4 225593984 25,75 8,834 1,267 4,049 9,319 2,072 6,417 3 3.99 3.100 8190360,0 2760,4 225593984 27,54 6,571 1,042 3,136 7,815 2,977 6,132
TRUNG BÌNH 8340450,8 2821,03 27,08 7,589 1,140 3,546 8,339 2,559 6,216
Trong điều kiện mang phôi có khối lượng lớn nhất và chếđộ gia công cực đại, ứng suất lớn nhất của bệ máy khoảng
8760545,0 ( N/m2) , vùng ứng suất lớn trong phạm vi hẹp tại các vị trí chân đế và gân chịu lực. Biến dạng lớn nhất tập trung tại vùng trung tâm của bệmáy, nhưng tại bề mặt lắp ráp quang trọng biến dạng nhỏ hơn nhiều: bề mặt lắp trụ đứng (chuyển vị trung bình lớn nhất bằng khoảng 0,00759 mm), bề mặt lắp thanh trượt (chuyển vị trung bình lớn nhất bằng khoảng 0,00834 mm)
Nhờ các gân chịu lực được bố trí không đều theo sự phân bố biến dạng đã làm tăng đáng kể độ cứng vững của bệ máy
115
3.9.3.2 Kiểm tra bền và biến dạng trụđứng
Hình 3.101: Bề mặt khống chế (bề mặt lắp ráp với bệ máy) - Kiểm tra cho trường hợp 1 (TH1):
Hình 3.102: Mô hình đặt lực tác dụng TH1 Trong đó: biểu diễn lực tác dụng =3924 (N), tại bề mặt lắp với thân của bộ thay dao tựđộng. biểu diễn lực tác dụng FYmax=4654,73 (N), tại bề mặt lắp với thanh trượt trục Z. biểu diễn lực tác dụng FXmax=4654,73 (N), tại bề mặt lắp với thanh trượt trục Z.
116
biểu diễn lực tác dụng lớn nhất FD1= 4260,94 (N) (xem trang 44), tại bề mặt lắp với 2 cụm ổbi đỡ chặn của vít me trục Z.
(Các lực trên đều là các lực phân bố tại bề mặt lắp ráp)
biểu diễn trọng lượng bản thân của trụđứng.
Hình 3.103: Kết quảứng suất TH1
117
- Kiểm tra cho trường hợp 2 (TH2):
Hình 3.105: Mô hình đặt lực tác dụng TH2
118
119
*Thống kê, đánh giá kết quả kiểm tra bền và biến dạngtrụđứng:
Bảng 3.19: Số liệu thống kê kiểm tra bền và biến dạngtrụđứng S T T Hình kết quả phân tích Ứng suất ( N/m2) Giới hạn chảy (N/m2) Hệ số an toàn Chuyển vị (mm) Bề mặt lắp thanh trượt Bề mặt lắp cụm ổ bi đỡ chặn σmax σmin σ σ/σmax εmaxx10 - 3 εminx10 - 3 εtbx10 - 3 εmaxx10 - 3 εminx10 - 3 εtbx10 - 3 1 3.103 3.104 1071612,6 1364,1 225593984 210,5 8,526 0,510 4,040 8,355 0,677 4,360 2 3.106 3.107 859610,1 1203,4 225593984 262,4 4,723 0,689 2,904 4,653 0,899 2,789
TRUNG BÌNH 965611,35 1283,75 236,45 6,625 0,6 3,472 6,504 0,788 3,575
Trụđứng đạt được độ bền cao và biến dạng đủ nhỏ tại các bề mặt lắp ráp quang trọng như bề mặt lắp thanh trượt, bề
mặt lắp cụm ổ bi đỡ chặn. Càng lên cao thì độ cứng vững của trụ đứng giảm dần cũng đồng nghĩa với việc biến dạng cũng tăng theo khi chịu tải trọng, biến dạng lớn nhất εmax ≈ 0,0085mm.
120
3.9.4 Tính toán mối ghép vít, hoàn thiện thiết kế bệ máy và trụđứng 3.9.4.1 Tính toán mối ghép vít
Hình 3.108: Mô hình lắp ghép bệ máy và trụđứng.
Hình 3.109:Sơ đồ ngoại lực tác dụng xét trong mặt oxy
Trong đó sơ đồ lực tác dụng B) tương đương với sơ đồ A) Mz=OK. Fx và F = F + F
121
Hình 3.110:Sơ đồ phân tích lực
Sơ đồ hình 3.109B được phân tích thành 2 sơ đồ hình 3.110 KO=950 mm
MN=783 mm
A1B2=B2C3=C3D4=A5B6=B6C7=C7D8=150 mm OA1=OD8=OD4=OA5=583,15 mm
OB2=OC7=OC3=OB6=543,2 mm A1A5=B2B6=C3C7=D4D8=1076 mm Fx=Fy ⃗ ⊥ OA ; ⃗ ⊥ OB ; ⃗ ⊥ OC ; ⃗ ⊥ OD ⃗ ⊥ OA ; ⃗ ⊥ OB ; ⃗ ⊥ OC ; ⃗ ⊥ OD ⃗ // ⃗// ⃗// ⃗// ⃗ // ⃗// ⃗// ⃗// ⃗ ⃗, = 45 = ⃗, = ⃗, oy = ⃗, oy = ⃗, oy = 22,7 = ⃗, oy = ⃗, oy = ⃗, OA = ⃗, OA = 7,9 = ⃗, ⃗ = 113,3 ; = ⃗, ⃗ = 127,1 = ⃗, ⃗ = 142,9 ; = ⃗, ⃗ = 157,7 = ⃗, ⃗ = 22,3 ; = ⃗, ⃗ = 37,1
122
= ⃗, ⃗ = 52,9 ; = ⃗, ⃗ = 67,7
(các giá trịtrên nhanh chóng có được nhờsơ đồ tính toán được vẽ chính xác trong phần mềm CAD) Fx=Fy=4654,73 (N) F = F + F = 4654,73 + 4654,73 = 6582,8 (N) Lực ma sát Fms= đ. = 21537,168 . 0,15 = 3230,6 (N) (trọng lượng trụđứng đ = 21537,168 (N) hệ sốma sát đối với gang = 0,15 [3, tr.583] ) Ft1= Ft2= Ft3= Ft4= Ft5= Ft6= Ft7= Ft8= = , , ≈419 ( ) Mz=OK. Fx=950. 4654,73=4421993,5 (N.mm) Mô men ma sát: Mms= . MN = , . 783 =1264779,9 (N.mm) Do tính chất đối xứng, theo sơ đồ phân tích lực hình 3.111B, có được:
= = = ; = = =
=> 4( . OA + . OB ) = Mz - Mms (1)
↔ 583,15. + 543,2. = (4421993,5 - 1264779,9)/4 = 789303,4 (2) Theo phương trình (1) dựng được sơ đồtương đương hình 3.111
Hình 3.111:Sơ đồtương đương hình 3.110B
′ =
123
Và theo nguyên tắc tỉ lệ giữa lực và cánh tay đòn sinh ra mô men (hình 3.111),
có được: = ↔ . OA − . OB = 0 ↔ 583,15. − 543,2. = 0 (3) Giải hệphương trình (2) và (3), được kết quả: = 676,76 (N) = 726,53 (N) *Vậy = = = = 676,76 (N) = = = = 726,53 (N) + Hợp lực tác dụng tại vị trí A1 : = + + 2 cos( ) = 676,76 + 419 + 2 .676,76 .419. cos (113,3 ) = 639,72 (N) + Hợp lực tác dụng tại vị trí B2 : = + + 2 cos( ) = 726,53 + 419 + 2 .726,53 .419. cos(127,1 ) = 579,79 (N) + Hợp lực tác dụng tại vị trí C3 : = + + 2 cos( ) = 726,53 + 419 + 2 .726,53 .419. cos(142,9 ) = 466,7 (N) + Hợp lực tác dụng tại vị trí D4 : = + + 2 cos( ) = 676,76 + 419 + 2 .676,76 .419. cos (157,7 ) = 329,93 (N) + Hợp lực tác dụng tại vị trí A5 : = + + 2 cos( ) = 676,76 + 419 + 2 .676,76 .419. cos (22,3 ) = 1076,23 (N) + Hợp lực tác dụng tại vị trí B6 : = + + 2 cos( ) = 726,53 + 419 + 2 .726,53 .419. cos(37,1 ) = 1090,41 (N)
124 + Hợp lực tác dụng tại vị trí C7 : = + + 2 cos( ) = 726,53 + 419 + 2 .726,53 .419. cos(52,9 ) = 1034,73 (N) + Hợp lực tác dụng tại vị trí D8 : = + + 2 cos( ) = 676,76 + 419 + 2 .676,76 .419. cos (67,7 ) = 921,28 (N) Chọn hợp lực tác dụng lớn nhất để tính toán chọn vít : Max ( ; ; ; ; ; ; ; ) = = 1090,41 (N)
Bệ máy và trụđứng lắp chặt với nhau bằng 8 con vít (thực chất là 8 con bu lông)
Chọn vật liệu vít là thép C35 (bảng 3.10) có giới hạn chảy σch=580000000 (N/m2)=580 (MPa) Ứng suất kéo cho phép: [σk]= =
, = 89,23 (MPa)
(hệ số an toàn khi không kiểm tra lực xiết n=6,5 [3, tr.577, bảng 17.6] )
Đường kính d1 của bulông: ≥ , . [ ] = , . . , . , , . . , . , ≈ 18,4 (mm) [3, tr.584, công thức (17.20)] Trong đó: + Hệ số an toàn k = 2,5 + Số bề mặt tiếp xúc giữa các tấm ghép i=1
(bề mặt tiếp xúc lắp ráp giữa trụđứng và bệ máy xét cho một con vít ) + Hệ sốma sát đối với gang f=0,15 [3, tr.583]
Lực xiết cần thiết:
= = , . ,
. , = 18173,5 ( )
*Như vậy chọn 8 con bulông M20 có đầu lục giác chìm cho mối ghép vít giữa bệ
125
*Kiểm tra trường hợp bulông chịu kéo dọc trục, xét trong mặt phẳng oyz:
Hình 3.112:Sơ đồ tính toán (tính cho trường hợp nguy hiểm nhất) Trụđứng có khảnăng bị lật quanh điểm O
Vị trí lắp vít A, B, C, D (xét trong mặt oxy thì có A1, B2, C3, D4, A5, B6, C7, D8 ) + Lực xiết: Va= Vb= Vc= Vd= 2.V= 2.18173,5 = 36347 (N)