LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................................................4
CHO SỐ LIỆU: ......................................................................................................................................................5
CHƢƠNG I. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CƠ KHÍ ..............................................................................................6
1.1. CHọN KIểU LắP ĐặT, TÍNH LựC CắT ..................................................................................................................6
1.2. TÍNH TOÁN LựA CHọN TRụC VÍT, ổ BI Đỡ CHO TRụC .........................................................................................6
1.2.1. Điều kiện làm việc và các thông số sẽ được tính chọn .........................................................................6
1.2.2. Tính toán lực dọc trục ..........................................................................................................................7
a. Máy chạy khi không gia công V1=25 m/min ........................................................................................................ 7
b. Máy chạy với vận tốc lớn nhất khi gia công V2=10 m/min .................................................................................. 7
1.3. TÍNH TOÁN TảI TRọNG ....................................................................................................................................8
1.3.1. Tải trọng tĩnh .......................................................................................................................................8
1.3.2. Tải trọng động Ca .................................................................................................................................8
1.4. CHọN KIểU BI [4] ............................................................................................................................................9
1.5. KIểM NGHIệM TRụC VÍT ................................................................................................................................10
1.5.1. Tuổi thọ làm việc ................................................................................................................................10
1.5.2. Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục ...........................................................................................10
1.5.3. Tốc độ quay cho phép ........................................................................................................................10
1.5.4. Tính toán momen ................................................................................................................................11
1.5.5. Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít ............................................................................................12
1.5.6. Độ dịch do thay đổi nhiệt độ (mức điều chỉnh 3oC) ...........................................................................12
1.6. TÍNH CHọN ổ LĂN [6]....................................................................................................................................12
2. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN RAY DẪN HƢỚNG CHO BÀN X VÀ BÀN Y ....................................................13
2.1. TÍNH CHọN RAY CHO BÀN X: .......................................................................................................................13
2.1.1. Các điều kiện đầu: .............................................................................................................................13
2.1.2. Tính toán các lực riêng rẽ ..................................................................................................................13
a. Chuyển động đều, lực hƣớng kính ....................................................................................................................... 13
b. Chuyển động tăng tốc sang trái, lực .................................................................................................................... 14
c. Chuyển động giảm tốc sang trái phụ ................................................................................................................... 14
d. Chuyển động tăng tốc sang phải .......................................................................................................................... 14
e. Chuyển động giảm tốc sang phải ......................................................................................................................... 14
2.1.3. Tính toán tải tương đương .................................................................................................................15
a. Khi chuyển động đều ........................................................................................................................................... 15
b. Tăng tốc sang trái ................................................................................................................................................. 15
c. Giảm tốc sang trái ................................................................................................................................................ 15
2.1.4. Tính toán tải trung bình .....................................................................................................................15
2.1.5. Tính tuổi thọ danh nghĩa ....................................................................................................................15
2.2. TÍNH CHọN RAY CHO BÀN Y ........................................................................................................................15
2.2.1. Các điều kiện đầu ...............................................................................................................................15
2.2.2. Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh ................................................................................................................16
2.2.3. Tính toán tải trung bình Pm ...............................................................................................................16
2.2.4. Tính tuổi thọ danh nghĩa ....................................................................................................................16
CHƢƠNG II. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ SERVO ..............................................................................................17
2.1. ĐIềU KIệN BAN ĐầU ......................................................................................................................................17
2.2. TÍNH TOÁN MOMEN QUY ĐổI ........................................................................................................................17
2.2.1. Momen ma sát quy đổi .......................................................................................................................17
2.2.2. Momen trọng lực quy đổi ...................................................................................................................18
2.2.3. Momen cắt quy đổi .............................................................................................................................18
2.2.4. Momen tải quy đổi..............................................................................................................................19
2.3. TÍNH TOÁN MOMEN QUÁN TÍNH TảI QUY ĐổI Về TRụC ĐộNG CƠ .....................................................................19
1
2.3.1. Momen quán tính của bàn máy ..........................................................................................................20
2.3.2. Momen quán tính của vít me đối với trục quay của chính nó ............................................................20
2.3.3. Momen quán tính của khớp nối ..........................................................................................................21
2.3.4. Momen quán tính quy đổi về trục động cơ .........................................................................................22
2.4. LựA CHọN SƠ Bộ ĐộNG CƠ ............................................................................................................................22
2.4.1. Tiêu chí lựa chọn động cơ ..................................................................................................................22
2.4.2. Lựa chọn sơ bộ ...................................................................................................................................22
2.5. KIểM NGHIệM ĐộNG CƠ ................................................................................................................................23
2.5.1. Kiểm nghiệm động cơ dựa vào momen gia tốc .................................................................................23
a. Tiêu chí kiểm tra ................................................................................................................................................. 23
b. Kiểm nghiệm....................................................................................................................................................... 23
2.5.2. Kiểm nghiệm dựa momen hiệu dụng ..................................................................................................24
a. Tiêu chí kiểm tra ................................................................................................................................................. 24
b. Kiểm nghiệm....................................................................................................................................................... 25
2.6. KếT LUậN .....................................................................................................................................................25
CHƢƠNG III. ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ............................................27
3.1. BÀN X .........................................................................................................................................................27
3.1.1. Xây dựng mô hàm truyền của hệ thống ..............................................................................................27
a. Thông số đầu: ....................................................................................................................................................... 27
b. Phƣơng trình toán học .......................................................................................................................................... 27
3.1.2. Tìm hàm truyền đạt G(s) ....................................................................................................................29
3.1.3. Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s)........................................................................................29
a. Kiểm tra sự ổn định của hệ hở.............................................................................................................................. 29
b. Kiểm tra sự ổn định của hệ kín ............................................................................................................................ 30
c. Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thƣờng.................................................................................. 31
3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển PID .................................................................................................................32
a. Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID....................................................................................................... 32
b. Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân ....................................................................................................... 33
Khâu tích phân .....................................................................................................................................33
c. Thiết kế PID controller theo phƣơng pháp thực nghiệm (phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ nhất). ..................... 35
3.2. BÀN Y .........................................................................................................................................................37
3.2.1. Tìm hàm truyền của bàn Y .................................................................................................................37
3.2.2. Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s)........................................................................................38
a. Sự ổn định của hệ hở. ........................................................................................................................................... 38
b. Sự ổn định của hệ kín........................................................................................................................................... 38
c. Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thƣờng.................................................................................. 39
3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho bàn Y ................................................................................................41
CHƢƠNG IV. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO
TRƢỚC ...............................................................................................................................................................................42
4.1. TÌM HIểU KHốI CÔNG Cụ SIMMECHANICS TRONG MATLAB. ..........................................................................42
4.2. MÔ PHỏNG BÀN MÁY CHạY THEO QUỹ ĐạO MONG MUốN ...............................................................................44
4.2.1. Hai bàn phối hợp với nhau theo quỹ đạo đường thẳng trong tc (s) ....................................................44
b.Thiết kế quỹ đạo điểm tác động tác động cuối di chuyển theo đƣờng tròn từ A đến B trong tc(s) lấy AB làm
đƣờng kính. .............................................................................................................................................................................. 48
CHƢƠNG V. ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC TRÊN MIỀN THỜI GIAN .............................................................51
5.1. GIớI THIệU Về ĐIềU KHIểN LIÊN TụC TRÊN MIềN THờI GIAN ............................................................................51
5.2. XÂY DựNG MÔ HÌNH TOÁN HọC ...................................................................................................................51
5.3. PHÂN TÍCH TÍNH Hệ THốNG ..........................................................................................................................52
5.4. THIếT Kế Bộ ĐIềU KHIểN ................................................................................................................................53
2
5.4.1. Thiết kế bằng phản hồi trạng thái ......................................................................................................54
5.4.2. Thiết kế theo nguyên tắc phản hồi tín hiệu ra ....................................................................................56
SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC BÀN X, Y ..........................................................................................................................60
PHỤ LỤC ..............................................................................................................................................................62
KẾT LUẬN ...........................................................................................................................................................63
3
LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học – kỹ thuật, tự động hóa sản xuất
đóng vai trò rất quan trọng trong nền công nghiệp nƣớc ta. Nhận thức đƣợc điều này, trong
chiến lƣợc công nghiệp hóa theo hƣớng hiện đại vào năm 2020 cônghệ tự động đƣợc ƣu tiên
đầu tƣ và phát triển.
Ở nƣớc ta công nghiệp tự động hóa đã đƣợc hình thành từ khá lâu, nhƣng yếu tố quyết
định đến sản xuất tự động hóa là kỹ thuật điều khiển. Các máy công cụ điều khiển số NC và
CNC đã đƣợc dùng phổ biến tại các nƣớc phát triển từ lâu. Trong những năm gần đây, NC và
CNC đã đƣợc nhập vào Việt Nam và phổ biến khá là rộng rãi. Máy công cụ NC và CNC là
những hệ thống công nghệ hiện đại, là thành quả của các nghiên cứu lớn và là các thiết bị
điển hình cho sản xuất tự động.
Với đề tài đƣợc giao: “Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy cho máy phay CNC”,
mặc dù lần đầu tiên tiếp xúc với đề tài này nhƣng em nhận thấy đây là một đề tài hay và rất
thực tế. Quá trình làm và hoàn thành đề tài này đã giúp em tổng hợp đƣợc những kiến thức đã
học cũng nhƣ những kiến thức thực tế liên quan đến công việc của em sau này khi đi làm.
Đồ án này là sự tiếp nối của đồ án “thiết kế cơ khí”, và tập trung lớn vào việc điều
khiển. Vì vậy, phần tính toán cơ khí chỉ trình bày những cái cốt lõi nhất và cần thiết nhất cho
việc điều khiển.
4
CHO SỐ LIỆU:
Loại máy CNC: Phay.
Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT:
Phay mặt đầu.
Dao có 8 lƣỡi cắt (Z = 8), đƣờng kính D = 80mm.
Tiêu chuẩn quốc gia: JIS.
Vật liệu: SUS440C.
Grade: 4040.
Vận tốc: V = 100 m/ph.
Chiều sâu cắt: t = 0.8 mm.
Lƣợng chạy dao phút: F = 900 mm/ph.
Khối lƣợng lớn nhất của chi tiết: M1 = 300 kg → W1 = 300 kgf.
Chi tiết làm bằng thép cacbon có khối lƣợng riêng là 7,85g/𝑐𝑚3 .
Chiều cao chi tiết là H=200 mm.
Trọng lƣợng bàn gá: W2x = 140, W2y = 200 kgf.
Chiều dài làm việc: Sx = 650m, Sy = 400mm.
Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1 = 25 m/ph.
Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực: V2 = 10 m/ph.
Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0.5g =5 m/s2.
Thời gian hoạt động: 5 đến 7 năm → Lt = 17520h (=6năm x 365ngày x 8giờ)
Hệ số ma sát trƣợt bề mặt: μ = 0.01.
Tốc độ vòng động cơ: Nmax = 3000 vg/ph.
Độ chính xác vị trí(không tải): ±0.03/1000 mm.
Độ chính xác lặp: ±0.005 mm.
Độ lệch chuyền động: ±0.02 mm.
Trƣờng hợp hệ bàn máy – vít me nằm theo phƣơng ngang.
5
CHƢƠNG I. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CƠ KHÍ
1.1. Chọn kiểu lắp đặt, tính lực cắt
Chọn kiểu lắp ổ đỡ
Một đầu lắp chặt – một đầu tùy chỉnh: fixed- supported [1]
Bƣớc vít-me
l
Vmax
V
1 8, 33 mm
N max
N max
Chiều dài bƣớc vít-me phải lớn hơn 8,33 mm. Chọn l=10 mm
Tìm lực cắt chính của máy Fm
Để tìm lực cắt chính của máy ta sử dụng công cụ trên website www.coroguide.com.
[2]
Lƣợng chạy dao (fz)
Tốc độ quay của động cơ quay dao: n
Lƣợng chạy dao vòng:
S
Lƣợng chạy dao răng: fz
1000V
397, 89 vg / ph
D
F
2, 3 mm / vg
n
S
0,29 (mm/răng)
8
Working engagement (ae) và Working engagement start (aei)
Chọn thỏa mãn điều kiện: ae + aei = DC = 80 mm.
Chọn ae = 60; aei = 20 mm
Từ kết quả tính toán của công cụ, ta có lực cắt chính của máy là:
Fm =
𝟐 × 𝑴𝒄
𝑫𝒄
=
𝟐 × 𝟓𝟑
𝟎.𝟎𝟖
= 1325N = 135,10kgf.
1.2. Tính toán lựa chọn trục vít, ổ bi đỡ cho trục
1.2.1. Điều kiện làm việc và các thông số sẽ đƣợc tính chọn
Điều kiện làm việc:
Lực chống trƣợt:
TrụcX : fx=Fax = μ × (W1 + Wx) = 44 kgf =431,64 N
TrụcY : fy=Fay = μ × (W1 +Wx +Wy) = 64 kgf =627,84 N
6
1.2.2. Tính toán lực dọc trục
a. Máy chạy khi không gia công V1=25 m/min
Theo trục X: [3]
Tăng tốc (về bên trái): Fa1 = μmx g + mx a + fx = 308,00 kgf.
Chạy đều (về bên trái): Fa2 = μmx g + fx = 88 kgf.
Gia công (về bên trái): Fa3 = Fm + μ(mx g + Fmz) + fx = 143,87 kgf.
Giảm tốc (về bên trái): Fa3 = μmx g – mx a +fx = -211.20 kgf.
Tăng tốc (về bên phải): Fa4 = - μmxg-mxa-fx =-228.80 kgf
Chạy đều (về bên phải): Fa5 =- μmxg-fx = -8.80 kgf
Gia công (về bên phải): Fa5=-Fm- (μmxg + Fmz) –fx =143.87 kgf
Giảm tốc (về bên phải): Fa6= -μmxg+mxa-fx = 211.20 kgf
+ Lực dọc trục lớn nhất:
Từ các lực dọc trục tính ở trên ta thấy lực dọc trục max là:
F1xmax= max( Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5, Fa6 ) = 308,00 kgf.
Theo trục Y:
F1ymax = max( Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5, Fa6 ) = 448,00 kgf.
b. Máy chạy với vận tốc lớn nhất khi gia công V2=10 m/min
Theo trục X
F1xmax= max( Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5, Fa6 ) = 308,00 kgf.
Theo trục Y
F1ymax = max( Fa1, Fa2, Fa3, Fa4, Fa5, Fa6 ) = 448,00 kgf.
Lực tác dụng lên trụ
(kgf)
Tốc độ vòng
l 10
Cao tốc
Phay tinh
𝐹𝑎𝑥 = 44,00
𝑁1𝑚𝑎𝑥 = 2500
𝐹𝑎𝑦 = 64,00
𝐹2𝑥 = 190,00
𝐹2𝑥 = 280,00
Thời gian làm việc
ratio(%)
t1 30
𝑁2𝑚𝑎𝑥 = 1000
t2 55
𝑁3𝑚𝑎𝑥 = 200
t3 15
F1xmax =308,00
Phay thô
F1ymax = 448,00
7
Tốc độ quay trung bình của trục vít
Nm
N 1 max .t1 N 2 max .t2 N 3 max .t3
t1 t2 t3
Ta có công thức xác định lực trung bình nhƣ sau.
Fma
3
F13 n1t1 F23n2t2 ... F33n nntn
nt
n
i i
F 3i ni ti
nt
i i
1/3
Từ đó ta đƣợc lực trung bình
Fmx =152,46 (kgf); Fmy =224,10 (kgf)
1.3. Tính toán tải trọng
1.3.1. Tải trọng tĩnh
Co = fs.Famax
Trong đó: fs Hệ số bền tĩnh fs :1,5-3
Chế độ
Vận tốc (m/min)
fw
Nhẹ
V < 15
1,0 – 1,2
Trung bình
15 < V <60
1,2 – 1,5
Nặng
V > 60
1,5 – 3,0
Ta chọn cho máy phay giá trị : fs = 1,5
Fa max : lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vít me
Cox = fs.Fxmax1=1,5. 308,00= 462 (kgf)
Coy = 672 (kgf)
1.3.2. Tải trọng động Ca
Ca = 3 60.N m .Lt .Fm . f w .102
Trong đó : Nm : Tốc độ quay trung bình của trục vít, Nm=1330(rpm)
Lt: Tuổi thọ yêu cầu, Lt = 17520h
Fm : Tải trọng trung bình tác dụng lên trục vít
fw : Hệ số tải trọng chọn fw= 1,5
Cax=2557,17 (𝑘𝑔𝑓); Cay=3758,77 (𝑘𝑔𝑓)
8
1.4. Chọn kiểu bi [4]
Độ cứng cần đƣợc ƣu tiên,hao phí chuyển động không quá quan trọng thì ta chọn
thông số sau cho bi:
Ổ bi loại lƣu chuyển bi bên ngoài
Kiểu : FSWC
Số mạch bi B = 2
60 2
n
2 L2
dr
EIg
dr
f 2 107
A
L
n L2
107
f
Trong đó:
n : tốc độ quay giới hạn
: hệ số an toàn, =0.8
E : Suất Young (E=2,1.104 kgf/mm2)
I : mômen quán tính hình học min của trục vitme I
.dr 4
64
(mm4 )
g : gia tốc trọng trƣờng
dr: đƣờng kính trục vít me
: trọng lƣợng riêng , 7.8 106 (kgf / mm3 )
f : Hệ số phụ thuôc kiểu lắp: Cố định - Tùy chỉnh; f = 15,1
L = Tổng di chuyển max + chiều dài đai ốc/2 + chiều dài vùng thoát
Lx=650 + 177 + 100 = 927 (mm) chọn ≈ 950 (mm)
Ly=400 +180 + 100 = 680 (mm) chọn ≈ 700 (mm)
3000.Lx 2
drx
.107 17, 93 mm
15,1
dry
3000.Ly 2
15,1
.107 9, 74 mm
Từ điều kiện tải trọng Ca và bƣớc vít , tra trong catalog của nhà sản xuất PMI ta chọn
series sau :
Trục X: 32-10B2-FDWC [5]
Với thông số :dr = 32 mm , l= 10 mm,Ca=4660 (kgf)
Trục Y: 40-10B2-FDWC [6]
Với thông số :dr = 40mm , l=10 mm,Ca=5220 (kgf)
9
1.5. Kiểm nghiệm trục vít
1.5.1. Tuổi thọ làm việc
Trục X: 𝐿𝑡 =
𝐶𝑎
𝐹𝑎𝑚 .𝑓𝑤
. 106 .
1
60𝑁𝑚
Trong đó : Ca :Tải trọng động
fw : Hệ số tải trọng (fw = 1,2)
Nm : Tốc độ quay trung bình
𝐿𝑡 = 207082 > 17520
Trục Y:
𝐿𝑡 = 91651 > 17520
→ Thỏa mãn độ bền về thời gian sử dụng .
Hệ số tải trọng : fw=1,2 chế độ trung bình theo tài liệu [1] trang 19.
1.5.2. Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục
Tải trọng uốn
Trục X:
𝛼. 𝜋 2 . 𝑁. 𝐸. 𝐼 𝑚. 𝑑𝑟 4
𝑃=
=
. 103 = 11850,94 𝑘𝑔𝑓 ≥ 𝐹𝑚𝑎𝑥 = 308 (𝑘𝑔𝑓)
2
2
𝐿
𝐿
Trục Y: Py 448(kgf )
Trong đó :
P: tải trọng uốn
α: hệ số an toàn ( α=0.5)
E:suất Young (E=2.1.104 kgf/mm2)
I: momen quán tính hình học min của trục vit me I=
𝜋 .𝑑𝑟 4
64
(mm4)
dr:đƣờng kính trục vít me
L:khoảng cách giữa hai ổ đỡ
N,m : hệ số phụ thuộc kiểu lắp ghép : N=2,m=10.2
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
1.5.3. Tốc độ quay cho phép
Trục X:
𝑑𝑟
32
. 107 = 15,1.
. 107 = 5354 𝑟𝑝𝑚 ≥ 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 3000(rpm)
2
𝐿
9502
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
Trục Y:
𝑑𝑟
45
𝑛𝑐𝑝 = 𝑓. 2 . 107 = 15,1.
. 107 = 13867 𝑟𝑝𝑚 ≥ 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 3000(rpm)
𝐿
7002
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
𝑛𝑐𝑝 = 𝑓.
10
1.5.4. Tính toán momen
a. Điều khiển thông thƣờng: là momen cần sinh ra khi chuyển từ chuyển động quay sang
chuyển động tịnh tiến (momen phát động nằm ở phần quay)
𝑇𝑎 =
𝐹𝑎 . 𝑙
2𝜂1
𝜂1 : là hiệu suất quá trình. Chọn 𝜂1 =0,9.
l: bƣớc của trục vít
Fa : lực tác dụng dọc trục
Trục X:
Lực tác dụng dọc trục: Fa = 88 (kgf)
88.1
Momen điều khiển thông thƣờng: 𝑇𝑎 =
2𝜋.0,9
= 15,56 𝑘𝑔𝑓. 𝑚𝑚
Trục Y:
Lực tác dụng dọc trục: Fa = Fa2= 128 (kgf)
128.1
Momen điều khiển thông thƣờng: 𝑇𝑎 =
2𝜋.0,9
= 22,64 𝑘𝑔𝑓. 𝑚𝑚
b. Điều khiển đảo: là momen cần thiết để chuyển từ chuyển động tịnh tiến sang chuyển
động quay:
Trục X:
Momen điều khiển đảo:
𝑇𝑏 =
𝐹𝑎.𝜂 2 88.0,9
=
= 12,61 𝑘𝑔𝑓. 𝑚𝑚
2𝜋
2𝜋
Trục Y:
𝑇𝑏 = 18,33 𝑘𝑔𝑓. 𝑚𝑚
c. Momen do tải trọng đặt trƣớc
Trục X:
𝐹𝑎𝑜 . 𝑙
102,67.1
𝑇𝑝 = 𝑘
= 0,3.
= 4,90 𝑘𝑔𝑓. 𝑚𝑚
2𝜋
2𝜋
𝐹𝑚𝑎𝑥
308
Fao là tải trọng đặt trƣớc Fao=
=
= 102,67 (kgf
3
3
Trục Y:
𝑇𝑝 = 𝑘
𝐹𝑎𝑜 . 𝑙
= 7,13 𝑘𝑔𝑓. 𝑚𝑚
2𝜋
d. Momen do lực ma sát
Trục X:
Tc =
𝐹𝑚𝑎𝑥 ×𝑙
2×𝜋×𝜂
= 54,47(kgf.cm)
Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trƣớc và momen cần thiết khi
phay với lực tác dụng lớn nhất:
Tl = Tp + Tc =4,90 + 54,47 = 59,37 kgf.cm
11
Trục Y:
Tl = 86,35 kgf.cm
1.5.5. Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít
Trục X:
𝐹
σ= =
𝐴
σ=
308 .9,8 .4
𝜋.32 2
𝐹𝑚𝑎𝑥
𝜋 .𝑑𝑟 2
4
= 3,76 (N/mm2) = 3,76.106(N/m2)
Tmax = Tl = 59,37 kgf.cm = 5937 N.mm
J=
𝜏=
𝜋 𝑑𝑟 4
=
𝜋32 4
= 102944 mm4
32
32
𝑇𝑚𝑎𝑥 .𝑟 5937 .20
𝐽
=
102944
= 1,15 N/mm2 = 1,15.106N/m2
𝜍𝑚𝑎𝑥 = 𝜍 2 + 𝜏 2 = 3,93.106 N/m2
Vật liệu làm trục có thành phần là 105CrMo17 có
Độ bền kéo là – độ cứng biến dạng: 610×106 N/m2>𝜍𝑚𝑎𝑥
Độ bền đàn hồi là – độ cứng chống uốn: 408×106 N/m2>𝜍𝑚𝑎𝑥
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
Trục Y:
𝜍𝑚𝑎𝑥 = 3,6.106N/m2
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
1.5.6. Độ dịch do thay đổi nhiệt độ (mức điều chỉnh 3oC)
Trục X:
+ Độ dịch do nhiệt:
∆𝐿𝜃 = ρ × θ × L = 12.0 × 10-6× 3 ×950 = 0.0342mm.
+ Bán kính lõi ren của trục vít-me:
dr = 32+ 1.4 – 6.35= 27,05mm.
+ Lực gây ra:
𝐹𝜃 = ∆𝐿𝜃 × Ks =
∆𝐿𝜃 ×𝐸×𝜋×𝑑𝑟 2
4𝐿
= 434,46 kgf.
Trục Y:
∆𝐿𝜃 = ρ × θ × L = 12.0 × 10-6 × 3 ×700 = 0.0252 mm.
dr = 40+ 1.4 – 6.35= 35.05mm
𝐹𝜃 = 729,44kgf.
1.6. Tính chọn ổ lăn [6]
Với các thông số :
Đƣờng kính trục vít dr = 45 (mm)
Nhiệt độ làm việc dƣới 105oC
12
FXmax = 323,9(kgf), FYmax = 441,2 (kgf)
Chọn sơ bộ ổ lăn
Do bỏ qua lực hƣớng tâm, chọn ổ bi đỡ một dãy số hiệu 1000906
2. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN RAY DẪN HƢỚNG CHO BÀN X VÀ BÀN Y
2.1. Tính chọn ray cho bàn X:
2.1.1. Các điều kiện đầu:
Chọn mã serie:MSA 25A
Với Hệ số tải động: C = 28,1 kN
Hệ số tải tĩnh: Co = 42,4 kN
Khối lƣợng : Phôi M= 300kg
Bàn máy XM1 = 140 kg
Vận tốc khi không gia công: v = 0,42 m/s
Gia tốc :a1 = a3 = 4,9 m/s2
Các giai đoạn di chuyển trên hành trình:
Tăng/Giảm tốc:
𝑣
0,42
𝑎
4,9
1
t1 = t3 = =
= 0,085 s
1
𝑋1 = 𝑋3 = 𝑎. 𝑡 2 = . 4,9. 0,0852 = 0,018 m = 18 mm
2
2
Vậy đoạn tăng/giảm tốc là 18 mm
Chuyển động đều:
𝑋2 = 650- (18.2) = 614 mm
t2=
6114.10 −3
0,42
= 1,46 s
Hành trình Bàn X :
Lsx = 650 mm
Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: l1x = 410mm
Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: l2x = 286mm
Theo phƣơng z thì tâm phôi trùng tâm bàn máy :l3x = 0
Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy : l4x = 0
Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt bàn máy: l5x = 170mm
Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt phôi: l6x = 400mm
2.1.2. Tính toán các lực riêng rẽ
Chuyển động đều, lực hƣớng kính Pn
a. Chuyển động đều, lực hướng kính
P1 P2 P3 P4
13
𝑃1 =
𝑚1𝑔
4
−
𝑚 1 𝑔𝑙 3
2𝑙1
+
𝑚 1 𝑔𝑙 4
2𝑙2
+
𝑚2𝑔
4
= 1078
b. Chuyển động tăng tốc sang trái, lực
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃1 𝑙𝑎1 = 𝑃1 −
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃2 𝑙𝑎1 = 𝑃2 +
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃3 𝑙𝑎1 = 𝑃3 +
𝑃4 𝑙𝑎1 =𝑃4 −
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
+
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
+
−
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
−
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
= 219 N
= 1937 N
= 1937N
= 219 N
2𝑙 1
Tải phụ 𝑃𝑡𝑛 𝑙𝑎1 : Do 𝑙4 = 0 nên 𝑃1 𝑙𝑎1 =𝑃2 𝑙𝑎1 =𝑃3 𝑙𝑎1 =𝑃4 𝑙𝑎1 = 0 N
c. Chuyển động giảm tốc sang trái phụ
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃1 𝑙𝑎3 = 𝑃1 +
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃2 𝑙𝑎3 = 𝑃2 −
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃3 𝑙𝑎3 = 𝑃3 −
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃4 𝑙𝑎3 = 𝑃4 +
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
+
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
−
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
−
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
+
2𝑙 1
= 1937 N
=219 N
= 219 N
= 1937 N
Tải phụ 𝑃𝑡𝑛 𝑙𝑎3 : Do 𝑙4 = 0 nên 𝑃1 𝑙𝑎3 =𝑃2 𝑙𝑎3 =𝑃3 𝑙𝑎3 =𝑃4 𝑙𝑎3 = 0 N
d. Chuyển động tăng tốc sang phải
𝑃1 𝑟𝑎1 = 𝑃1 +
𝑚 1 𝑎𝑙 6
𝑃2 𝑟𝑎1 = 𝑃2 −
𝑃3 𝑟𝑎1 = 𝑃3 −
𝑃4 𝑟𝑎1 = 𝑃4 +
+
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
−
−
+
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
2𝑙 1
=1937 N
= 219 N
= 219 N
=1937N
Tải phụ 𝑃𝑡𝑛 𝑟𝑎1 : Do 𝑙4 = 0 nên 𝑃1 𝑟𝑎1 =𝑃2 𝑟𝑎1 =𝑃3 𝑟𝑎1 =𝑃4 𝑟𝑎1 = 0 N
e. Chuyển động giảm tốc sang phải
𝑃1 𝑟𝑎3 = 𝑃1 −
𝑃2 𝑟𝑎3 = 𝑃2 +
𝑃3 𝑟𝑎3 = 𝑃3 +
𝑃4 𝑟𝑎3 = 𝑃4 −
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
𝑚 1 𝑎𝑙 6
2𝑙 1
−
+
+
−
𝑚 2 𝑎𝑙 5
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
2𝑙 1
𝑚 2 𝑎𝑙 5
2𝑙 1
= 219 N
= 1937 N
= 1937 N
= 219 N
Tải phụ 𝑃𝑡𝑛 𝑟𝑎3 : Do 𝑙4 = 0 nên 𝑃1 𝑟𝑎3 =𝑃2 𝑟𝑎3 =𝑃3 𝑟𝑎3 =𝑃4 𝑟𝑎3 = 0 N
14
2.1.3. Tính toán tải tƣơng đƣơng
a. Khi chuyển động đều
𝑃𝐸1 = 𝑃1 =1568 N
𝑃𝐸2 = 𝑃2 =1568 N
𝑃𝐸3 = 𝑃3 =1568 N
𝑃𝐸4 = 𝑃4 =1568 N
b. Tăng tốc sang trái
𝑃𝐸1 𝑙𝑎1 = | 𝑃1 𝑙𝑎1 |+| 𝑃𝑡1 𝑙𝑎1 | = 219 N
𝑃𝐸2 𝑙𝑎1 = | 𝑃2 𝑙𝑎1 |+| 𝑃𝑡2 𝑙𝑎1 | = 1937 N
𝑃𝐸3 𝑙𝑎1 = | 𝑃3 𝑙𝑎1 |+| 𝑃𝑡3 𝑙𝑎1 | = 1937N
𝑃𝐸4 𝑙𝑎1 = | 𝑃4 𝑙𝑎1 |+| 𝑃𝑡4 𝑙𝑎1 | = 219 N
c. Giảm tốc sang trái
𝑃𝐸1 𝑙𝑎3 = | 𝑃1 𝑙𝑎3 |+| 𝑃𝑡1 𝑙𝑎3 | = 1937 N
𝑃𝐸2 𝑙𝑎3 = | 𝑃2 𝑙𝑎3 |+| 𝑃𝑡2 𝑙𝑎3 | = 219 N
𝑃𝐸3 𝑙𝑎3 = | 𝑃3 𝑙𝑎3 |+| 𝑃𝑡3 𝑙𝑎3 | = 219 N
𝑃𝐸4 𝑙𝑎3 = | 𝑃4 𝑙𝑎3 |+| 𝑃𝑡4 𝑙𝑎3 | = 1937
2.1.4. Tính toán tải trung bình
𝑃𝑚1 =
3 𝑋1 . 𝑃𝐸1 𝑙 𝑎 1 3 +𝑋2 . 𝑃𝐸1 3 +𝑋3 . 𝑃𝐸1 𝑙 𝑎 3 3 +𝑋1 . 𝑃𝐸1 𝑙 𝑎 3 3 +𝑋2 . 𝑃𝐸1 3 +𝑋3 . 𝑃𝐸1 𝑙 𝑎 3 3
𝐿𝑠
= 1404 N
Pm1 Pm 2 Pm 3 Pm 4 1404
2.1.5. Tính tuổi thọ danh nghĩa
Căn cứ vào tuổi thọ danh nghĩa, ta lấy 𝑓𝑤 = 1.5 ta đƣợc kết quả sau:
C
𝐿1 = 50 ×
𝑓𝑤 × 𝑃𝑚1
3
28,1 × 103
= 50 ×
1,5 × 1404
3
= 118772 km
L1 L2 L3 L4 118772 km
2.2. Tính chọn ray cho bàn Y
2.2.1. Các điều kiện đầu
Chọn mã serie:MSA 25LA
Với Hệ số tải động: C = 34,4 kN
Hệ số tải tĩnh: Co = 56,6 kN
Các giai đoạn di chuyển trên hành trình
Tăng/Giảm tốc
t1 = t3 =0,085s
𝑋1 = 𝑋3 =18 mm
Vậy đoạn tăng/giảm tốc là 18 mm
15
Chuyển động đều
𝑋2 = 400 - (18.2) =364 mm
t2=
364.10 −3
0,42
= 0,86s
Hành trình Bàn Y :
Lsy = 400mm
Coi tâm bàn X,Y,dao cắt nằm trên cùng một đƣờng thẳng.
Với 3 điều kiện trên, ta có các định vị sau :
l1y 245, ; l2y 496 , l 3y 0, l4y 325, l5y 245, l6y 560
2.2.2. Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh
𝐶𝑜
56,6 × 103
𝑓𝑠 =
=
=8
𝑃𝐸2 𝑙𝑎1
7036
2.2.3. Tính toán tải trung bình Pm
𝑃𝑚1 =4311 N, Pm2= 4311 N, Pm3= 2293 N, Pm4= 2293 N
2.2.4. Tính tuổi thọ danh nghĩa
L1 14702 km , L2 L1, L3 97699 km , L4 L3
16
CHƢƠNG II. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ SERVO
2.1. Điều kiện ban đầu
- Tốc độ vòng lớn nhất 3000 vg/ph.
- Thời gian cần thiết để đạt tốc độ lớn nhất là 0.15s.
2.2. Tính toán momen quy đổi
Thời gian dành cho quá trình có gia tốc là rất ngắn, do đó ở đây ta chỉ tính toán cho
giai đoạn chạy đều (chiếm phần lớn thời gian gia công)
Khi hệ thống hoạt động sẽ xuất hiện các thành phần lực, momen chống lại chuyển
động quay từ trục động cơ. Để đơn giản cho việc tính toán, ta biến đổi các thành phần này về
một thành phần duy nhất. Đó là việc quy đổi momen tải về trục động cơ.
Lực cản của hệ thống bao gồm:
Lực ma sát của con chạy với ray dẫn hướng
Lưc cắt do dao cắt
Trọng lượng tải (bàn máy + phôi + vítme v.v.)
Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất của hệ truyền động.
Giả thiết tải trọng G sinh ra lực Fci có vận tốc truyền động là vi
Momen quy đổi của thành phần lực này là:
Tci .
Fci .vi
Tci
Fci .vi
.
(1)
𝜔: Tốc độ động cơ [rad/s]
vi: vân tốc của phần tử thứ i [m/s]
2.2.1. Momen ma sát quy đổi
Hình 2.1 Lực ma sát giữa bàn và ray dẫn hƣớng
17
Ta có Ffric f m.g , f là hệ số ma sát, m là khối lƣợng bàn máy.
v
pB
𝜔
với p B là bƣớc vít, u là tỉ số truyền ( 𝑢 =
), với u=1 vì trục động cơ nối
𝜔 𝑡𝑟 ụ𝑐
u
với trục vít bằng nối trục.
Áp dụng (1) ta có:
Ffric .v
F fric .v
f .m.g . pB
Tf
Tf
Tf
.
2 . .u
0,1.440.9,81.0, 01
T fx
0, 76 Nm
2 .0, 9.1
0,1.640.9,81.0, 01
T fy
1,11 Nm
2 .0, 9.1
2.2.2. Momen trọng lực quy đổi
Hình 2.2. Trọng lực của bàn máy
Công suất do trọng lực tạo ra 𝑁𝐺 = 𝑃. 𝑣 , mà 𝑃 và 𝑣 vuông góc với nhau, do bàn máy
đặt ngang nên 𝑁𝐺 = 0, vậy momen trọng lực quy đổi
TG 0
2.2.3. Momen cắt quy đổi
Hình 2.3. Lực do dao cắt gây ra
18
Theo
tính
toán
ở
phần
tính
trục
vít
me,
lực
cắt
của
dao
gây ra
Fmachx 3021N ; Fmachy 4395 N
Tƣơng tự áp dụng (1):
Tm .
Fmach .v
Tm
Fmach . pB
2 i
0, 010 1325
2,34 Nm
2 1 0,9
0, 010 1325
Tmy
2,34 Nm
2 1 0,9
Tmx
2.2.4. Momen tải quy đổi
- Trƣờng hợp có cắt gọt (chạy có tải): Tmach 0
TL Tf TG Tmach
Trục X:
TL 0, 76 0 2,34 3,10 Nm
Trục Y:
TL 1,11 0 2,34 3, 45 Nm
Vì momen tải quy đổi trƣờng hợp chạy dao cắt lớn hơn nhiều so với trƣờng hợp chạy
không tải nên khi chọn động cơ sẽ chọn theo momen quy đổi trong trƣờng hợp động cơ hoạt
động khi có tải.
2.3. Tính toán momen quán tính tải quy đổi về trục động cơ
Để dễ dàng cho việc tính toán ta quy đồi tất cả momen quán tính của tải về trục động
cơ, gồm có:
Momen quán tính của bàn máy
Momen quán tính của trục vítme
Momen quán tính của khớp nối
Áp dụng định luật bảo toàn năng lƣợng:
Năng lượng do động cơ sinh ra = Tổng năng lượng của các phần tử trong hệ thống
nhận được.
Do vậy ta có:
n
n
n
i2
J
1
1
2
2
J L . J i .i J L J i . 2 2i
2
i 2
i 0
i 0 i
hoặc:
19
n
n
n
v2
J
1
1
J L . 2 mi .vi 2 J L mi. i 2 i2
2
i 2
i 0
i 0
Với Ji và mi lần lƣợt là momen quán tính, khối lƣợng của phần tử thứ i
i
,
Là tỉ số truyền giữa động cơ và các phần tử thứ i
i
vi
2.3.1. Momen quán tính của bàn máy
J T m.(
pB 2
)
2
0, 01
3
2
J Tx 440.
1,12.10 kgm
2
2
2
0, 01
3
2
J Ty 640.
1, 62.10 kgm
2
Trong đó
m:
khối lƣợng bàn máy [kg]
pB: bƣớc vít [mm]
2.3.2. Momen quán tính của vít me đối với trục quay của chính nó
ds 4 . .l.
JS
32
Trong đó:
ds: đƣờng kinh vit me [m]
dsx 0, 032 m
dsy 0.04 m
l: chiều dài vít me
lx 0, 95 m
ly 0, 7 m
𝜌 = 7,85.10-3 khối lƣợng riêng của vít me [kg/m3] (vật liệu 50CrMo4)
0, 0324 .0,95.7,85.103
J Sx
7, 68.1010 kgm 2
32
(2)
0, 044 .0, 7.7,85.103
9
2
J Sy
1,36.10 kgm
32
20
- Xem thêm -