kế điều khiển truyền động bàn máy cho máy phay CNC
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.3 MB, 64 trang )
1
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 C
a
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 3
o
C) 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
2
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 t
c
(s) 44
b.Thiết kế quỹ đạo điểm tác động tác động cuối di chuyển theo đƣờng tròn từ A đến B trong t
c
(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
3
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
4
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.
5
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: M
1
= 300 kg → W
1
= 300 kgf.
Chi tiết làm bằng thép cacbon có khối lƣợng riêng là 7,85g/
3
.
Chiều cao chi tiết là H=200 mm.
Trọng lƣợng bàn gá: W
2x
= 140, W
2y
= 200 kgf.
Chiều dài làm việc: S
x
= 650m, S
y
= 400mm.
Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V
1
= 25 m/ph.
Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực: V
2
= 10 m/ph.
Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0.5g =5 m/s
2
.
Thời gian hoạt động: 5 đến 7 năm → L
t
= 17520h (=6năm x 365ngày x 8giờ)
Hệ số ma sát trƣợt bề mặt: μ = 0.01.
Tốc độ vòng động cơ: N
max
= 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.
6
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
max
max max
VV
l mm
NN
1
8, 33
Chiều dài bƣớc vít-me phải lớn hơn 8,33 mm. Chọn l=10 mm
Tìm lực cắt chính của máy F
m
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:
V
n vg ph
D
1000
397,89 /
Lƣợng chạy dao vòng:
F
S mm vg
n
2, 3 /
Lƣợng chạy dao răng:
S
fz 0,29
8
(mm/răng)
Working engagement (ae) và Working engagement start (aei)
Chọn thỏa mãn điều kiện: ae + aei = D
C
= 80 mm.
Chọn ae = 60; aei = 20 mm
Từ kết quả tính toán của công cụ, ta có lực cắt chính của máy là:
F
m
=
×
=
×
.
= 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=F
ax
= μ × (W
1
+ W
x
) = 44 kgf =431,64 N
TrụcY : fy=F
ay
= μ × (W
1
+W
x
+W
y
) = 64 kgf =627,84 N
7
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): F
a1
= μm
x
g + m
x
a + fx = 308,00 kgf.
Chạy đều (về bên trái): F
a2
= μm
x
g + fx = 88 kgf.
Gia công (về bên trái): F
a3
= F
m
+ μ(m
x
g + F
mz
) + fx = 143,87 kgf.
Giảm tốc (về bên trái): F
a3
= μm
x
g – m
x
a +fx = -211.20 kgf.
Tăng tốc (về bên phải): F
a4
=
- μm
x
g-m
x
a-fx =-228.80 kgf
Chạy đều (về bên phải): F
a5
=- μm
x
g-fx = -8.80 kgf
Gia công (về bên phải): F
a5
=-F
m
- (μm
x
g + F
mz
) –fx =143.87 kgf
Giảm tốc (về bên phải): F
a6
= -μm
x
g+m
x
a-fx = 211.20 kgf
+ Lực dọc trục lớn nhất:
Từ các lực dọc trục tính ở trên ta thấy lực dọc trục max là:
F
1xmax
= max( F
a1,
F
a2,
F
a3,
F
a4,
F
a5
, F
a6
) = 308,00 kgf.
Theo trục Y:
F
1ymax
= max( F
a1,
F
a2,
F
a3,
F
a4,
F
a5,
F
a6
) = 448,00 kgf.
b. Máy chạy với vận tốc lớn nhất khi gia công V2=10 m/min
Theo trục X
F
1xmax
= max( F
a1,
F
a2,
F
a3,
F
a4,
F
a5
, F
a6
) = 308,00 kgf.
Theo trục Y
F
1ymax
= max( F
a1,
F
a2,
F
a3,
F
a4,
F
a5,
F
a6
) = 448,00 kgf.
Lực tác dụng lên trụ
(kgf)
Tốc độ vòng
Thời gian làm việc
10l
ratio(%)
Cao tốc
= 44,00
= 64,00
1
= 2500
1
30t
Phay tinh
2
= 190,00
2
= 280,00
2
= 1000
2
55t
Phay thô
F
1xmax
=308,00
F
1ymax
= 448,00
3
= 200
3
15t
8
Tốc độ quay trung bình của trục vít
m
N t N t N t
N
t t t
1max 1 2 max 2 3 max 3
1 2 3
. . .
Ta có công thức xác định lực trung bình nhƣ sau.
3
1/3
3 3 3
3
1 1 1 2 2 2
3
n
nn
n
i i i
ma
i i i i
F n t F n t F n t
F n t
F
n t n t
Từ đó ta đƣợc lực trung bình
F
mx
=152,46 (kgf); F
my
=224,10 (kgf)
1.3. Tính toán tải trọng
1.3.1. Tải trọng tĩnh
C
o
= f
s
.F
amax
Trong đó: f
s
Hệ số bền tĩnh f
s
: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 : f
s
= 1,5
F
a max
: lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vít me
C
ox
= f
s
.F
xmax1
=1,5. 308,00= 462 (kgf)
C
oy
= 672 (kgf)
1.3.2. Tải trọng động C
a
C
a
=
2
3
10 60
wmtm
fFLN
Trong đó : N
m
: Tốc độ quay trung bình của trục vít, N
m
=1330(rpm)
L
t
: Tuổi thọ yêu cầu, L
t
= 17520h
F
m
: Tải trọng trung bình tác dụng lên trục vít
f
w
: Hệ số tải trọng chọn f
w
= 1,5
C
ax
=2557,17 (); C
ay
=3758,77 ()
9
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
2
7
22
2
7
60
10
2
10
EIg dr
nf
L A L
nL
dr
f
Trong đó:
n : tốc độ quay giới hạn
: hệ số an toàn,
=0.8
E : Suất Young (E=2,1.10
4
kgf/mm
2
)
I : mômen quán tính hình học min của trục vitme
4
4
.
()
64
dr
I mm
g : gia tốc trọng trƣờng
dr: đƣờng kính trục vít me
: trọng lƣợng riêng ,
63
7.8 10 ( / )kgf mm
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
L
x
=650 + 177 + 100 = 927 (mm) chọn 950 (mm)
L
y
=400 +180 + 100 = 680 (mm) chọn 700 (mm)
x
rx
L
d mm
2
7
3000.
.10 17, 93
15,1
y
ry
L
d mm
2
7
3000.
.10 9, 74
15,1
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,C
a
=4660 (kgf)
Trục Y: 40-10B2-FDWC [6]
Với thông số :dr = 40mm , l=10 mm,C
a
=5220 (kgf)
10
1.5. Kiểm nghiệm trục vít
1.5.1. Tuổi thọ làm việc
Trục X:
=
.
. 10
6
.
1
60
Trong đó : C
a
:Tải trọng động
f
w
: Hệ số tải trọng (f
w
= 1,2)
N
m
: Tốc độ quay trung bình
= 207082 > 17520
Trục Y:
= 91651 > 17520
→ Thỏa mãn độ bền về thời gian sử dụng .
Hệ số tải trọng : f
w
=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:
=
.
2
. . .
2
=
.
4
2
. 10
3
= 11850,94
= 308 ()
Trục Y:
y
P kgf448( )
Trong đó :
P: tải trọng uốn
α: hệ số an toàn ( α=0.5)
E:suất Young (E=2.1.10
4
kgf/mm
2
)
I: momen quán tính hình học min của trục vit me I=
.
4
64
(mm
4
)
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:
= .
2
. 10
7
= 15,1.
32
950
2
. 10
7
= 5354
= 3000(rpm)
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
Trục Y:
= .
2
. 10
7
= 15,1.
45
700
2
. 10
7
= 13867
= 3000(rpm)
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
11
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)
=
.
2
1
1
: là hiệu suất quá trình. Chọn
1
=0,9.
l: bƣớc của trục vít
a
F
: lực tác dụng dọc trục
Trục X:
Lực tác dụng dọc trục: F
a
= 88 (kgf)
Momen điều khiển thông thƣờng:
=
88.1
2.0,9
= 15,56
.
Trục Y:
Lực tác dụng dọc trục: F
a
= F
a2
= 128 (kgf)
Momen điều khiển thông thƣờng:
=
128.1
2.0,9
= 22,64
.
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:
=
.
2
2
=
88.0,9
2
= 12,61
.
Trục Y:
= 18,33
.
c. Momen do tải trọng đặt trƣớc
Trục X:
=
.
2
= 0,3.
102,67.1
2
= 4,90
.
F
ao
là tải trọng đặt trƣớc F
ao
=
3
=
308
3
= 102,67 (kgf
Trục Y:
=
.
2
= 7,13
.
d. Momen do lực ma sát
Trục X:
T
c
=
×
2××
= 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:
T
l
= T
p
+ T
c
=4,90 + 54,47 = 59,37 kgf.cm
12
Trục Y:
T
l
= 86,35 kgf.cm
1.5.5. Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít
Trục X:
=
=
.
2
4
=
308 .9,8 .4
.32
2
= 3,76 (N/mm
2
) = 3,76.10
6
(N/m
2
)
T
max
= T
l
= 59,37 kgf.cm = 5937 N.mm
J =
4
32
=
32
4
32
= 102944 mm
4
=
.
=
5937 .20
102944
= 1,15 N/mm
2
= 1,15.10
6
N/m
2
=
2
+
2
= 3,93.10
6
N/m
2
Vật liệu làm trục có thành phần là 105CrMo17 có
Độ bền kéo là – độ cứng biến dạng: 610×10
6
N/m
2
>
Độ bền đàn hồi là – độ cứng chống uốn: 408×10
6
N/m
2
>
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
Trục Y:
= 3,6.10
6
N/m
2
→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn.
1.5.6. Độ dịch do thay đổi nhiệt độ (mức điều chỉnh 3
o
C)
Trục X:
+ Độ dịch do nhiệt:
= × × 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:
=
× K
s
=
×××
2
4
= 434,46 kgf.
Trục Y:
= ρ × θ × L = 12.0 × 10
-6
× 3 ×700 = 0.0252 mm.
dr = 40+ 1.4 – 6.35= 35.05mm
= 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 105
o
C
13
F
Xmax
= 323,9(kgf), F
Ymax
= 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: C
o
= 42,4 kN
Khối lƣợng : Phôi M= 300kg
Bàn máy XM
1
= 140 kg
Vận tốc khi không gia công: v = 0,42 m/s
Gia tốc :a
1
= a
3
= 4,9 m/s
2
Các giai đoạn di chuyển trên hành trình:
Tăng/Giảm tốc:
t
1
= t
3
=
=
0,42
4,9
= 0,085 s
1
=
3
=
1
2
.
2
=
1
2
. 4,9. 0,085
2
= 0,018 m = 18 mm
Vậy đoạn tăng/giảm tốc là 18 mm
Chuyển động đều:
2
= 650- (18.2) = 614 mm
t
2
=
6114.10
3
0,42
= 1,46 s
Hành trình Bàn X :
L
sx
= 650 mm
Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: l
1x
= 410mm
Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: l
2x
= 286mm
Theo phƣơng z thì tâm phôi trùng tâm bàn máy :l
3x
= 0
Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy : l
4x
= 0
Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt bàn máy: l
5x
= 170mm
Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt phôi: l
6x
= 400mm
2.1.2. Tính toán các lực riêng rẽ
Chuyển động đều, lực hƣớng kính Pn
a. Chuyển động đều, lực hướng kính
P P P P
1 2 3 4
14
1
=
1
4
1
3
21
+
1
4
22
+
2
4
= 1078
b. Chuyển động tăng tốc sang trái, lực
1
1
=
1
1
6
2
1
2
5
2
1
= 219 N
2
1
=
2
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
= 1937 N
3
1
=
3
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
= 1937N
4
1
=
4
1
6
2
1
2
5
2
1
= 219 N
Tải phụ
1
: Do
4
= 0 nên
1
1
=
2
1
=
3
1
=
4
1
= 0 N
c. Chuyển động giảm tốc sang trái phụ
1
3
=
1
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
= 1937 N
2
3
=
2
1
6
2
1
2
5
2
1
=219 N
3
3
=
3
1
6
2
1
2
5
2
1
= 219 N
4
3
=
4
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
= 1937 N
Tải phụ
3
: Do
4
= 0 nên
1
3
=
2
3
=
3
3
=
4
3
= 0 N
d. Chuyển động tăng tốc sang phải
1
1
=
1
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
=1937 N
2
1
=
2
1
6
2
1
2
5
2
1
= 219 N
3
1
=
3
1
6
2
1
2
5
2
1
= 219 N
4
1
=
4
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
=1937N
Tải phụ
1
: Do
4
= 0 nên
1
1
=
2
1
=
3
1
=
4
1
= 0 N
e. Chuyển động giảm tốc sang phải
1
3
=
1
1
6
2
1
2
5
2
1
= 219 N
2
3
=
2
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
= 1937 N
3
3
=
3
+
1
6
2
1
+
2
5
2
1
= 1937 N
4
3
=
4
1
6
2
1
2
5
2
1
= 219 N
Tải phụ
3
: Do
4
= 0 nên
1
3
=
2
3
=
3
3
=
4
3
= 0 N
15
2.1.3. Tính toán tải tƣơng đƣơng
a. Khi chuyển động đều
1
=
1
=1568 N
3
=
3
=1568 N
2
=
2
=1568 N
4
=
4
=1568 N
b. Tăng tốc sang trái
1
1
= |
1
1
|+|
1
1
| = 219 N
2
1
= |
2
1
|+|
2
1
| = 1937 N
3
1
= |
3
1
|+|
3
1
| = 1937N
4
1
= |
4
1
|+|
4
1
| = 219 N
c. Giảm tốc sang trái
1
3
= |
1
3
|+|
1
3
| = 1937 N
2
3
= |
2
3
|+|
2
3
| = 219 N
3
3
= |
3
3
|+|
3
3
| = 219 N
4
3
= |
4
3
|+|
4
3
| = 1937
2.1.4. Tính toán tải trung bình
1
=
1
.
1
1
3
+
2
.
1
3
+
3
.
1
3
3
+
1
.
1
3
3
+
2
.
1
3
+
3
.
1
3
3
3
= 1404 N
m m m m
P P P P
1 2 3 4
1404
2.1.5. Tính tuổi thọ danh nghĩa
Căn cứ vào tuổi thọ danh nghĩa, ta lấy
= 1.5 ta đƣợc kết quả sau:
1
= 50 ×
C
×
1
3
= 50 ×
28,1 × 10
3
1,5 × 1404
3
= 118772 km
L L L L km
1 2 3 4
118772
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: C
o
= 56,6 kN
Các giai đoạn di chuyển trên hành trình
Tăng/Giảm tốc
t
1
= t
3
=0,085s
1
=
3
=18 mm
Vậy đoạn tăng/giảm tốc là 18 mm
16
Chuyển động đều
2
= 400 - (18.2) =364 mm
t
2
=
364.10
3
0,42
= 0,86s
Hành trình Bàn Y :
L
sy
= 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 :
y
l
1
245,
;
y
l
2
496
,
y
l
3
0,
y y y
l l l
4 5 6
325, 245, 560
2.2.2. Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh
=
2
1
=
56,6 × 10
3
7036
= 8
2.2.3. Tính toán tải trung bình Pm
1
=4311 N, Pm2= 4311 N, Pm3= 2293 N, Pm4= 2293 N
2.2.4. Tính tuổi thọ danh nghĩa
L km L L L km L L
1 2 1 3 4 3
14702 , , 97699 ,
17
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 F
ci
có vận tốc truyền động là v
i
Momen quy đổi của thành phần lực này là:
.
.
ci i ci i
ci ci
F v F v
TT
(1)
: Tốc độ động cơ [rad/s]
v
i
: 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
18
Ta có
.
fric
F f m g
, f là hệ số ma sát, m là khối lƣợng bàn máy.
B
p
v
u
với
B
p
là bƣớc vít, u là tỉ số truyền ( =
ụ
), với u=1 vì trục động cơ nối
với trục vít bằng nối trục.
Áp dụng (1) ta có:
. . .
. 2 . .
0,1.440.9,81.0,01
0,76
2 .0,9.1
0,1.640.9,81.0,01
1,11
2 .0,9.1
fric fric
B
f f f
fx
fy
F v F v
f m g p
T T T
u
T Nm
T Nm
2.2.2. Momen trọng lực quy đổi
Công suất do trọng lực tạo ra
=
. , mà
và vuông góc với nhau, do bàn máy
đặt ngang nên
= 0, vậy momen trọng lực quy đổi
0
G
T
2.2.3. Momen cắt quy đổi
Hình 2.3. Lực do dao cắt gây ra
Hình 2.2. Trọng lực của bàn máy
19
Theo tính toán ở phần tính trục vít me, lực cắt của dao gây ra
machx machy
F N F N3021 ; 4395
Tƣơng tự áp dụng (1):
.
2
0,010 1325
2,34
2 1 0,9
0,010 1325
2,34
2 1 0,9
mach mach B
mm
mx
my
F v F p
TT
i
T Nm
T Nm
2.2.4. Momen tải quy đổi
- Trƣờng hợp có cắt gọt (chạy có tải):
0
mach
T
L f G mach
T T T T
Trục X:
0,76 0 2,34 3,10
L
T Nm
Trục Y:
1,11 0 2,34 3,45
L
T 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:
2
22
.
22
00
11
22
n n n
ii
L i i L i
i i i
J
J J J J
i
hoặc:
20
2
22
.
22
00
11
22
n n n
ii
L i i L i
i i i
vJ
J m v J m
Với J
i
và m
i
lần lƣợt là momen quán tính, khối lƣợng của phần tử thứ i
,
ii
i
v
Là tỉ số truyền giữa động cơ và các phần tử thứ i
2.3.1. Momen quán tính của bàn máy
2
2
32
2
32
.( )
2
0,01
440. 1,12.10
2
0,01
640. 1,62.10
2
B
T
Tx
Ty
p
Jm
J kgm
J kgm
Trong đó
m: khối lƣợng bàn máy [kg]
p
B
: bƣớc vít [mm]
2.3.2. Momen quán tính của vít me đối với trục quay của chính nó
4
. . .
32
S
ds l
J
Trong đó:
ds: đƣờng kinh vit me [m]
x
y
ds m
ds m
0, 032
0.04
l: chiều dài vít me
x
y
lm
lm
0, 95
0, 7
= 7,85.10
-3
khối lƣợng riêng của vít me [kg/m
3
] (vật liệu 50CrMo4)
43
10 2
43
92
0,032 .0,95.7,85.10
7,68.10
32
0,04 .0,7.7,85.10
1,36.10
32
Sx
Sy
J kgm
J kgm
(2)
21
2.3.3. Momen quán tính của khớp nối
Ta chọn cả hai trục đều chung một loại nối trục
Hình 1. Lựa chọn khớp nối
Vật liệu khớp nối hợp kim nhôm = 2,70 g/cm³ = 2700 kg/m
3
Momen quán tính của khớp nối:
4
. . .
32
C
DL
J
Vậy momen quán tính của khớp nối là:
4
42
0,065 .0,09.2700
4,26.10
32
C
J kgm
Trong đó:
D là đƣờng kính ngoài của khớp nối [m]
L Chiều dài khớp nối [m]
Khối lƣợng riêng của vật liệu khớp nối [kg/m
3
]
22
2.3.4. Momen quán tính quy đổi về trục động cơ
3 10 4
32
22
3 9 4
32
22
1,12.10 7,68 10 4.26 10
1,546.10
1
1,62.10 1.36 10 4.26 10
2,046.10
1
T S C
Lx
T S C
Ly
J J J
J kgm
i
J J J
J kgm
i
Tính tốc độ quay của motor:
Trục X:
max
b
Vi
N rpm
p
max
.
25.1
2500
0,01
Trục Y:
max
b
Vi
N rpm
p
max
.
25.1
2500
0,01
2.4. Lựa chọn sơ bộ động cơ
2.4.1. Tiêu chí lựa chọn động cơ
-
rated max
NN
tốc độ định mức của động cơ ≥ tốc độ lớn nhất của vit me mà tải yêu
cầu.
-
.
rated L
T k T
momen định mức động cơ lớn hơn momen tải quy đổi, trong đó k là hệ
số dự trữ
-
0.5 2
L
M
J
J
tỉ lệ momen quán tính, tỉ lệ đƣa ra nhằm để động cơ hoạt động ổn
định, tránh cộng hƣởng và đạt hiệu suất cao. J
M
là momen quán tính của động cơ
2.4.2. Lựa chọn sơ bộ
- Tốc độ định mức của động cơ
rated max
NN
Trục X và Y:
2500
rated
N rpm
- Momen xoắn định mức của động cơ
.
rated L
T k T
Trục X:
1,2 3,1 3,72
rated
T Nm
Trục Y:
1,2 3,45 4,14
rated
T Nm
- Tỉ số momen quán tính
23
0.5 2 2
2
LL
ML
M
JJ
JJ
J
Ta có:
Trụ X:
32
1,546.10
Lx
J kgm
ta đƣợc
3 3 2
0,773.10 3,092.10
Mx
J kgm
Trụ Y:
32
2,046.10
Ly
J kgm
ta đƣợc
3 3 2
1,023.10 4,092.10
My
J kgm
Dựa vào các dữ kiện trên, chọn động cơ sơ bộ cho cả hai trục cùng loại động cơ nhƣ
sau:
Model 1160E của hãng ANILAM
AM 1160E
Rated Voltage UN =287 V
Rated Power Output PN =2,42 kW
Rated Speed nN =3000 rpm
Rated Torque MN =7,7 Nm
Rated Current IN =5,35 A
Stall Torque MO =10 Nm
Stall Current IO =6,8 A
Maximum Torque Mmax =41 Nm
Maximum speed 5400 rpm
Weight m =12 kg
Rotor Inertia J =15,00
kg cm
2
.
Bảng 1. Thông số động cơ No.1160E
2.5. Kiểm nghiệm động cơ
2.5.1. Kiểm nghiệm động cơ dựa vào momen gia tốc
a. Tiêu chí kiểm tra
Momen gia tốc là một tên gọi khác của momen kéo (Pull-up torque), gọi là momen gia
tốc vì đây là momen sinh ra trong quá trình tăng tốc từ lúc khởi động lên lên tới một vận tốc
nhất định.
Tiêu chí để kiểm nghiệm:
max L a
T T T
trong đó T
a
là momen gia tốc đƣợc tính nhƣ sau:
22
()
max max
a T max T L M
B
aa
T J J J J
pp
B
b. Kiểm nghiệm
Lấy số liệu từ và bảng 1 ta có:
24
43
43
5.2
(15.10 1,546.10 ) 9,50
0,010
5.2
(15.10 2,046.10 ) 11,14
0,010
X
a
Y
a
T Nm
T Nm
Vậy:
Trục X:
3,10 9,50 12,6
La
T T Nm
Trục Y:
3,45 11,14 14,59
La
T T Nm
Thông số của động cơ 1160E cho ta
41,0
max
T Nm
Do đó điều kiện kiểm nghiệm
max L a
T T T
đúng.
Vậy động cơ đã chọn phù hợp về momen gia tốc.
2.5.2. Kiểm nghiệm dựa momen hiệu dụng
a. Tiêu chí kiểm tra
7.2.1 Tiêu chí đánh giá
Trong đó: T
rms
là momen hiệu dụng, k là hệ số dự trữ
Công thức tính momen hiệu dụng nói chung nhƣ sau:
2
ii
rms
Tt
T
t
Trong đó T
i
là momen trong từng giai đoạn diễn ra trong từng thời gian t
i
Hình 2.5. Biểu đồ vận tốc, momen của hệ thống trong một chu kì hoạt động thông thƣờng
25
b. Kiểm nghiệm
Dựa vào hình hình 6 ở trên ta có
13
25
0.083
5 60
max
max
v
t t s
a
Chiều dài dịch chuyển bàn máy
x
y
lm
lm
0, 95
0, 7
Vậy:
1 ax
2
1 ax
2
.
0,95 0,083.0,42
2,18
0,42
.
0,7 0,083.0,42
1,58
0,42
xm
x
max
ym
y
max
L t v
ts
v
L t v
ts
v
2 2 2
1 2 3
1 2 3
2 2 2
2 2 2
1 2 3
1 2 3
22
( ) ( )
(3,10 9,50) 0,083 3,10 2,18 (3,10 9,50) 0,083
0,083 2,18 0,083
6,4
( ) ( )
(3,45 11,14) 0,083 3,45 1,58 (3,45 11,
X
L a L L a
rms
Y
L a L L a
rms
T T t T t T T t
T
t t t
Nm
T T t T t T T t
T
t t t
2
14) 0,083
0,083 1,58 0,083
4,86 Nm
Trong đó:
T
L
là momen tải quy đổi, kết quả tính toán từ
T
a
là momen xoắn gia tốc, kết quả tính toán từ
Bảng 1 số liệu động cơ cho biết T
rated
= 7,7 Nm
Vậy điều kiện
rated rms
T kT
đúng.
Do đó động cơ đã chọn phù hợp về momen hiệu dụng.
2.6. Kết luận
Từ quá trình chọn sơ bộ và kiểm nghiệm lại ở trên, cuối cùng ta chọn đƣợc động cơ
AM 1160E của hãng ANILAM cho hệ thống.
Bảng thông số đầy đủ cho động cơ AM 11610E.
