ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ TRUYỀN ĐỘNG TỊNH TIẾN VÍT ME - ĐAI ỐC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TC55V
NỘI DUNG ĐỒ ÁN
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐIỆN TỬ PHÂN TÍCH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ TRUYỀN ĐỘNG TỊNH TIẾN VÍT ME - ĐAI ỐC SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN TC55V
1. Tên đề tài.
Phân tích và điều khiển bộ truyền động tịnh tiến vít me - đai ốc sử dụng bộ điều khiển TC55V
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Phân tích và thiết kế bộ truyền động tịnh tiến vít me – đai ốc dành cho các ứng dụng công nghiệp.
3. Nội dung chính của đồ án:
Sinh viên có nhiệm vụ tìm hiểu và thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Tìm hiểu các bộ truyền động tịnh tiến thường được sử dụng trong công nghiệp.
- Phân tích và thiết kế bộ truyền động tịnh tiến vít me – đai ốc và nghiên cứu các phương pháp điều khiển của bộ điều khiển TC55V.
- Chế tạo mô hình bộ truyền động và vận hành, thiết lập, cài đặt được bộ điều khiển cũng như truyền thông của bộ điều khiển.
- Trình bày báo cáo chi tiết các nội dung trên trong báo cáo đồ án tốt nghiệp
4. Các sản phẩm dự kiến
- Mô hình bộ truyền động tịnh tiến vít me – đai ốc có khả năng chuyển động theo vị trí, tốc độ và gia tốc mong muốn theo thiết lập của người sử dụng.
- Một báo cáo đồ án và 4-5 bảng vẽ.
MỤC LỤC
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
Nhận xét của người phản biện
Tóm tắt
Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp
Lời nói đầu. i
Cam đoan. ii
Mục lục. iii
Danh sách các bảng. v
Danh sách các hình vẽ. vi
Danh sách các ký hiệu, chữ viết tắtviii
Trang
MỞ ĐẦU.. 1
Chương 1: GIỚI THIỆU BỘ TRUYỀN ĐỘNG TỊNH TIẾN.. 3
1.1 Giới thiệu bộ truyền động tịnh tiến. 3
1.1.1 Bộ truyền động khí nén và thủy lực. 3
1.1.2 Bộ truyền động điện. 6
1.2 Ứng dụng của bộ truyền động tịnh tiến. 9
1.3 Các bộ truyền động chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. 11
1.3.1 Tay quay – con trượt11
1.3.2 Thanh răng - bánh răng. 11
1.3.3 Tang cuốn cáp. 12
1.3.4 Vít me - đai ốc. 13
Chương 2: PHÂN TÍCH BỘ TRUYỀN ĐỘNG TỊNH TIẾN SỬ DỤNG VÍT ME.. 16
2.1 Giới thiệu. 16
2.1.1 Giới thiệu vít me đai ốc bi16
2.1.2 Lịch sử của vít me đai ốc bi17
2.1.3 Kết cấu của vít me đai ốc bi17
2.1.4 Nguyên lí làm việc. 18
2.1.5 Phân loại19
2.1.6 Một số thuật ngữ quan trọng trên vít me bi19
2.1.7 Phương pháp gia công trục vít me bi20
2.2 Phân tích bộ truyền vít me – đai ốc bi22
2.2.1 Mô tả và hoạt động của vít me – đai ốc bi22
2.2.2 Ưu, nhược điểm.. 24
2.2.3 Phạm vi ứng dụng. 25
2.2.4 Các yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn vít me – đai ốc bi25
2.2.5 Lựa chọn vít me đai ốc bi28
2.2.6 Cách phân biệt vít me – đai ốc bi thật30
2.2.7 Các yếu tố cần xem xét khi sử dụng vít me bi31
2.2.8 Bảo trì, bảo dưỡng. 33
2.3 Phân tích động lực học. 35
2.3.1 Xác định sơ bộ đường kính trong của bộ truyền. 36
2.3.2 Chọn các thông số khác của bộ truyền. 36
2.3.3 Tính kiểm nghiệm về độ bền:38
Chương 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH.. 39
3.1 Thiết kế mô hình cơ khí39
3.2 Giới thiệu động cơ và driver. 43
3.2.1 Động cơ Hybrid Servo 57HSE3N 3NM.. 43
3.2.2 Driver HBS57. 45
3.3 Giới thiệu bộ điều khiển. 47
3.3.1 Giới thiệu bộ điều khiển TC55V.. 47
3.3.2 Các chức năng chính. 48
3.3.3 Các thông số kỹ thuật48
3.3.4 Các chức năng lập trình. 48
3.3.5 Auto Run – Chế độ tự động. 52
3.3.6 Manual – Chế độ thủ công. 52
3.3.7 Sơ đồ chân và chức năng. 53
3.4 Phương pháp lập trình. 57
3.4.1 Phương pháp đấu nối:58
3.4.2 Thiết lập chương trình cho bộ điều khiển.59
Kết luận. 63
Tài liệu tham khảo. 64
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các chức năng lập trình. 53
Bảng 3.2: Các cổng kết nối57
Bảng 3.3: Thiết lập các thông số. 59
Bảng 3.4: Thiết lập điều khiển. 60
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bộ truyền xy lanh. 3
Hình 1.2: Máy khoan gỗ tự động sử dụng xy lanh khí nén. 5
Hình 1.3: Xe múc sử dụng xy lanh thủy lực. 6
Hình 1.4: Xy lanh điện. 7
Hình 1.5: Máy in 3D và xe nâng sử dụng bộ truyền tịnh tiến. 9
Hình 1.6: Máy chụp cộng hưởng từ MRI10
Hình 1.7: Robot phẫu thuật10
Hình 1.8: Cơ cấu tay quay - con trượt11
Hình 1.9: Thanh răng - bánh răng. 12
Hình 1.10: Tang cuốn cáp. 13
Hình 1.11: Vít me đai ốc thường. 14
Hình 1.12: Đai ốc hai nữa. 15
…………………………………………………………………………………………...
Hình 2.1: Vít me đai ốc bi16
Hình 2.2: Kết cấu của vít me đai ốc bi18
Hình 2.3: Điều chỉnh khe hở vít me đai ốc bi18
Hình 2.4: Vít me ép ren. 21
Hình 2.5: Vít me tiện mài21
Hình 2.6: Hệ thống định vị22
Hình 2.7: Hệ thống tuần hoàn bi22
Hình 2.8: Hệ thống bánh răng. 23
Hình 2.9: Động cơ nối trực tiếp với khớp nối23
Hình 2.10: Hệ thống bi trong vít me. 24
Hình 2.11: Các loại đai ốc bi26
Hình 2.12: Vít me đai ốc bi TBI SFU1610. 29
Hình 2.13: Bản vẽ thông số kỹ thuật29
Hình 2.14: Vết nứt vật liệu phóng to. 33
Hình 2.15: Bôi trơn vít me. 33
Hình 2.16: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất . 39
…………………………………………………………………………………………...
Hình 3.1: Ray trượt dẫn hướng. 40
Hình 3.2: Con trượt40
Hình 3.3: Bàn máy. 41
Hình 3.4: Khớp nối41
Hình 3.5: Tấm gá động cơ. 42
Hình 3.6: Vít me đai ốc. 42
Hình 3.7: Động cơ Hybrid Servo 57HSE3N.. 43
Hình 3.8: Driver Hybird Servo HBS57. 43
Hình 3.9: Nguồn Adapter 24V-2A.. 44
Hình 3.10: Thông số kích thước động cơ. 46
Hình 3.11: Driver HBS57. 47
Hình 3.12: Sơ đồ chân bộ điều khiển. 54
Hình 3.13: Cổng kết nối Stepper/Servo Driver55
Hình 3.14: Cổng kết nối PLC.. 55
Hình 3.15: Các cổng kết nối nguồn, relay, nút nhấn. 56
Hình 3.16: Sơ đồ khối bộ điều khiển. 58
Hình 3.20: Giao diện Incremental61
Hình 3.21: Nhập các giá trị cho chương trình. 61
Hình 3.22: Nhập câu lệnh 2 cho chương trình. 62
Hình 3.23: Nhập câu lệnh 3 cho chương trình. 62
Hình 3.24: Nhập câu lệnh 4 và delay cho chương trình. 63
Hình 3.25: Đặt tên cho chương trình. 63
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
CHỮ VIẾT TẮT:
- PET: PolyEthylen Terephthalate
- CNC: Computer Numerial Control
- OEM: Original Equipment Manufacturing
- DSP: Digital Signal Processing
- 4D: Four Dimention
- 3D Three Dimention
MỞ ĐẦU
Mục đích thực hiện đề tài: Đề tài nhằm mục đích nghiên cứu và chế tạo cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc. Sử dụng bộ điều khiển TC55V để điều khiển cơ cấu truyền động vít me đai ốc.
Mục tiêu đề tài: Hiểu được cách vận hành của các cơ cấu truyền động tuyến tính nhằm chọn cơ cấu truyền động phù hợp cho từng thiết bị. Tính toán và thiết kế được cơ cấu truyền động sử dụng vít me đai ốc. Sử dụng thành thạo bộ điều khiển TC55V.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về trục vít me đai ốc.
- Nghiên cứu thiết kế, cơ cấu truyền động của trục vít me đai ốc.
- Nghiên cứu bộ điều khiển TC55V.
- Nghiên cứu tính toán phần điện.
Đối tượng nghiên cứu: Phân tích và điều khiển bộ truyền động tịnh tiến vít me – đai ốc sử dụng bộ điều khiển TC55V.
Phương pháp nghiên cứu: Đề tài kết hợp nghiên cứu giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình. Cụ thể:
- Nghiên cứu lý thuyết:
+ Tìm kiếm, tổng hợp các tài liệu liên quan đến đề tài.
+ Tổng hợp tài liệu tính toán, thiết kế cơ cấu truyền động của trục vít me đai ốc.
+ Nghiên cứu về lý thuyết truyền động của đai ốc trên trục vít me.
+ Nghiên cứu, tìm hiểu bộ điều khiển TC55V.
- Thực nghiệm:
+ Chế tạo mô hình trục vít me đai ốc, qua đó kiểm tra lại các lý thuyết trước đó đã nghiêm cứu.
+ Tạo chương trình điều khiển cho bộ điều khiển TC55V, và áp dụng lên bộ truyền động vít me đai ốc.
Cấu trúc của đồ án tốt nghiệp:
- Chương 1: Giới thiệu bộ truyền động tịnh tiến.
- Chương 2: Phân tích bộ truyền động tịnh tiến sử dụng vít me.
- Chương 3: Thiết kế và chế tạo mô hình.
- Kết luận.
Chương 1: GIỚI THIỆU BỘ TRUYỀN ĐỘNG TỊNH TIẾN
1.1 Giới thiệu bộ truyền động tịnh tiến
Một cơ cấu tịnh tiến là một thiết bị cơ khí chuyển đổi từ các nguồn năng lượng như không khí, điện năng hay chất lỏng để tạo chuyển động theo một đường thẳng và có thể tác dụng lực.
Chuyển động tuyến tính là điều khiển chuyển động bao gồm một số công nghệ như động cơ tuyến tính, bộ truyền động tuyến tính, ray dẫn hướng tuyến tính và vòng bi lăn tuyến tính.
Ưu điểm cơ học của bộ truyền động tuyến tính là chúng ít tốn kém hơn các bộ truyền động khác và chúng có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau như điều khiển máy, điều khiển hệ thống thang máy của tòa nhà hoặc để kiểm soát tốc độ của xe.
- Một số bộ truyền động tịnh tiến:
1.1.1 Bộ truyền động khí nén và thủy lực
Để sử dụng năng lượng khí nén và thủy lực thì người ta thường dùng năng lượng của chất lỏng. Hệ thống khí sử dụng khí nén dễ dàng còn đối với năng lượng thủy lực thì được tạo ra thông qua một lưu lượng chất lỏng được nén ít hơn, thường là dầu.
Bộ truyền động khí nén và thủy lực có thể là ở dạng tịnh tiến hoặc xoay.
Hình 1.1: Bộ truyền xy lanh
- Bộ truyền động khí nén bao gồm một piston, xi lanh và van hoặc cổng. Nó có thể chuyển đổi năng lượng khí nén thành chuyển động quay cơ học hoặc chuyển động thẳng. Điều này phụ thuộc vào ứng dụng và nhu cầu sử dụng của truyền động quay khí nén hoặc truyền động thẳng.
Ưu điểm của bộ truyền động khí nén:
- Không gây ô nhiễm môi trường và cho ra môi chất khí nén sạch.
- Có khả năng tác động với vận tốc 10m/s, nhanh hơn hẳn so với các thiết bị khác.
- Nguồn khí nén của xi lanh cũng khá thuận tiện khi được lấy từ ngoài không khí và tích trữ trong bình.
- Có thể dễ dàng mang đi bất kì nơi đâu để sử dụng, làm việc.
- Việc lắp đặt cũng khá đơn giản và linh hoạt, không có sự giới hạn về khoảng cách.
- Giá thành của sản phẩm không quá cao so với túi tiền của người tiêu dùng.
Nhược điểm của bộ truyền khí nén:
- Độ chính xác chưa cao
- Tải thấp
- Cần được xử lý khí nén trước khi sử dụng
- Tốc độ di chuyển không đều
- Tiếng ồn
Bộ truyền động khí nén ngày càng được ứng dụng rộng rãi, được dùng rất nhiều trong các ngành công nghiệp chế biến, lắp ráp, chế tạo máy. Do đặc tính của khí nén là sạch, xanh cũng như thân thiện với con người mà thiết bị này lắp dùng trong nhà máy sản xuất xi măng, lắp ráp linh kiện điện tử, lắp ráp và sửa chữa ô tô, chế biến thực phẩm, sản xuất nước giải khát, công nghiệp dược phẩm và thiết bị y tế, dây chuyền đóng gói và in ấn tự động, chế tạo robot…
Hình 1.2: Máy khoan gỗ tự động sử dụng xy lanh khí nén
- Bộ truyền động thuỷ lực (Cơ cấu chấp hành thủy lực) là một xi lanh thủy lực hoặc piston thủy lực có chức năng biến đổi công suất thủy lực thành công cơ học hữu ích. Chuyển động cơ học được tạo ra có thể là chuyển động thẳng, quay hoặc dao động.
Ưu điểm của bộ truyền động thủy lực:
- Dễ sử dụng, mang đến hiệu quả cao.
- Có khả năng truyền áp lực mạnh với công suất cao.
- Thiết kế nhỏ gọn, mang tính ứng dụng cao cho nhiều loại máy móc công trình.
- Độ tin cậy cao trong hoạt động, ít đòi hỏi phảo bảo dưỡng thường xuyên.
- Có thể làm việc ở tốc độ cao mà không sợ va đập mạnh.
- Theo dõi dễ dàng bằng áp kế để điều chỉnh hệ số phù hợp ngay cả những hệ thống phức tạp.
Nhược điểm:
- Khi mới hoạt động, nhiệt độ hệ thống không ổn định, vận tốc sẽ bị thay đổi khi độ nhớt trên trong thay đổi gây ảnh hưởng đến hệ thống.
- Tiêu hao chất lỏng trong quá trình dẫn ống và bị rò rỉ bên trong có thể làm giảm hiệu suất.
- Độ tỏa nhiệt cao khi quá trình hoạt động nhanh, công suất lớn.
Bộ truyền động thủy lực được sử dụng trong vô số ứng dụng. Chúng thường được nhìn thấy trong các ứng dụng công nghiệp (bao gồm máy ép thủy lực, cần cẩu, máy rót và máy đóng gói) và các ứng dụng di động (như máy công nghiệp, xe xây dựng và thiết bị hàng hải).
Hình 1.3: Xe múc sử dụng xy lanh thủy lực
1.1.2 Bộ truyền động điện
Thiết bị truyền động điện là một thiết bị cơ học được sử dụng để biến đổi điện năng thành động năng trong một chuyển động thẳng hoặc quay. Tuỳ vào nhiệm vụ chính trong mỗi hệ thống, bộ truyền động điện sẽ có các thiết kế khác nhau sao cho phù hợp. Chính vì thế, chúng cũng có các kích thước khác nhau.
Hiện nay, nhờ đã được nâng cấp và phân loại rõ rệt nên bộ truyền động điện ngày càng được sử dụng phổ biến hơn. Nhờ các thiết bị truyền động điện, ngành công nghệ ngày càng phát triển, tự động hoá, an toàn và đơn giản hơn rất nhiều.
Hơn thế, sử dụng các thiết bị truyền động điện, người dùng có thể hoàn toàn kiểm soát quá trình hệ thống vận hành. Điều này giúp duy trì hiệu suất ngay cả khi bị mất điện. Từ đó, đảm bảo năng suất, chất lượng của thành phẩm. Một trong số các bộ truyền động điện phổ biến là xy lanh điện.
- Xy lanh điện là loại xy lanh có cơ cấu dẫn động tuyến tính (loại cơ – điện) đơn giản là chỉ cần dây dẫn và nguồn điện. Cấu tạo xy lanh điện được sử dụng để chuyển đổi năng lượng điện thành mô-men xoắn. Một động cơ điện được kết nối với máy móc sẽ làm quay vít dẫn. Khi vít dẫn xoay, đai ốc di chuyển dọc theo trục của vít dẫn, hướng đi của đai ốc tùy thuộc vào chiều quay của vít dẫn.
Hình 1.4: Xy lanh điện
Xy lanh điện là thiết bị truyền động điện cung cấp tín hiệu điều khiển chính xác nhất. Các thiết lập của thiết bị có thể mở rộng cho bất kì mục đích, có thể là yêu cầu về lực, độ yên tĩnh, sự trơn tru hay thậm chí là những công việc lặp đi lặp lại. Mô-tơ được dẫn động chỉ bằng hệ thống dây điện đơn giản. Xy lanh điện có thể được nối mạng và tái lập trình một cách nhanh chóng, cung cấp phản hồi ngay lập tức cho việc chuẩn đoán và bảo trì. Hiệu suất và độ chính xác cao nhờ việc áp dụng cơ cấu trục vít và đai ốc (vit-me) trong chuyển động của xy lanh.
Xy lanh điện cung cấp cho người sử dụng khả năng điều khiển, kiểm soát tất cả các thông số chuyển động dưới dạng mã hóa để điều khiển vận tốc, vị trí, mômen và áp lực.
So với xy lanh khí nén hay thủy lực, xy lanh điện hoạt động đơn giản hơn, hiệu quả hơn, sạch sẽ hơn và êm ái hơn. Với ít thành phần hơn để tạo chuyển động, xy lanh điện đặc biệt rất bền. Mặc dù được hiểu là đắt hơn xy lanh thường, nhưng thật ra đầu tư xy lanh điện lại ít tốn kém hơn vì tiết kiệm được các bộ phận phụ trợ.
Trong các loại xy lanh, xy lanh điện là loại được sử dụng rộng rãi nhất trong các cơ cấu ứng dụng do xy lanh điện có ưu điểm về sử dụng và điều khiển dễ dàng, không cần các máy móc bổ trợ như bơm áp lực thủy lực, bơm khí nén. Một số ứng dụng của xy lanh điện:
- Đóng mở cửa sổ, cửa trần tự động.
- Cho nâng hạ giường bệnh viện, giường nâng bệnh nhân, ghế nha khoa.
- Ghế nâng cho bồn tắm và ghế xe lăn.
- Bàn văn phòng, bàn làm việc công nghiệp.
- Nhà bếp, nội thất thông minh.
- Ngành xây dựng và cơ khí máy móc.
- Hệ thống thông gió và các giải pháp cho đồng ruộng.
- Các ứng dụng trong ngành hàng hải và bộ phận chuyển hướng cho pin năng lượng mặt trời.
Động cơ của thiết bị truyền động điện có thể hoạt động trên mọi điện áp và được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Các điện áp phổ biến nhất được sử dụng trong động cơ một pha là 115 VAC, 24 VAC, 12 VDC, 24 VDC, 208 VAC, 230 VAC. Ngoài các mức điện áp trên, động cơ ba pha cũng sử dụng điện áp 230VAC và 460 VAC.
Khác với bộ truyền động khí nén, trong bộ truyền động điện, một động cơ điện sẽ tạo ra chuyển động quay khi trục quay, hoặc rôto quay . Trục chính của động cơ được liên kết trực tiếp với một vít xoắn, thông qua trục truyền động, trục này sẽ quay theo một đai ốc vitme bi. Khi trục quay, đai ốc bi được truyền động về phía trước hoặc ngược lại dọc theo trục vít xoắn.
Một thanh piston rỗng được gắn vào đai ốc bi, khi khởi động thiết bị, nó sẽ tạo ra chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay theo cùng chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.
Động cơ được điều khiển bằng bộ truyền động điện, cho phép thay đổi tốc độ quay một cách nhanh chóng và dễ dàng. Nó có thể được lập trình để di chuyển đến một vị trí nhất định, dừng lại và sau đó tiếp tục hoặc quay trở lại vị trí nghỉ của nó. Và trong các trường hợp không có sẵn nguồn cung cấp khí nén thì thiết bị truyền động điện được xem là một giải pháp thay thế phù hợp.
Bộ truyền động điện được tìm thấy trong nhiều ứng dụng công nghiệp như:
- Trong ngành công nghiệp ô tô: Chúng dùng cho các phương tiện vận tải không người lái, pha chế và lựa chọn các phương pháp nối – dán, hàn và tán đinh.
- Trong ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống: Dùng để sản xuất chai PET, hệ thống chiết rót và dán nhãn và các ứng dụng rô bốt như rô bốt vắt sữa.
- Chúng được sử dụng trong việc xử lý vật liệu cho các hoạt động như máy ép và kẹp servo và được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đóng gói.
- Sử dụng trong chế tạo robot, điện tử và lắp ráp điện tử, máy công cụ và nhiều lĩnh vực công nghiệp khác.
1.2 Ứng dụng của bộ truyền động tịnh tiến
Ứng dụng điều khiển truyền động tịnh tiến trong máy móc công nghiệp, yêu cầu tải định vị, xếp hàng, đóng gói, nhặt và thả, vận hành kho tự động. Cũng có thể tìm thấy chuyển động tuyến tính được sử dụng trong máy cắt và máy in 3D.
Hình 1.5: Máy in 3D và xe nâng sử dụng bộ truyền tịnh tiến
Chuyển động tịnh tiến được ứng dụng trong y tế như giường trong phòng mổ, máy X-quang, MRI và Máy quét CT cũng như ghế nha sĩ.
Chuyển động tịnh tiến cho chẩn đoán y tế và điều trị được sử dụng trong các đầu quét và bàn bệnh nhân. Các lĩnh vực khác bao gồm ung thư, y học hạt nhân,
CT / MRI / Hình ảnh, mặt nạ di động và Robot phẫu thuật.
Hình 1.6: Máy chụp cộng hưởng từ MRI
Hình 1.7: Robot phẫu thuật
Chuyển động tuyến tính trong tự động hóa phòng thí nghiệm y tế được sử dụng để nhặt lên và đặt xuống, lấy mẫu DNA, nuôi cấy tế bào, thử nghiệm dịch chuyển không khí và phân phối thuốc.
Điểm quan trọng trong các ứng dụng này là phải có độ tin cậy tốt và giảm tối đa công sức bảo trì để giúp giảm thiểu thời gian chết và tối đa hóa hoạt động.
Hoạt động tự động hóa trong phòng thí nghiệm thành công có thể giảm chi phí cho người dùng cuối và tăng tốc độ phân phối các sản phẩm y tế.
1.3 Các bộ truyền động chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
1.3.1 Tay quay – con trượt
Khi tay quay 1 quay quanh trục A, đầu B của thanh truyền 2 chuyển động tròn làm con trượt 3 chuyển động tịnh tiến qua lại trên giá đỡ 4. Nhờ đó chuyển động quay của tay quay biến thành chuyển động tịnh tiến qua lại của con trượt. Khi tay quay 1 và thanh truyền 2 cùng nằm trên một đường thẳng thì con trượt 3 đổi hướng chuyển động.
Hình 1.8: Cơ cấu tay quay - con trượt
Con trượt và giá đỡ được nối ghép với nhau bằng khớp tịnh tiến, các chi tiết còn lại được nối ghép với nhau bằng khớp quay.
Cơ cấu trên thường được dùng ở:
- Các máy khâu đạp chân.
- Máy cưa gỗ, ô tô, máy hơi nước.
- Máy nâng hạ mũi khoan.
- Êtô và bàn ép...
1.3.2 Thanh răng - bánh răng
Bộ truyền thanh răng bánh răng được kết hợp từ hai linh kiện: bánh răng và thanh răng. Những linh kiện này được gia công chế tạo rất chi tiết với độ chính xác cao, được áp dụng cho các loại máy như: máy phay, máy cưa, máy khoan, máy mài, máy tiện,… nhằm tạo ra các sản phẩm để phục vụ cho từng như cầu cụ thể của con người. Chất liệu tạo ra thanh răng và bánh răng cũng có nhiều loại, từ sắt, thép, inox, nhựa cứng,… đều có thể dùng để sản xuất được.
Bộ truyền động thanh răng - bánh răng hoạt động theo nguyên lí biến đổi từ chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến. Khi thanh răng kết hợp với bánh răng sẽ tạo được sự chuyển động ăn khớp theo khép cứng vào nhau mà không gây ra độ trượt, độ rung. Điều này cho phép truyền các lực nhỏ, ví dụ như trong kỹ thuật chính xác, hay 1 lực rất lớn, giả dụ như bộ truyền động trong máy cán, và giữ được tỉ lệ truyền chính xác.
Hình 1.9: Thanh răng - bánh răng
1.3.3 Tang cuốn cáp
Được biết đến như là một bộ phận của máy trục được dùng để biến chuyển động quay của truyền động trong cơ cấu nâng (ở đây chính là máy trục của tay quay hoặc động cơ) thành chuyển động tịnh tiến để nâng vật hoặc hạ vật từ điểm này đến điểm kia.
Thường thì tang có dạng hình trụ. Nhưng trong một vài trường hợp đặc biệt thì khi lực căng nhánh cáp chạy lên tang thay đổi theo quy luật từ cực tiểu đến cực đại cho nên làm tang hình nón để mô men trọng tải tác dụng lên tang được giữ nguyên không đổi. phần lớn trường hợp là cáp cuốn lên tang một lớp. Khi chiều cao nâng rất lớn, muốn giảm bớt kích thước của tang, cáp được quấn làm nhiều lớp trên tang.
Hình 1.10: Tang cuốn cáp
Khi tiến hành quấn như vậy sẽ làm cho các lớp cáp ở dưới sẽ phải chịu lực ép lớn do các lớp trên đè xuống. Ngoài ra thì đường kính tang được chọn sao cho các sợi trong cáp khi cuốn vào sẽ không chịu ứng suất cuốn quá lớn.
Nếu thiết bị nâng làm việc trong điều kiện dễ rối cáp khi cuộn vào tang thì phải làm thiết bị xếp cáp. Tang phải có thành chắn ở hai đầu và thành phải cao hơn lớp cáp trên cùng chí ít bằng đường kính cáp. Tang phải loại bỏ khi bị rạn, nứt, vỡ.
1.3.4 Vít me - đai ốc
Bộ truyền vít me – đai ốc hay trục vít là một thiết bị truyền động cơ học tuyến tính, biến đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với độ chính xác cao, lực ma sát rất ít. Để có thể sử dụng hiệu quả trục vít me, đòi hỏi kèm theo các vít me đai ốc được hoạt động như một ốc vít chính xác.
Hiện nay, bộ truyền động vít me có 2 loại chính được ứng dụng rộng rãi đó là vít me đai ốc trượt và vít me đai ốc bi.
- Cơ cấu vít me – đai ốc trượt có những đặc điểm:
Hình 1.11: Vít me đai ốc thường
- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn.
- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn.
- Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn.
- Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính.
- Kết cấu vít me - đai ốc trượt:
Dạng ren: Vít me thường có 2 dạng ren chủ yếu là
- Ren có dạng hình thang với góc 300 có ưu điểm: gia công đơn giản, có thể phay hoặc mài. Nếu dùng với đai ốc bổ đôi thì có thể đóng mở lên ren dễ dàng.
- Ren có hình dạng vuông chỉ dùng ở những máy cắt ren chính xác và máy tiện hớt lưng.
- Về mặt kết cấu nên chế tạo vít me với 2 cổ trục giống như nhau để sau một thời gian sử dụng, có thể lắp đảo ngược vít me lại nhằm làm cho bề mặt làm việc của vít me được mòn đều ở 2 bên.
Ổ đỡ vít me: ổ đỡ vít me có tác dụng đảm bảo cho trục chuyển động với độ đảo hướng trục và độ hướng kính nhỏ.
Đai ốc vít me:
- Đai ốc liền: dùng trong cơ cấu vít me – đai ốc có chế độ làm việc ít, không yêu cầu độ chính xác cao, giữa các ren có thể có độ hở nhất định.
- Ưu điểm của đai ốc liền là đơn giản, giá thành thấp, có thể tự hãm ỡ mức độ nhất định.
- Đai ốc 2 nửa: sử dụng để đóng, tách đai ốc khỏi vít me khi tiện vít me trên máy tiên vạn năng.
Hình 1.12: Đai ốc hai nữa
Để giảm độ biến dạng của vít me có thể dùng những phương pháp sau:
- Nâng cao cứng vững của gối đỡ bằng cách dùng bạc với tỷ lệ l/d lớn
(với l là chiều dài và d là đường kính trong của gối đỡ). - Không bố trí vít me ở ngoài thân máy mà bố trí phía trong máy nhằm
giảm momen lật của bàn máy. - Dùng gối đỡ treo phụ cho những vít me quá dài và nặng.
Nguyên lý làm việc của bộ truyền vít – đai ốc: ren của vít và ren của đai ốc ăn khớp với nhau. Nhưng trong quá trình truyền động có trượt rất lớn trên mặt ren, hiệu suất truyền động không cao.
Trong thực tế thường dùng các loại truyền động sau:
- Vít quay, đai ốc tịnh tiến. Ví dụ như chuyển động của bàn xe dao trong máy tiện.
- Vít vừa quay vừa tịnh tiến, còn đai ốc đứng yên. Ví dụ như chuyển động của vít trong kích vít.
- Đai ốc vừa quay vừa tịnh tiến, con vít đứng yên. Ví dụ như chuyển động của đai ốc trong cơ cấu kẹp chặt của đồ gá.
Chương 2: PHÂN TÍCH BỘ TRUYỀN ĐỘNG TỊNH TIẾN
SỬ DỤNG VÍT ME
2.1 Giới thiệu
2.1.1 Giới thiệu vít me đai ốc bi
Vít me bi – ball screws là một bộ truyền động tuyến tính cơ học biến đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến với ma sát nhỏ. Một trục vít me cấu tạo gồm một rãnh xoắn ốc cho các viên bi trong ổ bi, vòng bi chạy bên trong, ổ bi – balls bearing hoạt động bằng cách chuyển động tịnh tiến qua lại một cách chính xác như một cặp bu lông – đai ốc cũng như có thể ứng dụng để chịu tải trọng cao họ có thể làm như vậy với ma sát bên trong tối thiểu.
Đai ốc bi – screw nut là một cấu trúc ổ bi gồm vỏ ngoài, các viên bi thép chạy dọc trên các rãnh bi được tiện ren bên trong ổ, thông qua các vòng hồi bi tạo thành các vòng tuần hoàn kín hoặc hở (vòng tuần hoàn ngoài), đai ốc kết hợp với trục vitme để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, tạo thành lực kéo tịnh tiến trên trục vitme.
Hình 2.1: Vít me đai ốc bi
Đai ốc bi quyết định tải trọng và tuổi thọ của cụm vít me bi. Tỷ số của số lượng các vòng xoắn trong đai ốc và số lượng rãnh trên thân vít me là yếu tố xác định tuổi thọ của đai ốc sau bao lâu sẽ mòn so với trục vít me.
Đai ốc bi có hai loại được sử dụng nhiều nhất là đai ốc bước 5 và đai ốc bước 10. Ngoài ra, đai ốc còn có các loại như bước ren 4, bước ren 16, bước ren 20, bước ren 32. Ví dụ, đai ốc bước 10 sẽ đi cùng với vitme bước 10.
Trục vít me bi có thể được chế tạo bằng cách cán, cho ra một sản phẩm ít chính xác hơn nhưng không tốn kém và hiệu quả về cơ học. Vít bi lăn có độ chính xác vị trí là vài phần nghìn của một inch mỗi foot (30,48 centimet). Chúng được tạo ra với dung sai thấp nhất, do đó phù hợp để sử dụng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao. Trái ngược với các vít tải thông thường , vít me bi có xu hướng khá cồng kềnh, do cần phải có một cơ chế để tái lưu thông các viên bi, người ta gọi đó là hệ thống hồi bi.
Có 2 kiểu chế tạo hệ thống hồi bi trong ổ bi của vít me bi đó là hệ thống hồi bi ngoài và hệ thống hồi bi trong:
- Đường hồi bi ngoài : Các viên bi được hồi về bên đối diện nhờ ống hồi bi đặt bên ngoài thân của đai ốc bi. Kiểu hồi bi này dễ sửa chữa hơn kiểu hồi bi trong.
- Đường hồi bi trong: Các viên bi được hồi liên tục qua rãnh hồi bi nằm phía trong thân đai ốc bi.
Khi trục vít me dài quay ở tốc độ cao, nó có thể xảy ra dao động khi độ mảnh (tỉ số của độ dài trục vít me/ bán kính quán tính; được dùng để đánh giá tính ổn định) đạt tới ngưỡng dao động điều hòa tự nhiên của vít me. Đó được coi là tốc độ giới hạn và rất quan trọng tới tuổi thọ của vít me bi. Tốc độ an toàn không nên vượt 80% tốc độ tới hạn của vít me bi. Một số ứng dụng vẫn yêu cầu trục vít me dài và tốc độ cao, do đó mà kiểu thiết kế đai ốc quay được áp dụng.
2.1.2 Lịch sử của vít me đai ốc bi
Vít bi được phát minh bởi HM Stevenson và D. Glenn, những người được cấp bằng sáng chế lần lượt vào năm 1898 là 601.451 và 610.044.
Đầu screwshafts chính xác được sản xuất bằng cách bắt đầu với một screwshaft độ chính xác thấp, và sau đó vỗ trục với nhiều vòng đai ốc lò xo. Bằng cách sắp xếp lại và đảo ngược các vòng đai ốc, sai số theo chiều dài của đai ốc và trục được tính trung bình. Sau đó, cao độ của trục rất có thể lặp lại được đo theo tiêu chuẩn khoảng cách. Một quy trình tương tự đôi khi được sử dụng ngày nay để sản xuất trục vít tiêu chuẩn tham chiếu hoặc trục vít sản xuất chính.
2.1.3 Kết cấu của vít me đai ốc bi
Một trục vít me bi bao gồm một trục xoắn và một con trượt khớp với nó thông qua đai ốc, một trong hai có thể đóng vai trò là chi tiết di chuyển tịnh tiến tùy vào thiết kế của từng loại máy. Vít me bi có cơ chế hoạt động tương tự với vòng bi, trong đó các hạt bi thép cứng di chuyển dọc theo một rãnh bi thông bên trong và ngoài.
Hình 2.2: Kết cấu của vít me đai ốc bi
Giữa các rãnh của đai ốc 1 và vít me 2, người ta đặt những viên bi 3, vì vậy biến masát trượt trở thành ma sát lăn của những viên bi chuyển động một cách liên tục. Nhờmáng nghiêng 4 mà bi được dẫn từ rãnh cuối về rãnh đầu.
Rãnh của vít me – đai ốc bi được chế tạo dạng cung nửa vòng tròn hoặc rãnhvòm.
Để điều chỉnh khe hở vít me – đai ốc bi, đai ốc kép được sử dụng. Giữa các đai ốc 1và 2, đặt vòng căng 3. Khi xiết chặt vít 4, các rãnh của 2 đai ốc sẽ tì sát vào bề mặtbi, khử được khe hở giữa vít me và đai ốc đồng thời tạo được lực căng ban đầu.
Hình 2.3: Điều chỉnh khe hở vít me đai ốc bi
2.1.4 Nguyên lí làm việc
Cơ cấu trục vitme đai ốc là bộ truyền động được cấu tạo gồm một rãnh xoắn ốc cho các viên bi trong ổ bi, vòng bi chạy bên trong, ổ bi hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến. Cụ thể, khi trục vitme đai ốc quay, các viên bi bị đổi hướng trong ống lệch hướng và đi vào ống hồi bi.
Tại đó, các viên bi cho phép di chuyển liên tục đến phía cuối của đai ốc, sau đó ra khỏi ống hồi bi và đi vào rãnh giữa đai ốc và vitme. Nhờ cấu tạo đặc biệt mà cơ cấu trục vitme đai ốc đem lại những chuyển động trơn tru, chính xác khi lặp lại liên tục quá trình chuyển động này.
2.1.5 Phân loại
Thông thường các loại vít me bi bên ngoài thị trường thường được đặt tên theo các thông số: Đường kính trục vít, bước vít và hành trình
Ví dụ: 1204 – 100: 12 là đường kính trục vít (mm), 04 là bước (mm) và 100 là hành trình làm việc (mm)
a. Phân loại vít
Rãnh biên dạng chữ V: Sử dụng để định vị 2 bộ phận
Rãnh vuông: Biên dạng chữ V được thay thế bằng rãnh vuông để tăng khả năng chịu tải. Được sử dụng trong vít kích nâng, vít trên máy tiện (Tiện ren),..
Ren vít chặn: Đây là loại được sử dụng để giới hạn, chỉ cho phép di chuyển theo một hướng
b. Phân loại trục vít me
Có rất nhiều cách phân loại trục vít me khác nhau như theo số đầu mối ren, theo công dụng, theo thương hiệu... Cụ thể:
Phân loại trục vít me theo số đầu mối ren: bao gồm loại có ren một đầu mối
(cấu tạo đơn giản, bước vít nhỏ hơn) và loại có ren nhiều đầu mối (có góc xoắn vít và tỷ số truyền lớn hơn).
Phân loại trục vít me theo công dụng: bao gồm trục vít me đai ốc ứng dụng đòi hỏi độ chính xác chuyển động cao (thường có kích thước bộ truyền lớn) và vitme đai ốc dùng cho các thiết bị, máy móc không đòi hỏi quá cao về độ chính xác mà chỉ ứng dụng mang tải và truyền chuyển động bình thường.
Phân loại trục vít me theo thương hiệu: bao gồm vít me GTEN, vít me NSK, vít me SKF…
Phân loại trục vít me theo phương pháp gia công: bao gồm trục vít me đai ốc bi gia công theo phương pháp ép ren (có cấp độ chính xác từ cấp C10, C7, C5) và trục vít me đai ốc loại tiện mài chính xác cao (có cấp 7, cấp 5, cấp 3).
2.1.6 Một số thuật ngữ quan trọng trên vít me bi
Đường kính vòng bi: Đây là đường kính của đường tròn được tạo ra bởi tâm của các viên bi khi đã lắp ráp vào vít me và đai ốc trượt.
Đường kính chân: Đây là đường kính tối thiểu của vít me được tính từ điểm dưới cùng của các rãnh ren.
Lưu ý: Cả 2 loại đường kính vòng bi và đường kính vòng chân đều quan trọng khi tính toán thông số về đặc điểm và kích thước cho tải và tốc độ cực đại.
Bước vít me: Đây là khoảng cách đai ốc trượt di chuyển được khi vít me quay một vòng. Ví dụ: Vít me bước 5mm quay 1000 vòng sẽ đi được một khoảng cách: 5mm/vòng x 1000 vòng/phút = 5000 mm/phút.
Độ lỏng: Đây là khoảng di chuyển trục giữ đai ốc trượt và vít me khi nó không xoay. Độ lỏng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của vít me bi.
Khử hành trình chết: Hành trình chết là độ lỏng trục hay nói cách khác là có tồn tại khe hở bên trong vít me. Tải trước là cách để khử hành trình chết và lực ma sát nhỏ nhất giúp tăng tuổi thọ cho vít me bi. Đây cũng là cách giúp đảm bảo độ chính xác bước vít me bi.
Đầu mối ren là số lượng ren độc lập trên cùng một trục vít me. Các trục thường có 1, 2 hoặc 4 đầu mối ren, hình thành dạng xoắn bao quanh trục. Bước ren nhân với số đầu mối ren sẽ bằng với bước tiến.
Khả năng tải và tuổi thọ: Cần phải có một số xem xét về tải trọng khi sử dụng vít me bi. Ví dụ: Tải trọng tĩnh là loại đơn giản và phải không vượt quá giới hạn khiến cho vít me và đai ốc trượt bị hư hỏng. Tải trọng động được sử dụng là loại lực dọc trục khi được sử dụng trên vít me bi.
2.1.7 Phương pháp gia công trục vít me bi
a. Gia công theo phương pháp ép ren hay còn gọi là cán
Ép ren hay cán là cho phôi trục vitme đi qua khe hở giữa hai trục cán (ép) quay ngược chiều nhau, làm cho phôi bị biến dạng dẻo ở khe hở. Hình dạng mặt cắt của phôi cũng thay đổi theo mặt cắt của khe hở giữa hai trục cán.
Ví dụ: mặt cắt vuông của phôi trở thành tròn, chữ nhật,… khi mặt cắt khe hở của hai trục cán là tròn, chữ nhật,… Diện tích mặt cắt ngang của sản phẩm sẽ nhỏ hơn mặt cắt ngang của phôi.
Loại ép ren (Rolled Type):Cấp chính xác từ C7, C5 được mạ Chrome tại các rãnh bi khi ép.
- Đặc điểm: Độ chính xác cao nhất chỉ đến C5.
- Chiều dài tối đa: L6000mm.
Hình 2.4: Vít me ép ren
b. Gia công theo phương pháp tiện mài ren
Phương pháp cắt tiện ren phổ biến nhất là cắt ren bằng dao tiện. Dao tiện ren thường được làm từ thép gió hoặc hợp kim, góc mũi dao phải hợp với góc đỉnh ren. Thông thường, để gia tăng hiệu quả cắt, người ta dùng dao cắt ren lược (dao đơn, dao đĩa hoặc dao lăng trụ).
Loại tiện mài chính xác cao (Ground Type): Cấp C7, C5, C3 được mạ Chrome tại các rãnh bi.
- Đặc điểm: Độ chính xác cao C3.
- Chiều dài tối đa: 3000mm.
Hình 2.5: Vít me tiện mài
2.2 Phân tích bộ truyền vít me – đai ốc bi
2.2.1 Mô tả và hoạt động của vít me – đai ốc bi
Hệ thống định vị bằng trục vít bi được ứng dụng khi đòi hỏi độ sai số thấp và độ chính xác lặp lại chuẩn. Cơ cấu định vị dưới đây sử dụng vít bi làm cơ chế truyền động
Hình 2.6: Hệ thống định vị
Các vòng bi được dùng để đỡ tải, rất nhiều các thiết kế điện – cơ được tích hợp trục vít me bi và con trượt bi.
Các viên bi di chuyển bên trong rãnh ren của ổ bi và được tuần hoàn thông qua các loại cơ chế trả về khác nhau. Nếu bi không có cơ chế trả lại (hồi bi) thì nó sẽ rơi ra khỏi đầu ổ bi khi chúng đến cuối ổ. Vì lý do này, một số phương pháp tuần hoàn với cơ cấu hồi bi khác nhau đã được phát triển.
Hình 2.7: Hệ thống tuần hoàn bi
Trục vít có thể được kết nối trực tiếp với động cơ hoặc thông qua một loạt các bánh răng:
- Bánh răng được sử dụng để khiến động cơ được giảm tốc độ và cung cấp mô -men xoắn cần thiết để xoay vít dưới tải nặng hơn.
Hình 2.8: Hệ thống bánh răng
- Động cơ sẽ có khả năng điều khiển trực tiếp thông qua 1 khớp nối. Chuyển động quay của động cơ được chuyển thành chuyển động tuyến tính của bộ truyền động.
Hình 2.9: Động cơ nối trực tiếp với khớp nối
Thiết bị truyền động trục vít bi sử dụng vòng bi tạo ra ít ma sát hơn so với thiết bị truyền động trục vít me.
Trong ổ trục vít bi, các dãy bi di chuyển dọc theo các rãnh trong một trục ren và lưu thông qua một đai ốc. Bởi vì các vòng bi đều chịu tải, ổ bi chuyển động tuyến tính trục vít có khả năng tạo ra lực đẩy tương đối cao.
Một ổ trục vít bi kết hợp với chuyển động lặp lại và một hệ thống cứng xử lí lực và mô-men cao. Các hệ thống như vậy hoạt động tốt trong các ứng dụng định vị chính xác với tải trọng cao và chu kì nhiệm vụ cao.
Hình 2.10: Hệ thống bi trong vít me
2.2.2 Ưu, nhược điểm
Ưu điểm:
- Trục vít có độ chính xác cao thường chính xác đến một phần nghìn inch trên một foot (830 nanomet trên centimet) hoặc tốt hơn.
- Ma sát thấp trong vít me tạo ra hiệu quả cơ học cao so với các lựa chọn thay thế. Một vít me điển hình có thể đạt hiệu quả 90%, so với hiệu suất từ 20 đến 25% của vít chì Acme có kích thước bằng nhau.
- Ít ma sát trượt giữa đai ốc và vít tự kéo dài tuổi thọ của cụm vít giảm thời gian ngừng hoạt động để bảo dưỡng và thay thế phụ tùng, đồng thời giảm nhu cầu bôi trơn.
- Yêu cầu năng lượng thấp, từ đó bù đắp chi phí ban đầu của việc sử dụng vít me bi.
- Đem lại hiệu suất truyền động xấp xỉ 100%.
- Đảm bảo khả năng chịu trọng tải, chịu trọng lực lớn.
- Cho phép hoạt động bền bỉ, liên tục trong thời gian dài mà ít phát sinh sự cố, hư hỏng có thể xảy ra.
- Trục vít me tiêu chuẩn chất lượng cao có khả năng lắp đặt và vận hành hiệu quả ở mọi điều kiện môi trường làm việc khác nhau.
- Loại bỏ tối đa việc xuất hiện các khe hở, đảm bảo độ căn ban đầu tốt, hạn chế tối đa hiện tượng rung lắc, xô lệch các viên bi trong ổ bi.
- Đem lại chuyển động tuyến tính thẳng mượt, chính xác, ít tiếng ồn và ma sát không đáng kể.
Nhược điểm:
- Khi sử dụng vitme đai ốc bi với thời gian dài, tần suất cao và nhanh chóng, lỗi và hỏng hóc là việc khó tránh khỏi. Cụ thể như trục vít bị cong, trục vít bị sứt mẻ,...
- Khi trục vít bị cong, được nắn thẳng bằng đầu kẹp, bằng đòn bẩy hoặc những phương pháp khác.
- Trục vít bị sứt mẻ hoặc bị mòn bề mặt làm việc, nếu yêu cầu về độ chính xác của bô truyền không cao thì ta có thể ủ trục vít và hàn đắp.
- Giá thành cao hơn so với bộ truyền động vít me trượt.
2.2.3 Phạm vi ứng dụng
Nhờ những ưu điểm vượt trội trên mà hệ thống trục vitme bi được sử dụng khá phổ biến trong công nghiệp như:
- Vít me bi máy Plasma, vít me bi máy Lazer.
- Vít me máy điều khiển tự động, máy công cụ.
- Thiết bị y tế, thiết bị năng lượng xanh, hệ thống lưu trữ và truy xuất tự động.
- Máy móc công nghiệp chung hoặc trong các ngành công nghiệp robot, ngành công nghiệp bán dẫn,…
Người ta có thể dựa theo mức độ hoạt động chính xác của vít me mà phân loại vít me đai ốc bi theo:
- Vít me bi cấp chính xác cực cao: được sử dụng trong các máy công cụ tốc độ cao, trung tâm gia công tích hợp tốc độ cao
- Vít me bi tốc độ cao: như vitme bi máy CNC, vitme máy công cụ chính xác, vitme máy móc công nghiệp, máy móc điện tử, vitme máy móc tốc độ cao chính xác,…
- Vít me bi cấp độ thường: dùng trong hệ thống tay gắp sản phẩm, máy móc công nghiệp nói chung.
2.2.4 Các yếu tố cần quan tâm khi lựa chọn vít me – đai ốc bi
Để lựa chọn loại trục vít me và đai ốc bi phù hợp với ứng dụng cụ thể, các kỹ sư cần quan tâm đến các yếu tố như tải trọng, tuổi thọ làm việc, tốc độ, kích thước và phần gá đặt. Ngoài ra vấn đề bôi trơn và môi trường làm việc cũng cần được chú ý. Sau đây sẽ mô tả rõ hơn về các yếu tố.
a. Tải trọng và tuổi thọ
Các tải trọng khác nhau đều có ảnh hưởng nhất định đến trục và đai ốc vít me bi. Ví dụ, tải trọng tĩnh đơn giản nhất, hệ thống vít me bi có thể hoạt động trơn tru miễn trong giới hạn tải của chúng.
Tải trọng động biến thiên khi tác động lên hệ thống chuyển động này, đều dẫn đến sự thay đổi về tuổi thọ làm việc. Đối với trục vít me hệ mét, tải trọng tính theo Newton, tuổi thọ có thể đạt 1 triệu vòng quay. Đối với trục vít me hệ inch, con số này là khoảng 1 triệu inch khoảng cách tịnh tiến.
Bởi thiết kế từ thép 100%, các nhà sản xuất đã phát triển các kỹ thuật giúp tính toán tuổi thọ của các trục vít me bi. Tuy nhiên, môi trường làm việc bụi bẩn, vấn đề bôi trơn, kỹ thuật lắp đặt đều có thể rút ngắn tuổi thọ của chúng. Nếu mục tiêu là tăng tuổi thọ của cơ cấu vít me, phương án hợp lý sẽ là lựa chọn loại có kích thước lớn hơn, chịu tải lớn hơn.
Các loại trục vít me đều chịu được tải trọng nén và kéo. Tải nén có xu hướng nén lại hoặc ép trục vít, có thể khiến trục vít chạy sai lệch. Mặt khác, tải trọng kéo sẽ kéo dãn theo hướng dọc trục. Thường thì tải trọng nén sẽ là vấn đề gây khó dễ nhiều hơn, còn tải trọng kéo có thể kéo dãn trục và làm vỡ nó.
Hình 2.11: Các loại đai ốc bi
Có 3 loại đai ốc bi thường dùng (từ trái qua phải) gồm loại thân trụ tròn có chốt, loại có mặt gá và loại ren chữ V. Loại có mặt gá là phổ biến nhất, đối với các nhà sản xuất OEM sẽ thường dùng loại thân trụ tròn có chốt. Loại ren chữ V được sản xuất tùy chỉnh để ăn khớp hoặc gắn liền với mặt gá.
Một điều quan trọng nữa cần lưu ý đó là trục vít me chỉ được thiết kế để chịu tải đẩy hoặc chuyển động dọc trục. Bất kỳ loại lực lật ngược hoặc tải ngang đều có thể rút ngắn tuổi thọ làm việc tới 90%.
b. Vấn đề gá đặt
Việc xác định hướng tải trọng cũng như loại gá đặt sẽ giúp việc lựa trọn loại trục vít me chính xác hơn, người kỹ sư cần tính toán đến tốc độ đỉnh và độ đảo. Gối đỡ cố định hai đầu trục vít sẽ hỗ trợ quá trình chuyển động. Việc cố định đầu cuối chia làm 3 loại: tự do (không có gì đỡ); đơn (đỡ tại 1 điểm); và cố định (đảm bảo chắc chắn). Các gối đỡ đầu cuối giúp chuyển động ổn định và chắc chắn, nó cũng ảnh hưởng đến tốc độ đỉnh, tải dọc trục và hoạt động tổng thể.
Vòng bi nhiều cặp hoặc các cặp cách nhau sẽ giúp cứng vững nhiều hơn vòng bi đơn. Tuy nhiên, chúng cũng không hoàn toàn chắc chắn bởi đặc tính của chúng. Một trục vít me có thể được đỡ phần đầu bằng nhiều cách, ví dụ như:
- 1 đầu được đỡ bởi vòng bi 2 dãy, đầu còn lại tự do. Kiểu thiết kế này không được khuyến khích, ngoại trừ trường hợp di chuyển ngắn và tốc độ chậm
- 1 đầu được đỡ bởi vòng bi 2 dãy, đầu còn lại dùng vòng bi đơn
- Cả hai đầu đều dùng vòng bi 2 dãy
- Cả hai đầu đều dùng vòng bi 4 dãy. Lưu ý trong trường hợp này, trục vít hoàn toàn cứng vững và các phương án bảo dưỡng cần được thực hiện để đảm bảo độ ổn định.
c. Tốc độ đỉnh
Là tốc độ mà có sự kích thích tần số quay tự nhiên của trục. Trục vít me sẽ cộng hưởng bất kể hướng vít hay đai ốc trên trục vít.
Tốc độ đỉnh thay đổi theo đường kính, chiều dài không đỡ, cố định đầu cuối và tốc độ quay (rpm). Độ thẳng của trục và việc lắp ráp cũng đóng một vai trò, vì thế nhà sản xuất đề nghị tốc độ thực tối đa nên giới hạn bằng 80% tốc độ tối đa trên lý thuyết.
Tốc độ đỉnh, là tốc độ mà trục vít cộng hưởng, thay đổi theo chiều dài không đỡ, đường kính, cố định đầu cuối và tốc độ quay của trục.
Khi sử dụng các gối đỡ cố định ở hai đầu, các chuyên gia khuyến cáo nên tham khảo với kỹ sư của hãng sản xuất để xác định dung sai, khoảng cách lắp ráp cuối cùng.
Preloading là kết quả của lực nội bộ giữa đai ốc và trục vít, loại bỏ các lực dọc trục hay lash xuyên trục. Có 3 cách thức preloading:
Phương pháp dùng con trượt đôi theo hai hướng ngược nhau bởi một miếng đệm, để không lắc lư khi đứng yên.
Lead shifting – các nhà sản xuất dịch bước ren. Ví dụ, bước ren sẽ dịch từ 5.00mm đến 5.05mm để dịch các vòng bi bên trong đai ốc. Phương pháp này thường được ưu tiên bởi tính đơn giản, nhưng lại làm giảm khả năng tải.
Ball selection là phương án rẻ nhất bao gồm việc lựa chọn kích thước lớn hơn của ổ bi để tạo 4 điểm tiếp xúc giữa trục và đai ốc. Điều này cho phép tải lớn hơn, nhưng ma sát sẽ làm giảm tuổi thọ.
d. Tải trọng cột
Khi một trục vít me chịu tải đạt tới giới hạn đàn hồi, trục sẽ bị bẻ cong hoặc oằn lại. Để tính toán tải trọng cột, ta dùng:
Fc = (2.1)
Trong đó Fc là tải dọc trục bẻ cong (N) và C là yếu tố được xác định bởi cách đỡ trục:
Một đầu đỡ bằng vòng bi đơn và đầu còn lại tự do, C = 0.25.
Cả hai đầu đều được đỡ bằng vòng bi đơn, C = 1.
Một đầu dùng vòng bi 2 dãy, một đầu dùng vòng bi đơn, C = 2.
Hai đầu dùng vòng bi 2 dãy, C = 4.
Nếu việc lựa chọn vít me không đáp ứng yêu cầu về lực - tải, cần xem xét các phương án sau:
- Thay đổi cách đỡ trục, ví dụ từ vòng bi đơn sang vòng bi 2 dãy.
- Thiết kế cách thức dùng trục khi chịu lực căng.
- Tăng đường kính trục.
2.2.5 Lựa chọn vít me đai ốc bi
Yêu cầu:
- Trục vít me chịu được tải trọng cao.
- Vận hành trơn tru, êm ái.
- Chất lượng tốt, ma sát thấp, năng lượng thấp.
- Hiệu suất truyền động tốt, đạt độ chính xác cao.
Từ những yêu cầu và những yếu tố đã phân tích ở trên, trong đề tài lần này ta sẽ chọn trục vít me biTBI SFU1610 (có kèm đai ốc), với
Nhấn ESC để hoàn thành chương trình và tiến đến giao diện để đặt tên cho chương trình.
Nhập tên chương trình là 123.
Giao diện hiển thị là:
Hình 3.25: Đặt tên cho chương trình
Nhấn ENT để lưu chương trình và kết thúc.
Kết luận
- Kết quả đạt được
- Về mặt lý thuyết
+ Thiết kế cơ cấu truyền động của trục vít me đai ốc.
+ Tính toán các thông số của bộ truyền.
+ Tìm hiểu bộ điều khiển TC55V.
- Về mặt thực nghiệm
+ Chế tạo mô hình bộ truyền động tịnh tiến vít me đai ốc.
+ Tạo chương trình cho bộ điều khiển TC55V và áp dụng lên bộ truyền.
+ Thêm kinh nghiệm về phần thiết kế cơ khí cũng như lập trình.
+ Hiểu được cách vận hành của một bộ truyền động.
- Hạn chế
- Kết cấu của bộ truyền nhìn chung chưa đạt độ thẩm mỹ và hoàn thiện tối đa.
- Độ chính xác của bộ truyền chưa đạt hiệu quả tối đa.
- Hướng phát triển
- Nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển và vận hành mới mẻ khác.
- Xây dựng mô hình điều khiển đa trục, không chỉ dừng lại ở mức điều khiển 1 trục như trong đề tài.
- Đây là một đề tài có tính thực tiễn cao, ứng dụng được rất nhiều trong các ngành công nghiệp robot, CNC,… Hy vọng trong tương lai chúng em sẽ được làm việc và tiếp xúc nhiều hơn, để có thể hoàn thiện và phát triển bản thân hơn góp phần làm cho ngành khoa học và công nghiệp của đất nước phát triển hơn.
