Tổng quan về các thuật toán nhận diện sự thay đổi hình dạng; nghiên cứu thuật toán nhận dạng sự thay đổi hình dạng bề mặt; ứng dụng thuật toán để nhận dạng sự thay đổi bề mặt gia công
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.84 MB, 82 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu xây dựng hệ thống cơ điện tử
phục vụ đo mịn vít me - đai ốc bi máy CNC
ĐẶNG QUANG THẨM
Ngành Cơ điện tử
Giảng viên hướng dẫn:
TS. Trần Đức Toàn
Viện:
Cơ khí
HÀ NỘI, 2020
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu xây dựng hệ thống cơ điện tử
phục vụ đo mịn vít me - đai ốc bi máy CNC
ĐẶNG QUANG THẨM
Ngành Cơ điện tử
Giảng viên hướng dẫn:
TS. Trần Đức Toàn
Chữ ký của GVHD
Viện:
Cơ khí
HÀ NỘI, 2020
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên tác giả luận văn: Đặng Quang Thẩm
Đề tài luận văn: Nghiên cứu xây dựng hệ thống cơ điện tử phục vụ đo
mịn vít me - đai ốc bi máy CNC
Chuyên ngành: Cơ điện tử
Mã số SV: CB180014
Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận
tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày
29/10/2020 với các nội dung sau:
- Sửa các tên hình ảnh, tên bảng bị sai.
- Gộp nội dung chương 3, chương 4 vào thành một chương (Chương 3).
- Sửa, đánh số lại phần trích dẫn, tài liệu tham khảo.
- Sửa các lỗi chính tả, căn lề nội dung luận văn.
Ngày 26 tháng 11 năm 2020
Giáo viên hướng dẫn
TS. Trần Đức Toàn
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
Tác giả luận văn
Đặng Quang Thẩm
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu thực hiện các nội dung luận văn, em gặp rất nhiều
khó khăn về trang thiết bị vật tư để tiến hành thực hiện luận văn. Đầu tiên, em xin
gửi lời cảm ơn tới TS. Trần Đức Tồn, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn giúp
đỡ và tháo gỡ những khó khăn cho em trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện
nhiệm vụ của luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn tới tập thể các thầy cô giáo
trong bộ môn Máy và Ma sát học - Viện Cơ Khí - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
tạo điều kiện cho em được làm việc và giúp đỡ em trong quá trình nghiên cứu và
thực hiện luận văn này.
Em xin chân thành cám ơn!
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2020
Tác giả
Đặng Quang Thẩm
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu xây dựng hệ thống cơ điện tử phục vụ đo mòn vít me đai ốc bi được trình bày gồm 03 chương:
Chương 1: Tổng quan về vít me – đai ốc bi.
Nghiên cứu tổng quan về vít me – đai ốc bi, các đặc tính cơ bản của vít me đai ốc bi và các cơng trình nghiên cứu về vít me – đai ốc bi trong và ngoài nước.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn và ngun lý hệ thống đo mịn vít me đai ốc bi.
Trong chương này đưa ra lý thuyết tính tốn về lượng mịn của vít me-đai ốc
bi và nguyên lý của hệ thống đo mịn vít me -đai ốc bi.
Chương 3: Tính tốn và mơ phỏng hệ thống đo mịn vít me-đai ốc bi.
Đưa ra được yêu cầu đối với hệ thống đo, xây dựng phương án thiết kê hệ
thống đo tối ưu và nêu được phương pháp đo mịn vít me - đai ốc bi.
Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả đo thực nghiệm.
MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................................iii
DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... v
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI .......................................... 3
1.1. Tổng quan về vít me – đai ốc bi ....................................................................... 3
1.1.1. Đặc điểm của vít me – đai ốc bi.................................................................... 3
1.1.2. Ứng dụng của vít me – đai ốc bi ................................................................... 5
1.2. Phân loại vít me – đai ốc bi............................................................................... 6
1.2.1. Theo hình dáng và kết cấu ............................................................................. 6
1.2.2. Theo cấp chính xác ....................................................................................... 12
1.2.3. Theo cơng dụng............................................................................................. 17
1.3. Các dạng hỏng vít me – đai ốc bi ................................................................... 18
1.4. Các đặc trưng, tính tốn cơ bản của vít me – đai ốc bi................................ 21
1.4.1. Độ cứng chống biến dạng đàn hồi [19] ...................................................... 21
1.4.2. Tải tĩnh dọc trục danh nghĩa Coa [22] ......................................................... 21
1.4.3. Tải động dọc trục danh nghĩa Ca [22]......................................................... 22
1.4.4. Tải dọc trục sửa đổi [22] .............................................................................. 22
1.4.5. Tuổi thọ vít me – đai ốc bi [22]................................................................... 23
1.5. Vật liệu làm vit me – đai ốc bi........................................................................ 24
1.6. Một số nghiên cứu về vít me – đai ốc bi trên thế giới ................................. 25
1.7. Một số nghiên cứu tại Việt Nam .................................................................... 32
KẾT LUẬN CHƯƠNG I............................................................................................. 33
CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN VÀ NGUN LÝ HỆ THỐNG
ĐO MỊN VÍT ME – ĐAI ỐC BI............................................................................... 34
2.1. Tổng quan về mòn vật liệu.............................................................................. 34
2.1.1. Khái niệm về mòn và mòn ma sát............................................................... 34
2.1.2. Ảnh hưởng của các yếu tố cơ bản đến mịn............................................... 35
2.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn lượng mịn của vít me – đai ốc bi [5]................. 39
i
2.3. Phân tích, lựa chọn hệ thống đo sai số vít me – đai ốc bi. .......................... 44
KẾT LUẬN CHƯƠNG II ...........................................................................................47
CHƯƠNG III. TÍNH TỐN VÀ MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ĐO MỊN VÍT ME –
ĐAI ỐC BI.....................................................................................................................48
3.1. u cầu của máy thí nghiệm đo. .................................................................... 48
3.2. Thiết kế cơ khí của máy thí nghiệm. .............................................................. 48
3.2.1. Một số phương án bố trí hệ thống đo..........................................................48
3.2.2 Phương án tạo tải. [5, 12, 13]........................................................................50
3.3. Hệ thống điều khiển của máy thí nghiệm...................................................... 54
3.3.1 Modul điều khiển Adruino 2560. .................................................................55
3.3.2 Giao diện điều khiển. .....................................................................................59
3.3.3 Lưu đồ giải thuật chương trình điều khiển và hiển thị. .............................60
3.4 Phương pháp đo. ................................................................................................ 60
3.5 Tổ hợp máy thí nghiệm. .................................................................................... 63
3.6. Thơng số mơ phỏng và tính tốn biến dạng .................................................. 64
3.6.1 Xác định các thông số mô phỏng. ................................................................64
3.7. Kết quả mô phỏng và ví dụ thực nghiệm. ..................................................... 65
KẾT LUẬN CHƯƠNG III ..........................................................................................68
KẾT LUẬN CHUNG ...................................................................................................69
Kết Luận: .......................................................................................................................69
Tài Liệu Tham Khảo ....................................................................................................70
ii
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Phương pháp xây dựng lên vít me – đai ốc bi ........................................... 3
Hình 1.2. Các bộ phận chính của vít me– đai ốc bi [1] ............................................. 3
Hình 1.3. Hình ảnh một số bộ truyền vít me– đai ốc bi............................................. 5
Hình 1.4. Vít me– đai ốc bi sử dụng để dịch chuyển bàn máy trong trung tâm gia cơng [1]
........................................................................................................................................... 5
Hình 1.5. Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải............................... 6
Hình 1.6. Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối [29] ....................................... 7
Hình 1.7. Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối [29]..................................... 8
Hình 1.8. Đai ốc có ren nhiều đầu mối [29]................................................................ 8
Hình 1.9. Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc [29]................. 9
Hình 1.10. Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống [29]............................... 9
Hình 1.11. Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vịng ren kế tiếp [29]... 9
Hình 1.12. Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm [29]....... 10
Hình 1.13. Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với bước vít khoảng α [29]
....................................................................................................................................................................................... 11
Hình 1.14. Khử khe hở bằng tăng kích thước bi [29] .............................................. 11
Hình 1.15. Kết cấu khử khe hở và đặt tải bằng lò xo [29] ...................................... 12
Hình 1.16. Thơng số độ chính xác của bước vít me [17] ........................................ 12
Hình 1.17. Rỉ sét bề mặt vít me – đai ốc bi [14,18] ................................................. 19
Hình 1.18. Tróc rỗ bề mặt làm việc vít me – đai ốc bi [22].................................... 19
Hình 1.19. Vít me – đai ốc bi bị cong trục vít me [16]............................................ 20
Hình 1.20 Mịn đai ốc, mịn trục vít của vít me - đai ốc bi [12] ............................. 20
Hình 1.21. Mơ tả kiểu ma sát trong vít me - đai ốc bi [16]..................................... 26
Hình 1.22. Lượng mòn, tải đặt trước phụ thuộcvận tốc và số hành trình [19] ..... 27
Hình 1.23 Ảnh hưởng tốc độ quay trục vít đến tăng (giảm) tải đặt trước [11]..... 27
Hình 1.24. Mơ hình hóa hệ Bi chặn - vít me – đai ốc và bi [22] ............................ 28
Hình 1.25. Tải tác động lên bi trong bộ truyền vít me – đai ốc bi [32] ................. 29
Hình 1.26. Quan hệ tần số các bi vào tải, tốc độ quay nvàđường kính bi DW [27]
......................................................................................................................................... 29
iii
Hình 1.27. Thay đổi nhiệt độ trong bộ truyền vít me – đai ốc bi [31] ...................30
Hình 1.28 Biến đổi nhiệt độ dẫn tới sai lệch vị trí đai ốc [30]................................30
Hình 1.29. Quan hệ tuổi thọ tương đối với mật độ nước trong chất bơi trơn [32]
.........................................................................................................................................31
Hình 1.30 Phân phối tải trên các bi và khi một viên bi có lỗi kích thước [26] .....31
Hình 2.1. Sự phụ thuộc mịn vào thời gian t hoặc quãng đường ma sát L [4] ......34
Hình 2.2. Đồ thị nguyên tắc sự phụ thuộc của mịn vào vận tốc [4] ......................36
Hình 2.3. Hệ hai lị xo chịu tải [5] ..............................................................................40
Hình 2.4. Quan hệ giữa mịn tổng cộng và mịn dọc trục [5]..................................41
Hình 2.5 Mơ hình hóa hệ Vít me – đai ốc – bi trước và sau mịn [5] ....................44
Hình 3.1 Sơ đồ ngun lý phương án sử dụng đồng hồ so gắn cố định ................49
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý phương án sử dụng đồng hồ so di động ......................49
Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý phương án sử dụng kết hợp thước quang đo thẳng (LS)
và thước quang đo quay (RE) [5]................................................................................50
Hình 3.4 Sơ đồ đặt tải lên vít me – đai ốc bi .............................................................51
Hình 3.5 Tạo tải nhờ tải trọng .....................................................................................52
Hình 3.6 Tạo tải nhờ hệ thống thủy lực có pittong – xilanh tích hợp với sống trượt ........53
Hình 3.7 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển. .................................................................54
Hình 3.8 Sơ đồ thành phần của Adruino 2560 ..........................................................55
Hình 3.9 Giao diện điều khiển ....................................................................................59
Hình 3.10 Sơ đồ đo mịn tại B – mịn má trái ren.....................................................61
Hình 3.11 Sơ đồ đo mịn tại B – mịn má phải ren ...................................................61
Hình 3.12 Tổ hợp máy thí nghiệm..............................................................................63
iv
DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 ep cho phép với bộ truyền cần độ chính xác định vị cao [13] ................ 14
Bảng 1.2 ep cho phép với bộ truyền có khơng u cầu độ chính xác định vị cao [13] 14
Bảng 1.3Vup cho phép theo cấp chính xác [13] ........................................................ 14
Bảng 1.4 V300p cho phép theo cấp chính xác [13]..................................................... 15
Bảng 1.5 V2πp cho phép theo cấp chính xác [13] ...................................................... 15
Bảng 1.6 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của NSK [29] ....................... 16
Bảng 1.7 Cấp chính xác cần thiết cho các trục máy của HIWIN [15] ................... 16
Bảng 1.8 Hệ số phụ thuộc độ chính xác .................................................................... 23
Bảng 1.9 Hệ số phụ thuộc xử lý khí khi nhiệt luyện thép ....................................... 23
Bảng 1.10 Vật liệu và phương pháp nâng cao chất lượng bề mặt .......................... 25
Bảng 1.11 Hệ số ma sát trong vít me – đai ốc bi theo mơ phỏng và ước tính,so sánh
[55] ................................................................................................................................. 26
Bảng 2.1 Mơ tả sai lệch vị trí đai ốc do biến dạng đàn hồi [5]............................... 41
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật vít me – đai ốc bi ......................................................... 65
Bảng 3.2 Kết quả đo mòn ............................................................................................ 66
v
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngành cơ khí vẫn được ví như “xương sống” của nền kinh tế, là nền tảng, là
động lực hỗ trợ cho các ngành kinh tế khác phát triển. Điều này càng trở nên rõ
nét hơn trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa
đất nước. Cơ khí xuất hiện trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp vũ trụ, công nghiệp
khai thác, cơng nghiệp hóa học, đến cả cơng nghiệp du lịch, và đời sống thường
ngày đều có sự hiện diện của các cơ cấu, chi tiết, sản phẩm máy móc cơ khí với
từng mức độ khác nhau.
Trong sự phát triển, hiện đại hóa của ngành cơ khí và đặc biệt là trong lĩnh
vực cơ khí chế tạo và gia cơng cơ khí chính xác, chúng ta khơng thể khơng kể tới
tầm quan trọng của máy công cụ CNC. Các máy CNC khơng chỉ chiếm ưu thế về
độ chính xác và độ phức tạp trong gia công sản phẩm mà gia cơng CNC cịn đem
lại hiệu quả kinh tế rõ rệt do giảm thiểu thời gian gia công nhờ tự động hóa cao
các chuyển động phụ (cấp phơi, thay dao, bù dao,...), hoặc thực hiện đồng thời
nhiều nguyên công khác nhau.
Các chuyển động tịnh tiến dao hoặc phôi trong máy cơng cụ cần có các cơ
cấu truyền động từ động cơ đến cơ cấu chấp hành như: Vít me – đai ốc, bánh răng
– thanh răng hoặc tay quay – thanh truyền... Do vít me – đai ốc bi có kết cấu khử
khe hở, ma sát nhỏ nên độ chính xác truyền động và hiệu suất cao hơn. Vì vậy, vít
me - đai ốc bi ngày càng được sử dụng rộng rãi trong máy công cụ, đặc biệt là máy
công cụ CNC và đem lại hiệu quả kinh tế rõ rệt
Do độ chính xác vít me - đai ốc bi quyết định độ chính xác chi tiết được gia
cơng nên trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, khảo sát các vấn đề liên quan tới
cụm chi tiết vít me - đai ốc bi. Kết quả nghiên cứu về việc xác định độ mịn của vít
me - đai ốc bi là cơ sở cho việc tính tốn xác định độ chính xác của sản phẩm, tạo
tiền đề cho việc lập kế hoạch bảo dưỡng, sửa chữa, thay thế vít me - đai ốc bi trong
vận hành sản xuất thực tế.
1
2. Mục đích nghiên cứu của luận văn
Đưa ra được ngun lý tính tốn và xây dựng được hệ thống đo mịn vít me
– đai ốc bi.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu là các loại vít me - đai ốc bi nói chung và trong phần
mơ phỏng là vít me - đai ốc bicó mã hiệu: R16-5T3-FSI-G, thường được sử dụng
trong cơng nghiệp.
Phạm vi nghiên cứu:
- Xác định độ mịn vít me – đai ốc bi.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với mơ phỏng.
-
Nghiên cứu lý thuyết mịn, các yếu tố ảnh hưởng đến mòn, mối quan hệ
giữa mịn và độ chính xác, tuổi thọ của vít me - đai ốc bi.
Nghiên cứu thiết kế và mô phỏng hệ thống đo, phương pháp đo, thiết kế hệ
thống tạo tải, thiết kế nguyên lý làm việc cho hệ thống đo mịn vít me – đai ốc bi.
Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
-
Nghiên cứu, đưa ra phương pháp xác định độ mòn và giúp nghiên cứu nâng
cao tuổi thọ của vít me - đai ốc bi.
Ý nghĩa thực tiễn
- Kết quả nghiên cứu có thể dùng để tham khảo cho việc đo mịn vít me - đai
ốc bi, là tiền đề cho việc xác định sai số sản phẩm, từ đó có kế hoạch điều chỉnh,
bảo dưỡng, thay thế phù hợp cho từng đối tượng sử dụng có u cầu độ chính xác
khác nhau.
2
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VÍT ME – ĐAI ỐC BI
1.1. Tổng quan về vít me – đai ốc bi
1.1.1. Đặc điểm của vít me – đai ốc bi
Bộ truyền vít me – đai ốc bi là một trong các loại của bộ truyền vít me –
đai ốc, có tác dụng biến chuyển động quay của trục vít thành chuyển động
tịnh tiến của đai ốc và ngược lại, hiện được sử dụng khá phổ biến trong các
máy móc, thiết bị.
.
Hình 1.1. Phương pháp xây dựng lên vít me– đai ốc bi
Hình 1.2. Các bộ phận chính của vít me– đai ốc bi [1]
3
Đặc điểm chính của bộ truyền vít me – đai ốc bi:
Vít me – đai ốc bi có đặc điểm khác biệt so với các bộ truyền vit me – đai ốc
thường đó là ma sát trong bộ truyền là ma sát tổng hợp cả lăn và trượt. Đặc điểm
này làm cho hiệu suất của bộ truyền cao hơn, mất mát do ma sát ít hơn, đáp ứng
rất tốt với yêu cầu khởi động nhanh và dừng chính xác.
Trong vít me – đai ốc bi có rãnh hồi bi, tạo điều kiện để các bi chuyển động
tuần hoàn trong đai ốc bị. Đặc điểm này làm cho tải trung bình đặt lên từng viên
bi là tương đối đều nhau, khơng có hiện tượng mịn cục bộ một hoặc một số viên
bi trong bộ truyền.
Bằng các biện pháp khử khe hở trong bộ truyền, có kết cấu dạng modul, bao
gồm các chi tiết tiêu chuẩn, thuận lợi cho việc gia cơng, chế tạo và lắp ráp chính
xác. Do đó, vít me – đai ốc bi có độ chính xác truyền động cao hơn, được ứng dụng
trong thiết kế chế tạo CNC và trong nhiều lĩnh vực khác.
Ưu điểm của vít me – đai ốc bi:
- Tổn thất ma sát ít, hiệu suất của bộ truyền cao ƞ≈ 0,9.
- Không có khe hở trong mối ghép ren và có thể tạo ra lực căng cho trước
bảo đảm độ cứng vững hướng trục cao, bảo đảm độ chính xác truyền dẫn cao,
nhấtlà khi đảo chiều chuyển động.
- Hệ số ma sát lăn phụ thuộc rất nhỏ vảo vận tốc lăn của bi trong vùng làm
việc, giúp nâng cao khả năng chuyển động ổn định.
- Độ chính xác dịch chuyển bị hạn chế bởi sai số chế tạo, cần có rãnh để đưa
con lăn trở về.
- Độ cứng chống biến dạng thấp hơn so với bộ truyền vít me – đai ốc
kháccùng kích thước.
-
Khả năng chống quá tải thấp hơn so với bộ truyền khác.
Nhược điểm của vít me – đai ốc bi:
- Vít me - đai ốc bi có khả năng chịu tải kém hơn so với vít me thường. ( do
đặc điểm cấu tạo)
- Ngoài ra do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khăn và giá thành vẫn
cịn đắt so với vít me thường.
4
Hình 1.3. Hình ảnh một số bộ truyền vít me– đai ốc bi
1.1.2. Ứng dụng của vít me – đai ốc bi
Vít me – đai ốc bi là cơ cấu có khả năng chịu tải lớn, độ tin cậy cao trong q
trình truyền động nên nó có một vị trí quan trọng trong các ngành công nghiệp hiện
nay, đặc biệt là trong gia cơng cơ khí. Trong các máy cơng cụ nói chung, máy CNC
nói riêng, khi cần truyền động, biến đổi từ chuyển động quay của động cơ sang
chuyển động tịnh tiến của bàn máy hoặc đầu trục chính, chủ yếu dùng cơ cấu vít
me– đai ốc bi.
Hình 1.4. Vít me– đai ốc bi sử dụng để dịch chuyển bàn máy trong trung tâm gia công
[1]
5
Trong máy cơng cụ CNC, trục vít me thường được lắp đặt cố định dọc trục
với thân máy, đai ốc được lắp cố định với bàn máy. Khi vít me thực hiện chuyển
động nhờ hệ thống truyền dẫn, làm cho đai ốc tịnh tiến dọc trục vít me và đưa bàn
máy chuyển động theo. Lượng dịch chuyển của đai ốc được tính theo góc quay của
trục vít me và có thể thay đổi nhờ động cơ Servo. Bàn máy có tác dụng thực hiện
chuyển động chạy dao trong quá trình gia cơng nên u cầu độ chính xác cao vì nó
quyết định đến độc chính xác gia cơng. Chính vì vậy, vít me – đai ốc bi là cụm chi
tiết có ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng q trình gia cơng.
Ngồi ra, vít me – đai ốc bi cịn được sử dụng trong một số lĩnh vực khác như
trong cơng nghệ hóa dầu, thủy điện…Hoặc sử dụng trong một số trường hợp đặc
biệt dùng để nâng theo chiều thẳng đứng với tải trọng lớn và yêu cầu độ chính xác
cao như hệ thống nâng tại đơn vị nơi bản thân đang cơng tác.
1.2. Phân loại vít me – đai ốc bi
1.2.1. Theo hình dáng và kết cấu
Trên thế giới hiện nay có rất nhiều hãng nổi tiếng cung cấp các loại vít
me - đai ốc bitiêu chuẩn như: Thomson; Carry; Steinmeyer; Kurim; NSK;
KSK; HIWIN; GTEN; TBI; NIKO,SKF,…
Mỗi hãng có những ký hiệu riêng, có sản phẩm theo tiêu chuẩn riêng,
có sản phẩm theo tiêu chuẩn chung. Tuy nhiên, có thể phân loại vít me - đai
ốc bi như sau:
Phân loại theo chiều của ren vít
Theo cách phân loại này, có hai loại ren vít là ren trái và ren phải. Bộ
truyền có ren trái tuy được đề cập đến [15,17,20,30], nhưng ít được sản xuất
sẵn, đại trà. Có thể hiểu mặc định vít me - đai ốc bi có ren phải. Hình 1.5 mơ
tả hai loại vít me - đai ốc bi có ren trái và phải:
Ren trái
Ren phải
Hình 1.5. Vít me – đai ốc bi loại có ren trái và loại có ren phải
6
Phân loại theo số đầu mối ren:
-
Loại có ren một đầu mối: Là loại phổ thông và hiện được sử dụng khá
rộng rãi. Ren một đầu mối là loại truyền chuyển động với độ chính xác cao hơn so
với ren nhiều đầu mối bởi chế tạo đơn giản hơn và bước vít thường nhỏ hơn. Hình
1.6 mơ tả ren một đầu mối:
Hình 1.6. Vít me – đai ốc bi loại có ren một đầu mối [29]
Với lợi thế về khả năng thay đổi tốc độ nhờ động cơ servo và hệ số ma sát
nhỏ hơn rất nhiều so với các bộ truyền vít me - đai ốc ma sát trượt thông thường
nên khi cần truyền chuyển động với vận tốc lớn thì vẫn có thể dùng loại có ren một
đầu mối và thay đổi tốc độ nhờ động cơ servo mà khơng bắt buộc cần đến bộ truyền
vít me - đai ốc biloại có ren nhiều đầu mối.
-
Loại có ren nhiều đầu mối: Là loại được chế tạo phức tạp hơn so với loại
ren một đầu mối. Do các mối ren khi được chế tạo đều có sai số bước và sai số tích
lũy, nên cần sự chính xác rất cao giữa khoảng cách các mối ren trên đai ốc và
khoảng cách giữa các mối ren trên trục vít me tại các tiết diện khác nhau. Hình 1.7
thể hiện hình ảnh vít me - đai ốc bi có ren nhiều đầu mối:
7
Hình 1.7. Vít me – đai ốc bi loại có ren nhiều đầu mối [29]
Loại vít me - đai ốc bi có ren nhiều đầu mối thường có góc xoắn vít lớn
nên lực dọc trục tác động lên các bi trong bộ truyền vít me - đai ốc bi có ren
nhiều đầu mối nhỏ hơn so với loại một đầu mối [7,8], ưu điểm của bộ vít me
- đai ốc bi có ren nhiều đầu mối là tỷ số truyền lớn hơn so với loại một đầu
mối.
Việc chế tạo phức tạp hơn so với đai ốc có ren một đầu mối có cùng độ
chính xác. Loại có ren nhiều đầu mối, cụm đai ốc có hai rãnh bi độc lập với
nhau, không thay đổi tải đặt trước. Bộ truyền kiểu này khơng được sử dụng
rộng rãi. Hình 1.8 mơ tả đai ốc cho ren nhiều đầu mối
Hình 1.8. Đai ốc có ren nhiều đầu mối [29]
Phân loại theo kiểu hồi bi trên đai ốc:
-
Loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc: Rãnh hồi bi song song với đường tâm
đai ốc. Đường dẫn bi đến rãnh hồi bi được bố trí trên nắp của đai ốc. Kết cấu vít
me - đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc được chỉ ra trên hình 1.9. Ưu
điểm của loại này là rãnh hồi bi nằm bên trong đai ốc nên gọn và tính cơng nghệ
cao, phân phối tải đều hơn. Tuy nhiên, kích thước đai ốc to hơn, hạn chế hành trình
hơn so với vít me - đai ốc bi cùng cỡ.
Máng đổi
hướng bi
Đai ốc
Rãnh hồi bi
Trục vít me
8
Hình 1.9. Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi theo lỗ trên đai ốc [29]
-
Loại có rãnh hồi bi kiểu ống: Là loại có phương án hồi bi phổ biến nhất hiện
nay do ưu điểm dễ chế tạo, sửa chữa và căn chỉnh, kích thước đai ốc không lớn.
Ống hồi bi được lắp vào đai ốc nằm trong giới hạn kích thước đường kính ngồi
của đai ốc. Nhược điểm của phương án này là phân phối lực trên đai ốc khơng đều,
độ bền mịn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy khơng cao. Hình 1.10 thể
hiện vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống.
Rãnh hồi bi
Trục vít me
Hình 1.10. Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi kiểu ống [29]
-
Loại có rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: Rãnh hồi bi được bố trí trên
một máng lót đặc biệt. Để đặt máng lót rãnh hồi bi, trên đai ốc cóphân bố các hốc
cách đều theo chu vi và được thể hiện như hình 1.11. Kết cấu này khác với các kết
cấu khác ở chỗ đường hồi bi là đường nối hai rãnh kế tiếp nhau và có ưu điểm:
Kích thước đường kính đai ốc nhỏ hơn kích thước của bộ truyền vít me khác có
cùng đường kính, khơng bị mịn nhanh, có độ tin cậy cao, chiều dài rãnh hồi bi
nhỏ.
Đai ốc
Máng đổi hướng bi
Trục vít me
Hình 1.11. Vít me – đai ốc bi loại có rãnh hồi bi giữa hai vịng ren kế tiếp [29]
9
Tuy nhiên, nhược điểm của kết cấu hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp là
chế tạo phức tạp, độ khó cao, nhất là khi gia cơng rãnh hồi bi trên chi tiết đai
ốc. Đồng thời, mỗi viên bi chỉ chuyển động tương đối với đai ốc trên một
vòng ren nên tải phân bố trên đai ốc và vít me sẽ khó đều và phụ thuộc độ
chính xác phân bố các hốc bi trên chu vi đai ốc.
Phân loại theo cách đặt tải trước và khử khe hở:
-
Loại khử khe hở và đặt tải trước bằng tấm đệm: Loại này được đặt tải để khử
khe hở bằng cách ghép nốimột tấm đệm vào giữa hai đai ốc. Khi muốn tải đặt trước
là kéo, chiều dày tấm đệm là dương. Khi muốn tải đặt trước là nén, chiều dày tấm
đệm là âm.
Với chiều dày tấm đệm khác nhau cho phép thay đổi tải đặt trước làm thay
đổi độ cứng của bộ truyền vít me - đai ốc bi. Phương pháp này có kết cấu đơn
giản hơn nhưng có nhược điểm là điều chỉnh khó khăn. Hình 1.12 mơ tả vít
me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở và đặt tải trước bằng tấm đệm.
Tấm đệm
Tấm đệm
Tải trước kéo
Tải trước kéo
Tải trước nén
Tải trước nén
Hình 1.12. Vít me – đai ốc bi loại có kết cấu khử khe hở nhờ tấm đệm [29]
-
Loại khử khe hở bằng cách dùng đai ốc có hai hệ thống rãnh bi, với
khoảng cách rãnh lớn (hoặc nhỏ) hơn so với bước vít là α: Kết cấu này địi
hỏi chế tạo phức tạp và chính xác hơn loại có hai đai ốc. Trong thân đai ốc
chế tạo hai hệ thống rãnh bi cách nhau một khoảng Ph ± α, trong đó α đặc
trưng cho tải đặt trước ứng với từng loại vít me - đai ốc bi. Loại này có nhược
điểm là khoảng cách giữa hai hệ thống rãnh bi là cố định nên việc chỉnh sửa,
khử khe hở hoặc thay đổi tải đặt trước là không thực hiện được. Kết cấu loại
khử khe hở kiểu này được thể hiện ở hình 1.13 (Ph là ký hiệu bước vít me).
10
Đai ốc bi
Ph
Ph ±α
Ph
Hình 1.13. Loại có hai rãnh bi, khoảng cách tăng (giảm) so với
bước vít khoảng α [29]
-
Loại khử khe hở bằng cách tăng kích thước bi: Là loại cần độ chính xác chế
tạo cao hơn và yêu cầu lắp ráp khắt khe hơn. Kích thước khơng gian rãnh bi tạo
bởi ren trên trục vít và đai ốc được chế tạo nhỏ hơn hoặc bằng kích thước bi chịu
tải làm cho viên bi tiếp xúc cả hai má của rãnh trên trục vít và cả hai má của rãnh
trên đai ốc. Đai ốc của vít me - đai ốc bi loại này có kích thước nhỏ nhất so với các
loại khác nhưng cũng là loại có độ cứng chống biến dạng đàn hồi nhỏ nhất, thường
được dùng trong các máy CNC địi hỏi độ chính xác, độ cứng khơng q cao hoặc
trong các tay máy, robot ...Hình 1.14 thể hiện kết cấu khử khe hở bằng cách tăng
kích thước bi.
Trục vít
Đai ốc
Bi tạo khoảng cách
Đai ốc
Trục vít
-
Ph
Ph
Đai ốc
Trục vít
Bi chịu tải
Hình 1.14. Khử khe hở bằng tăng kích thước bi [29]
Loại khử khe hở và đặt tải bằng lị xo: Là loại dùng lị xo có tải đặt trước
khá ổn định, khả năng thay đổi tải đặt trước dễ dàng. Tuy nhiên độ đàn hồi của
cụm đai ốc cao, sẽ có chuyển vị lớn hơn khi tải tác động lớn. Bộ truyền này thường
11
được sử dụng trong các máy có tốc độ cao, tải nhỏ. Hình 1.15 thể hiện kết
cấu vít me - đai ốc bi khử khe hở và đặt tải bằng lò xo
Đai ốc A
Lò xo
Đai ốc B
Lò xo
Đai ốc A
Đai ốc B
Tải ngồi
Hình 1.15. Kết cấu khử khe hở và đặt tải bằng lị xo [29]
1.2.2. Theo cấp chính xác
Theo cấp chính xác làm việc yêu cầu của máy, thiết bị cơ khí, cùng với
tải làm việc và tuổi thọ dự kiến, bộ truyền vít me - đai ốc bi được lựa chọn sử
dụng phải phù hợp. ISO 3408 – 3 quy định phân loại vít me - đai ốc bi theo
cấp chính xác dựa vào lượng sai lệch vị trí đai ốc bi. Trong đó, vít me - đai ốc
bi được phân theo các cấp chính xác khác nhau: C0; C1; ... C10. Chữ số đằng
sau càng lớn thể hiện độ chính xác thấp dần [15, 25, 29].
Hình 1.16 thể hiện ý nghĩa các thơng số hình học theo cấp chính xác của
vít me - đai ốc bi cho trong bộ tiêu chuẩn ISO 3408
Hình 1.16. Thơng số độ chính xác của bước vít me [17]
Trên hình
l u: Chiều dài đoạn ren vít me có ích;
C: Giá trị sai số tích lũy bước vít;
l: Chiều dài trục vít me;
Vup:Miền giá trị đo thực của mỗi phép đo;
12
e: Sai lệch vị trí của đai ốc;
V2πp: Độ lệch khi đai ốc quay một vòng ren;
V300p :Độ rộng miền phân bố giá trị vị trí khi đai ốc di chuyển trên đoạn 300 mm
bất kỳ;
ep: Chấp nhận sai số trong hành trình quy định.
Xét một vít me - đai ốc bi, khi cho vít me quay, đai ốc tịnh tiến từ điểm bắt
đầu (điểm O) đến vị trí A mong muốn, cách O một khoảng OA. Theo danh nghĩa
chỉ cần cho vít me quay số vịng là n =
OA
Ph
với Ph là bước vít danh nghĩa. Do sai
số chế tạo, giá trị thực của bước thường không bằng giá trị bước danh nghĩa (Ph)
mà là (Ph ± ∆p). Lúc đó đai ốc sẽ đi đến vị trí cách A một khoảng OA ± ∆p * n.
Giá trị ∆p * n = C là giá trị sai số tích lũy do bước vít, cũng là lượng dịch chuyển
cần bù cho bộ truyền vít me - đai ốc bi.
Khi thực hiện phép dịch chuyển, khơng chỉ có sai số tích lũy do bước vít mới
ảnh hưởng đến sai lệch vị trí của đai ốc. Trong q trình làm việc, do vít me còn
chịu tải, ma sát,... gây bến dạng đàn hồi, làm cho giá trị sai lệch vị trí đai ốc khơng
đúng bằng C mà là C ± ep . Giá trị ep chủ yếu là phụ thuộc vào biến dạng đàn hồi
và khe hở dọc trục, dấu “+” hay “-” tùy theo chiều chuyển động của đai ốc.
ISO 3408 - 3 thể hiện các thông số đo và quy định cho giá trị của các thơng
số liên quan tới độ chính xác vít me - đai ốc bi tùy theo cấp chính xác. Trong đó
có quy định thống nhất về điều kiện khơng tải khi đo. Trên hình 1.16 thể hiện ý
nghĩa các thơng số hình học theo cấp chính xác quy định trong bộ tiêu chuẩn ISO
3408.
Các thiết bị đo và máy đo dù chính xác cỡ nào thì khi làm việc, bộ phận
chuyển động cũng chịu các lực gây rung động và ảnh hưởng đến tải tác động lên
bộ truyền. Thực tế vị trí thực của đai ốc sẽ không đúng bằng C + e p hay C– ep, giá
trị vị trí thực của đai ốc sẽ khác nhau giữa các lần đo và nằm trong khoảng “ C +
ep −
Vup
2
đến C + ep +
đến C − ep +
Vup
2
Vup
2
” khi đai ốc đi theo chiều thuận hoặc “ C − ep −
Vup
2
” khi đai ốc đi theo chiều ngược. Giá trị Vup là do sai số phép
đo, do rung động và các yếu tố ngẫu nhiên...
Khi chiều dài đoạn ren làm việc Lu càng lớn, đồng nghĩa với bộ truyền vít me
- đai ốc bi sẽ có độ cứng vững kém hơn, mất ổn định hơn, các biến dạng kéo – nén
và uốn sẽ lớn hơn làm cho sai lệch vị trí đai ốc nhiều hơn. Do đó khi chiều dài
đoạn ren chịu tải khác nhau, giá trị của C và ep cho phép ứng với cùng mức cấp
chính xác cũng khác đi. Bảng 1.1 quy định giá trị ep cho phép theo cấp chính xác
của vít me - đai ốc bi và chiều dài đoạn vít me làm việc.
13
Bảng 1.1 ep cho phép với bộ truyền cần độ chính xác định vị cao [13]
Chiều dài đoạn
Mức tối đa Sai lệch cho phépep (µm)
ren làm việc Lu
Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác
(mm)
>
≤
0
1
3
5
7
10
0
315
4
6
12
23
-
-
315
400
5
7
13
25
-
-
400
500
6
8
15
27
-
-
500
630
6
9
16
32
-
-
630
800
7
10
18
36
-
-
800
1000
8
11
21
40
-
-
1000
1250
9
13
24
47
-
-
1250
1600
11
15
29
55
-
-
1600
2000
-
18
35
65
-
-
2000
2500
-
22
41
78
-
-
2500
3150
-
26
50
96
-
-
3150
4000
-
32
62
115
-
-
4000
5000
-
-
76
140
-
-
5000
6300
-
-
-
170
-
-
Với những bộ truyền vít me - đai ốc bi làm việc có yêu cầu về độ chính
xác vị trí khơng cao, mức tối đa sai lệch cho phép được cho ở bảng 1.2
Bảng 1.2 ep cho phép với bộ truyền có khơng u cầu độ chính xác định vị cao [13]
Mức tối đa sai lệch cho phép ep (µm)
Tiêu chuẩn cho từng cấp chính xác
0
1
3
ep = ±
5
Lu
300
7
10
v300p
Trong mỗi phép đo, lượng sai lệch giữa các kết quả đo do rung động và
các yếu tố ngẫu nhiên chỉ cho phép trong giới hạn nhất định. Nếu quá giới
hạn này cần xem lại máy và thiết bị đo. Bảng 1.3 cho biết lượng sai lệch do
rung động và các yếu tố ngẫu nhiên giữa các kết quả đo trong cùng một phép
đo
Bảng 1.3Vup cho phép theo cấp chính xác [13]
14
