Nghiên cứu thiết kế chế tạo xe trượt đệm khí trên băng máy изμ 10m

Với những tính năng ưu việt của đệm khí như hệ số ma sát nhỏ, không có mài mòn, trung bình hóa các nhấp nhô dưới bề mặt đệm, tạo ra độ chính xác dịch chuyển cao nên nó được ứng dụng để t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

NGUYỄN ANH ĐỨC

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO XE TRƯỢT

ĐỆM KHÍ TRÊN BĂNG MÁY ИЗΜ-10M

CHUYÊN NGÀNH: CHẾ TẠO MÁY

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGÀNH CHẾ TẠO MÁY

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS.VŨ TOÀN THẮNG

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, được sự giúp đỡ tận tình của Thầy,

Cô giáo trong Viện Cơ khí, Bộ môn Cơ khí chính xác và Quang học cùng sự hướng dẫn khoa học tận tình của PGS.TS.Vũ Toàn Thắng; tôi đã hoàn thành khóa học, luận văn Tốt nghiệp Cao học và đạt những kết quả mong muốn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới tất cả các Thầy, Cô giáo trong Bộ môn, Viện Cơ khí và Trường Đại học Bách khoa Hà nội đã tận tình giúp đỡ, động viên, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa học của mình

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Vũ Toàn Thắng đã nhiệt tình hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong việc thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo phản biện đã đọc luận văn và đóng góp cho tôi những ý kiến quý báu và bổ ích

TÁC GIẢ

Nguyễn Anh Đức

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa đƣợc công bố trong các công trình khác

TÁC GIẢ

Nguyễn Anh Đức

LỜI NÓI ĐẦU

Trong ngành chế tạo cơ khí, độ thẳng là một trong những chỉ tiêu quan trọng đánh giá mức độ sai lệch về hình dáng hình học, ngoài ra nó còn ảnh hưởng đến chất lượng làm việc của các chi tiết và các bộ phận máy Trong hầu hết các sống dẫn của tất cả các máy công cụ, các sống dẫn của các thiết bị đo, các mặt chuẩn như các mặt bàn máp, các trục dẫn…yêu cầu độ thẳng rất cao, đến 1 micromet vì nó trực tiếp tác động đến độ chính xác gia công chi tiết, đến độ chính xác của phép đo

Hiện nay, hầu hết các nước trên thế giới đều đã sử dụng thiết bị đo độ thẳng trong các Nhà máy, phân xưởng đo lường, kiểm nghiệm; tuy nhiên ở nước ta những

cơ sở có được thiết bị đó còn rất hạn chế Chính vì vậy, đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo xe trượt đệm khí trên băng máy ИЗΜ-10M” với băng máy có sẵn ở bộ môn

Cơ khí chính xác và Quang học, để tạo ra thiết bị đo độ thẳng là cần thiết Với những tính năng ưu việt của đệm khí như hệ số ma sát nhỏ, không có mài mòn, trung bình hóa các nhấp nhô dưới bề mặt đệm, tạo ra độ chính xác dịch chuyển cao nên nó được ứng dụng để tạo ra một đường trượt chuẩn cho thiết bị đo này

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10

DANH MỤC CÁC HÌNH 11

CHƯƠNG 1: YÊU CẦU CỦA LUẬN VĂN 14

1.1 Mục đích 14

1.2 Nội dung nghiên cứu 14

1.3 Giới thiệu về thiết bị đo độ thẳng ИЗM-10M 14

1.4 Khảo sát thực trạng của băng máy ИЗΜ-10M 15

1.5 Xây dựng sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 17

2.1 Tổng quan về các phương pháp đo độ thẳng 17

2.1.1 Định nghĩa độ thẳng 17

2.1.2 Các phương pháp tính độ thẳng 18

2.1.3 Một số phương pháp đo độ thẳng 21

2.2 Tổng quan về đệm khí 27

2.2.1 Giới thiệu về đệm khí 27

2.2.2 Phân loại đệm khí 27

2.2.3 Các ưu điểm của đệm khí 31

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, LẮP ĐẶT XE TRƯỢT ĐỆM KHÍ 35

3.1 Nghiên cứu, thiết kế sơ bộ xe trượt đệm khí 35

3.2 Các yêu cầu khi thiết kế đệm khí 36

3.3 Sử dụng phần mềm ansys tính toán đệm khí: 37

3.3.1 Quy trình tính toán 37

3.3.2 Thiết lập mô hình tính toán 38

3.3.3 Chia lưới 39

3.3.4 Nhập dữ liệu, điều kiện biên 41

3.3.5 Tính toán: 41

3.3.6 Kết quả tính toán 41

3.3.7 Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thước phần tử lưới trên bề mặt giữa đệm khí với sống dẫn và lực nâng tính toán 43

3.3.8 Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thước khe hở z và lực nâng đệm khí chịu tải 45

3.4 Gia công chế tạo xe đo, đệm khí và lắp đặt 48

3.4.1 Gia công chế tạo xe đo, đệm khí 48

3.4.2 Mài nghiền đệm khí và sống trượt 49

3.4.3 Lắp đặt xe đo, đệm khí 51

CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 53

4.1 Đo độ nhám bề mặt của băng máy ИЗΜ-10M trước khi mài nghiền 53

4.1.1 Điều kiện thực nghiệm 53

4.1.2 Mô tả thực nghiệm đo 53

4.2 Đo độ nhám bề mặt của băng máy ИЗΜ-10M sau khi mài nghiền 57

4.2.1 Điều kiện thực nghiệm 57

4.2.2 Mô tả thực nghiệm đo 57

4.3 Đo độ nhám bề mặt làm việc của đệm khí chịu tải 60

4.3.1 Điều kiện thực nghiệm 60

4.3.2 Mô tả thực nghiệm đo 60

4.4 Đo độ nhám bề mặt làm việc của đệm khí dẫn hướng 65

4.4.1 Điều kiện thực nghiệm 65

4.4.2 Mô tả thực nghiệm đo 65

4.5 Thực nghiệm xác định đặc tính của đệm khí 69

4.5.1 Điều kiện thực nghiệm: 69

4.5.2 Mô tả thực nghiệm: 69

4.6.Thực nghiệm đo khe hở z của đệm khí chịu tải với bề mặt sống trượt 74

4.6.1 Điều kiện thực nghiệm: 74

4.6.2 Mô tả thực nghiệm: 74

4.7.Thực nghiệm đo khe hở z của đệm khí dẫn hướng với bề mặt sống trượt 76

4.7.1 Điều kiện thực nghiệm: 76

4.7.2 Mô tả thực nghiệm: 76

4.8 Thực nghiệm xác định độ ổn định và độ thẳng của xe đo khi làm việc 78

4.8.1 Điều kiện thực nghiệm 78

4.8.2 Mô tả thực nghiệm 78

4.8.3 Phương pháp xử lý ảnh 79

4.8.4 Phương pháp xử lý số liệu thực nghiệm 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 87

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Chương 2:

1 Độ nhám trung bình trên chiều dài chuẩn: Ra

2 Độ nhám trung bình theo mười điểm: Rz

4 Độ nhám trung bình theo mười điểm: Rz

Độ nhám trung bình trên chiều dài chuẩn L:

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 4.1: Số liệu quan hệ tải - khe hở của đệm khí chịu tải ở áp nguồn 4atm 71

Bảng4.2 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ nhất với sống trượt 74

Bảng4.3 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ hai với sống trượt 75

Bảng4.4 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ ba với sống trượt 75

Bảng4.5 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí chịu tải thứ tư với sống trượt 75

Bảng4.6 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hướng thứ nhất với sống trượt 76

Bảng4.7 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hướng thứ hai với sống trượt 77

Bảng4.8 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hướng thứ ba với sống trượt 77

Bảng4.9 Số liệu đo khe hở tại vị trí đệm khí dẫn hướng thứ tư với sống trượt 77

Bảng 4.10 Kết quả tọa độ điểm ảnh sau khi xử lý bằng phần mềm 80

Bảng 4.11 Kết quả sai lệch độ thẳng và ngang của đường trượt 83

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Thiết bị đo ИЗM-10M 14

Hình 1.2 Băng máy ИЗΜ-10M hiện có tại bộ môn CKCX&QH 15

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng trên băng máy ИЗΜ-10M 16

Hình 2.1 Độ thẳng theo TCVN 2510.78 17

Hình 2.2 Ký hiệu độ thẳng trên bản vẽ của chi tiết cơ khí 17

Hình 2.3 Độ thẳng theo tiêu chuẩn ISO 1101 17

Hình 2.4 Thiết bị đo sai lệch độ thẳng tự chế tạo 18

Hình 2.5 Đường thẳng nội suy dm 19

Hình 2.6 Phương pháp bình phương tối thiểu 20

Hình 2.7 Sai lệch về độ thẳng 22

Hình 2.8 Phương pháp đo sai lệch về độ thẳng 22

Hình 2.9 Đo độ thẳng bằng tia Laser 23

Hình 2.10 Đo độ thẳng bằng máy đo 3 tọa độ 24

Hình 2.11 Đo độ thẳng bằng sống trượt đệm khí 25

Hình 2.12 Máy đo độ thẳng SMS-800 của Mitutoyo 25

Hình 2.13 Sai lệch độ thẳng được hiển thị bằng máy tính 26

Hình 2.14 Mô hình đo độ thẳng ở Việt Nam hiện nay 26

Hình 2.15 Đệm khí rãnh và buồng 29

Hình 2.16 Đệm khí xốp 29

Hình 2.17 Đệm khí chân không 30

Hình 2.18 Đệm khí lót trục 30

Hình 2.19 Nhám giữa 2 bề mặt 33

Hình 3.1 Mô hình xe trượt đệm khí xây dựng trên phần mềm inventor 35

Hình 3.2 Cấu tạo đệm khí loại rãnh 36

Hình 3.3 Mô hình tính toán đệm khí 38

Hình 3.4.Mô hình đệm khí sau khi chia lưới 40

Hình 3.5 Sự khác biệt giữa vùng kiểm soát lưới (ống tiết lưu, rãnh khí) 40

Hình 3.6 Mô hình tính toán sau khi nhập dữ liệu 41

Hình 3.7 Biểu đồ phân bố áp suất của đệm khí chịu tải với s=r=0,3mm,

z=0,010mm 42

Hình 3.8 Biểu đồ phân bố áp suất của đệm khí dẫn hướng với s=r=0,3mm, z=0,010mm 42

Hình 3.9 Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,01 chia lưới 0,2mm 43

Hình 3.10 Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,01 chia lưới 0,4mm 43

Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ giữa kích thước phần tử lưới và lực nâng 44

Hình 3.12 Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,006 45

Hình 3.13 Biểu đồ phân bố áp suất với s=r=0,03, z=0,025 45

Hình 3.14 Biểu đồ quan hệ giữa lực nâng và khe hở z của đệm khí chịu tải 46

Hình 3.15 Hình ảnh xe đo sau khi chế tạo 48

Hình 3.16 Hình ảnh đệm khí sau khi chế tạo 48

Hình 3.17 Sơ đồ mài nghiền 49

Hình 3.18 Sơ đồ xe đo sau khi lắp đặt 52

Hình 4.1 Mô hình đo độ nhám sống trượt trước khi mài nghiền 53

Hình 4.2 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ nhất ở vị trí đầu 54

Hình 4.3 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ nhất ở vị trí giữa 54

Hình 4.4 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ nhất ở vị trí cuối 54

Hình 4.5 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ hai ở vị trí đầu 55

Hình 4.6 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ hai ở vị trí giữa 55

Hình 4.7 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ hai ở vị trí cuối 55

Hình 4.8 Mô hình đo độ nhám sống trượt sau khi mài nghiền 57

Hình 4.9 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ nhất ở vị trí đầu 57

Hình 4.10 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ nhất ở vị trí giữa 58

Hình 4.11 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ nhất ở vị trí cuối 58

Hình 4.12 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ hai ở vị trí đầu 58

Hình 4.13 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ hai ở vị trí giữa 58

Hình 4.14 Đồ thị đo nhám của sống trượt thứ hai ở vị trí cuối 59

Hình 4.15 Mô hình đo độ nhám đệm khí chịu tải 60

Hình 4.16 Các vị trí đo trên đệm khí chịu tải 60

Hình 4.17 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ nhất ở vị trí 1 61

Hình 4.18 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ nhất ở vị trí 2 61

Hình 4.19 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ hai ở vị trí 1 61

Hình 4.20 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ hai ở vị trí 2 62

Hình 4.21 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ ba ở vị trí 1 62

Hình 4.22 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ ba ở vị trí 2 62

Hình 4.23 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ tư ở vị trí 1 63

Hình 4.24 Đồ thị đo nhám của đệm khí chịu tải thứ tư ở vị trí 2 63

Hình 4.25 Mô hình đo độ nhám đệm khí dẫn hướng 65

Hình 4.26 Các vị trí đo trên đệm khí dẫn hướng 65

Hình 4.27 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ nhất ở vị trí 1 66

Hình 4.28 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ nhất ở vị trí 2 66

Hình 4.29 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ hai ở vị trí 1 66

Hình 4.30 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ hai ở vị trí 2 67

Hình 4.31 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ ba ở vị trí 1 67

Hình 4.32 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ ba ở vị trí 2 67

Hình 4.33 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ tư ở vị trí 1 68

Hình 4.34 Đồ thị đo nhám của đệm khí dẫn hướng thứ tư ở vị trí 2 68

Hình 4.35 Sơ đồ đo khe hở phụ thuộc tải và áp nguồn 69

Hình 4.36 Thực nghiệm xác định quan hệ giữa tải và khe hở 70

Hình 4.37 Sơ đồ đo khe hở của đệm khí chịu tải với bề mặt sống trượt 74

Hình 4.38 Sơ đồ đo khe hở đệm khí dẫn hướng với bề mặt sống trượt 76

Hình 4.39 Sơ đồ gá đặt đầu phát laser trên xe đo 78

Hình 4.40 Hình ảnh tia laser thu được trên màn chắn 79

Hình 4.41 Kết quả hình ảnh sau khi xử lý bằng phần mềm máy tính 80

Hình 4.42 Sơ đồ thực nghiệm tìm mối liên hệ giữa khoảng cách thực và khoảng cách của điểm ảnh 81

Hình 4.43 Sơ đồ tính toán độ lệch thẳng của xe đo và sống trượt 82

CHƯƠNG 1: YÊU CẦU CỦA LUẬN VĂN 1.1 Mục đích

Chế tạo thành công xe trượt bằng đệm khí với độ chính xác đo tới 0,01mm đối với phép đo độ thẳng

1.2 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu kết cấu của băng máy ИЗM-10M, từ đó đưa ra giải pháp tính toán thiết kế, chế tạo xe trượt bằng đệm khí với độ chính xác cao, xây dựng các thực nghiệm kiểm chứng độ chính xác, ứng dụng cho đo độ thẳng các bề mặt chi tiết dài, yêu cầu độ chính xác đo tới 0,01

1.3 Giới thiệu về thiết bị đo độ thẳng ИЗM-10M

Thiết bị quang học và cơ khí ИЗM-10M được thiết kế để đo lường, kiểm tra các sản phẩm cơ khí, bằng cách đánh giá trực tiếp hoặc gián tiếp so sánh với các khối đo để đưa ra kết quả đo chính xác Thiết bị có bộ phận kết nối với máy tính, do

đó việc xử lý và hiển thị giá trị đo được thực hiện trên phần mềm đo lường chuyên dùng

Hình 1.1 Thiết bị đo ИЗM-10M Thông số kỹ thuật:

-Trọng lượng tối đa của sản phẩm cần đo khi đặt trên máy (kg): 10

1.4 Khảo sát thực trạng của băng máy ИЗΜ-10M

Hình 1.2 Băng máy ИЗΜ-10M hiện có tại bộ môn CKCX&QH

Từ thực trạng của băng máy, ta đặt ra các vấn đề cần phải khảo sát trước khi thiết kế “Bàn đo dịch chuyển bằng đệm khí”, đó là:

- Bề mặt chịu tải của hai sống dẫn có đảm bảo độ nhám để thiết kế bàn đo độ thẳng chạy trên đó hay không?

- Tải trọng lớn nhất bàn xe có thể chịu được mà vẫn hoạt động tốt

- Dẫn hướng hai bên như thế nào để đảm bảo độ chính xác của bàn đo khi hoạt động

Xuất phát từ những vấn đề trên ta tiến hành khảo sát, đo đạc các thông số kỹ thuật cần thiết và tính toán khả năng tải của bàn đo, cụ thể như sau:

- Đo độ nhám bề mặt chịu tải của hai sống dẫn, kết quả theo chương 4, mục 4.1 được Rz nằm trong khoảng 2,34 đến 3,49; với cấp độ nhám 8 như vậy ta hoàn toàn

có thể cải thiện bề mặt bằng cách mài nghiền để tăng cấp độ nhám lên đảm bảo chạy được đệm khí

- Kết quả tính toán khả năng tải được trình bày ở chương 3, mục 3.3

- Về vấn đề dẫn hướng ở hai bên bàn đo, sau khi nghiên cứu các cơ cấu dẫn hướng trên những thiết bị đo khác có sử dụng sống dẫn và đệm khí, kết hợp với khảo sát bề mặt bên của hai sống dẫn; ta lựa chọn phương án dẫn hướng hai bên bằng những đệm khí nhỏ

1.5 Xây dựng sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng

Qua khảo sát về hình dáng, kích thước và bề mặt làm việc của băng máy; ta xây dựng sơ đồ nguyên lý cho thiết bị như sau:

Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý của xe đo độ thẳng trên băng máy ИЗΜ-10M

Trong đó :

1 Vít tự lựa đệm khí chịu tải

2 Bàn đo 3,6 Vít tự lựa đệm khí dẫn hướng

2

3

45687

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về các phương pháp đo độ thẳng

2.1.1 Định nghĩa độ thẳng

Theo định nghĩa trong tài liệu “Kỹ thuật đo lường kiểm tra trong chế tạo cơ khí” năm 2001, độ thẳng là sai lệch lớn nhất ∆ từ các điểm của profin thực tới đường thẳng áp trong giới hạn của phần chuẩn Đường thẳng áp là đường thẳng tiếp xúc ngoài profin thực của chi tiết

Hình 2.1 Độ thẳng theo TCVN 2510.78

Hình 2.2 Ký hiệu độ thẳng trên bản vẽ của chi tiết cơ khí

Theo tiêu chuẩn ISO 1101: Độ thẳng là vùng dung sai bị giới hạn bởi 2 đường thẳng song song nằm trên mặt phẳng đo (2 đường áp) và 2 đường thẳng này cách nhau một khoảng t

Hình 2.3 Độ thẳng theo tiêu chuẩn ISO 1101

Trong những năm gần đây, các kết quả nghiên cứu chế tạo thành công sống trượt chạy trên đệm khí tại Bộ môn Cơ khí chính xác & Quang học - Trường

Đường áp

ĐHBKHN đã được ứng dụng để tạo ra đường trượt chuẩn cho dụng cụ đo sai lệch

độ thẳng, yếu tố quyết định đảm bảo cho độ chính xác của dụng cụ đo này là vì những ưu điểm nổi bật như sau:

- Không có sự tiếp xúc cơ khí giữa sống dẫn và xe trượt nên hệ số ma sát gần như bằng không, tránh được mài mòn, tránh được ảnh hưởng của nhiệt, không có hiện tượng nén đàn hồi khi bắt đầu chuyển động và do đó không bị trễ khi chuyển động

- Độ cứng của lớp đệm khí cao do đó sự biến thiên khe hở khớp động coi như bằng không, xe trượt trên sống dẫn không có khe hở

- Trung bình hóa toàn bộ nhấp nhô tế vi dưới bề mặt làm việc của đệm khí đảm bảo độ chính xác khi dịch chuyển

Thiết bị đo sai lệch độ thẳng được thiết kế với 2 cảm biến đo chính:

- Thước đo dịch chuyển thẳng 1 được gá song song với sống trượt 3 và đồng

hồ so 2 được gá vuông góc với nó để nhận biết dịch chuyển theo 2 toạ độ vuông góc (hình 2.4)

Hình 2.4 Thiết bị đo sai lệch độ thẳng tự chế tạo

2.1.2 Các phương pháp tính độ thẳng

Để tính sai lệch độ thẳng, hiện nay các nước phát triển trên thế giới đang áp dụng 2 phương pháp để tính toán; đó là phương pháp đường thẳng nội suy và phương pháp vùng nhỏ nhất Phương pháp đơn giản và hay được sử dụng nhất là phương pháp đường thẳng nội suy

1

2

4

3

Phương pháp đường thẳng nội suy (LSS – Least

Square Straight line) là phương pháp sử dụng đường thẳng

đại diện để tính toán Đường thẳng đại diện này được tìm ra

dựa trên cơ sở của phương pháp bình phương tối thiểu; tức

là tổng bình phương độ lệch của profin tới đường thẳng đại

diện là nhỏ nhất Sai lệch độ thẳng khi đó được tính bằng tổng khoảng cách từ một đỉnh cao nhất của profin đến đường đại diện cộng với khoảng cách từ một điểm sâu nhất của profin đến đường thẳng đại diện [3]

Phương pháp vùng nhỏ nhất (MZS – Minimum Zone Straight line) là tìm ra

2 đường thẳng song song, bao lấy profin của chi tiết và phải đảm bảo khoảng cách t của 2 đường bao là nhỏ nhất Lúc này giá trị độ thẳng chính bằng t

Sau đây tôi xin trình bày rõ hơn về phương pháp đường thẳng nội suy

Hình 2.5 Đường thẳng nội suy dm

Đường dm là đường đại diện có ý nghĩa nhất của bộ số liệu đo, d1 và d2 là 2 đường áp song song với dm và đi qua 2 điểm xa nhất từ profin đến dm khoảng cách giữa 2 đường d1 và d2 chính là sai lệch độ thẳng của mặt ta cần đo

Với đầu vào là bộ số liệu đo với các điểm M(xi, yi), ta vẽ được profin biên dạng đường mà ta đã đo Việc quan trọng là ta tìm được đường đại diện dm là đường có ý nghĩa nhất với bộ số liệu mà ta đã đo Sau khi đã tìm được đường đại diện thì nội dung còn lại chỉ là vẽ 2 đường áp song song và tính khoảng cách giữa chúng Để tìm được đường trung bình dm, ta sử dụng phương pháp bình phương tối thiểu

Ý nghĩa của phương pháp bình phương tối thiểu là tìm ra được đối tượng đại diện sát nhất cho toàn bộ bộ số liệu mà ta có được khi đo Đối với trường hợp

đường thẳng, thì ta cần tìm một đường thẳng đại diện, đường thẳng này phải thõa mãn điều kiện là tổng các bình phương khoảng cách từ các điểm đo đến đường đại diện theo một phương là nhỏ nhất Tức là với một bộ số liệu gồm n điểm M(xi, yi),

ta sẽ tìm đường thẳng đại diện sao cho tổng bình phương của các khoảng cách đi từ các điểm M(xi, yi) đến đường đại diện theo phương y là nhỏ nhất

Giả sử đường thẳng đại diện có phương trình là: y = ax+b Vậy theo phương pháp bình phương tối thiểu ta sẽ có công thức sau:

Hình 2.6 Phương pháp bình phương tối thiểu

Với các ẩn số là a và b, để thỏa mãn điều kiện trên ta có được hệ phương trình sau:

y ax b b

00

n

i n

min

n i i

d



Biến đổi hệ phương trình trên ta được:

Hình 2.7 Sai lệch về độ thẳng

Hình 2.8 Phương pháp đo sai lệch về độ thẳng

Sai lệch chỉ thị lớn nhất của đầu đo theo phương trượt chuẩn cho ta sai lệch

về độ thẳng Đối với các chi tiết có kích thước nhỏ và vừa, ta gá đặt chi tiết lên bàn

có hệ thống điều chỉnh chân giá, giả sử chiều dài chuẩn kiểm tra là một đoạn thẳng

AB nào đó, ta điều chỉnh sao cho AB song song với phương trượt chuẩn ĐC là

phương trượt của băng máy đo như hình 2.8 [3]

Hiện nay, các thiết bị đo độ thẳng yêu cầu độ chính xác cao, hầu hết đều

được ứng dụng những phương pháp sau:

- Đo độ thẳng bằng tia laser

- Đo độ thẳng bằng Máy đo 3 tọa độ, máy đo độ trụ

- Đo độ thẳng bằng hệ sống trượt đệm khí

* Phương pháp đo sử dụng tia Laser các thành phần chính gồm:

- Một đầu camera với cảm biến CCD

- Một đầu phát Laser

- Hộp điện tử, các cáp nối

- Máy tính + phần mềm

Hình 2.9 Đo độ thẳng bằng tia Laser

Cảm biến CCD sẽ đo được độ lệch của tia laser trong quá trình dịch chuyển của đầu phát laser, từ đó có thể đo được độ thẳng Dịch chuyển của đầu phát laser trên mặt đo có thể dùng bi hoặc đệm khí Độ chính xác của phương pháp này rất cao, phạm vi đo lớn Với phạm vi đo là 1000mm thì độ chính xác là 0.1μm

* Đo độ thẳng bằng máy đo 3 tọa độ

Hiện nay máy đo 3 tọa độ được ứng dụng trong rất nhiều các phép đo khác nhau, trong đó có phép đo độ thẳng Để đo độ thẳng thì chi tiết cần đo cần phải có kích thước phù hợp với phạm vi hoạt động của các trục dẫn hướng đầu đo, và cũng cần có đồ gá đo đặc biệt cho chi tiết để gá chi tiết lên bàn của máy đo Trong chương trình điều khiển của máy đo 3 tọa độ có tích hợp cả modun tính độ thẳng nên ta có thể lấy được kết quả đo nhanh chóng Độ chính xác của kết quả đo chủ yếu là phụ thuộc vào độ chính xác của máy

Hình 2.10 Đo độ thẳng bằng máy đo 3 tọa độ

* Đo độ thẳng bằng hệ sống trượt đệm khí thẳng

Ứng dụng sự ổn định và chính xác của các đế, bàn đo ( Bằng Granit hoặc Ceramic), người ta chế tạo các đệm khí để tạo ra một sống trượt có độ ổn định và chính xác cao Trên các đệm khí này được gắn thêm các đầu đo Các sống trượt trên được tạo ra bẳng cách tận dụng bàn mápgranit hoặc sống trượt bằng ceramic Một đặc điểm là bàn đệm khí có hình chữ L, để định vị được trên sống trượt thì ở đệm khí có 2 nguồn áp suất, áp cao và áp âm Nguồn áp cao tạo khe hở ma sát khí, nguồn áp âm để cho bàn đệm khí luôn bám vào sống dẫn mà không bị tách rời Một sản phẩm đại diện là sản phẩm của hãng Kunz

Hình 2.11 Đo độ thẳng bằng sống trƣợt đệm khí

Hay máy đo độ thẳng SMS-800 của Mitutoyo:

Hình 2.12 Máy đo độ thẳng SMS-800 của Mitutoyo

Số liệu đo đƣợc nhập từng điểm bằng công tắc và đƣợc sử lý bằng phần mềm, cho ra kết quả của sai lệch độ thẳng

Hình 2.13 Sai lệch độ thẳng được hiển thị bằng máy tính

* Phương pháp đo độ thẳng thông dụng tại nước ta

Trong các cơ sở sản xuất cơ khí ở Việt Nam hiện nay vẫn sử dụng phương pháp đo độ thẳng cổ điển, sử dụng một đồng hồ so

Chi tiết đo (5) được đặt trên bàn mang chi tiết (4) Ta phải điều chỉnh giá trị chỉ thị của đồng hồ so (6) tại điểm A bằng giá trị chỉ thị tại điểm B, tức là AB song song với đường chuẩn DC bằng vít me (3) Đối với chi tiết lớn và nặng thì ta điều chỉnh phương của băng trượt DC song song với AB đã đặt cố định Vit me (2) thực hiện chuyển động để đầu đo của đồng hồ so rà từ điểm A đến điểm B Biến thiên lớn nhất của đồng hồ so ( xmax – xmin) chính là sai lệch độ thẳng của chi tiết (5)

Hình 2.14 Mô hình đo độ thẳng ở Việt Nam hiện nay

Độ chính xác của phép đo phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác hệ thống dẫn trượt của băng máy và khả năng điều chỉnh cho AB//CD

1 2 3 4 5

6

DC

2.2 Tổng quan về đệm khí

2.2.1 Giới thiệu về đệm khí

Kỹ thuật đệm được coi là một trong những vấn đề được đặt ra từ rất lâu đối với kỹ sư cơ khí Đệm con lăn được phát triển vào cuối thế kỷ trước là một sự cải tiến mang tính cách mạng so với đệm trượt, khi đệm trượt bộc lộ những hạn chế của

nó trong các ứng dụng như môtô điện và bánh xe ôtô Tương tự như vậy, đệm con lăn ngày nay đã bộc lộ những hạn chế kỹ thuật của nó bởi những đòi hỏi của những ứng dụng như công nghệ sản xuất chất bán dẫn, máy dịch chuyển với tốc độ cao

Đệm khí được coi là bước hợp lý tiếp theo của việc thiết kế đệm Đệm khí nhìn chung đã được kiểm chứng khi được ứng dụng vào máy đo toạ độ trong khoảng 20 năm Rất nhiều những ưu điểm kỹ thuật của đệm khí như ma sát và mài mòn hầu như bằng không, dịch chuyển với tốc độ cao và chính xác, không cần bôi trơn Đây là những điểm rất hữu dụng cho các kỹ sư thiết kế máy ngày nay

Không giống như đệm con lăn tiếp xúc, đệm khí sử dụng một lớp mỏng khí nén để cung cấp ma sát không giữa mặt phân giới đệm tải và bề mặt làm việc Không tiếp xúc, đệm khí tránh được những vấn đề mà đệm truyền thống gặp phải như ma sát, mài mòn, bôi trơn, dịch chuyển vị trí chính xác và những ứng dụng tốc

độ cao Lớp khí của đệm được tạo ra bằng cách cung cấp một lưu lượng khí qua đệm và vào trong khe hở đệm [5]

2.2.2 Phân loại đệm khí

* Đệm khí động

Tất cả các đệm khí đều được cõng bởi một màng khí mỏng hay là được bôi trơn bởi màng khí Trong trường hợp đệm khí động, màng khí mỏng được tạo ra bởi chuyển động tương đối giữa 2 bề mặt riêng biệt với khoảng cách nhỏ Điều kiện để hình thành màng khí bôi trơn giữa 2 bề mặt là:

- Vận tốc tương đối giữa 2 bề mặt đạt giá trị tới hạn

- Hình thành góc nêm

Với 2 điều kiện trên thì sẽ tạo ra được hiệu ứng thủy động Khi vận tốc tăng, tính nhớt của khí sẽ tạo ra một áp suất (đường cong áp qua khe hở của 2 bề mặt) ở

giữa khe hở của 2 bề mặt Sự tăng áp giữa 2 bề mặt sẽ tạo ra một lực nâng hay khả năng tải cho đệm khí Khả năng tải này phụ thuộc vào vận tốc tương đối giữa 2 bề mặt, và bởi vậy khi vận tốc tương đối bằng không thì đệm sẽ không có khả năng chịu tải Khi vận tốc giảm dần thì khả năng tải của đệm khí động cũng bị giảm Thêm vào đó, khi vận tốc bằng không, khẳ năng tải bằng không sẽ gây ra một vài sự mài mòn bề mặt đệm khi bắt đầu dịch chuyển và dừng dịch chuyển Tuy có một vài nhược điểm như vậy nhưng đệm khí động có những ứng dụng khá rộng lớn trong công nghiệp Đầu từ đọc, ghi trong đĩa cứng của máy tính thực sự là một đệm khí, khi hoạt động đầu từ bay là là sát trên bề mặt của đĩa từ nhờ đệm khí Đệm khí loại này có lợi thế đặc biệt là không cần có nguồn áp cung cấp bên ngoài [2]

* Đệm khí tĩnh

Kiểu đệm khí này cũng có những lợi thế giống như của đệm khí động Thêm vào đó, nó còn có khả năng tải Có được khả năng tải là do một nhược điểm của đệm khí tĩnh, đó là cần có một nguồn cung cấp áp suất từ bên ngoài để tạo ra mảng mỏng khí bôi trơn Áp suất cung cấp cho khe hở đệm phải thật ổn định Sự chênh áp tạo ra dòng khí từ nguồn áp, qua khe hở đệm rồi thoát ra môi trường bên ngoài Áp suất bên trong khe hở sẽ tạo ra đặc tính tải và đặc tính này chỉ bị giới hạn bởi áp suất có thể cung cấp và sức bền của vật liệu Đệm khí tĩnh không bị mài mòn do ma sát ngay cả khi bắt đầu hoạt động và khi dừng hoạt động Đệm khí tĩnh được sử dụng phổ biến trong cơ khí và trong ứng dụng đòi hỏi những chuyển động và định

vị chính xác cực nhỏ [2]

* Xét theo đặc trưng phân phối khí của bề mặt đệm người ta chia thành các loại sau:

- Đệm khí dạng buồng (hình 2.19): Người ta khoét trên bề mặt đệm thành

những buồng có thể tích nhất định để dẫn khí vào buồng này tạo lực nâng cho đệm

- Đệm khí dạng rãnh (hình 2.19): Trên bề mặt của đệm người ta tạo ra các

rãnh dẫn khí theo những hình dạng khác nhau dựa trên tính toán thiết kế để tạo lực nâng cho đệm

Có rất nhiều đệm khí là sự kết hợp của cả đệm khí buồng và rãnh Khi đó khí qua các lỗ tiết lưu đi qua rãnh rồi vào buồng chứa

Hình 2.15 Đệm khí rãnh và buồng

- Đệm khí theo bề mặt xốp (hình 2.20) [15]: Các đệm khí theo phân phối khí

như trên thường dùng một lỗ tiết lưu được gia công chính xác để dẫn khí vào đệm tạo thành khe hở khí Tuy nhiên hiện nay trên thế giới người ta đã chế tạo đệm khí theo bề mặt xốp, nó khác với đệm khí theo lỗ truyền thống là trên bề mặt của đệm

có hàng triệu lỗ nhỏ, có có khả năng tải cao, chống rung và tự cân bằng tốt

Hình 2.16 Đệm khí xốp

- Đệm khí chân không (hình 2.21) [15]: Đệm khí chân không sử dụng một

cửa hút chân không tạo thành một vùng chân không dưới đệm do áp suất ở vùng chân không nhỏ hơn áp suất khí quyển nên đệm sẽ chịu một áp lực tác dụng của khí quyển Một cửa cung cấp áp như các đệm khí thông thường khác tạo ra một vùng áp suất nâng đệm lên khỏi bề mặt dẫn Như vậy đệm khí chân không giống như các đệm khí thông thường khác khi đã được đặt tải trọng

Hình 2.17 Đệm khí chân không

- Đệm khí lót trục (hình 2.22) [15]: Để giảm ma sát cho các trục quay người

ta đã áp dụng kỹ thuật đệm khí Khí thổi vào một đệm được thiết kế phù hợp với cỡ trục tiêu chuẩn Khí được phân phối đều quanh bề mặt đệm tạo ra một khe hở khí

giữa đệm và trục

Hình 2.18 Đệm khí lót trục

2.2.3 Các ưu điểm của đệm khí

* Ma sát

Một lợi thế rất quan trọng của đệm khí là được bôi trơn bởi khí Độ nhớt của các loại khí so với chất lỏng thấp hơn rất nhiều và đã được tận dụng một cách đặc biệt Đệm khí có ma sát tĩnh cực kỳ thấp, được sử dụng trong các thiết bị đo, các máy cân bằng động, hệ thống định vị trong các máy chế tạo vi mạch bán dẫn, và nhiều thiết bị đòi hỏi điều kiện ma sát thấp Trong các dụng cụ đo, trạng thái bắt đầu chuyển động thì hệ số ma sát nhỏ là rất quan trọng, nếu hệ số ma sát lớn sẽ gây ra

độ trễ làm giảm độ chính xác của phép đo

* Độ chính xác

Độ chính xác cao trong chuyển động là một đặc tính quan trọng của đệm khí

Sự sai khác về độ chính xác trong chuyển động giữa đệm bi lăn và đệm khí là đáng

kể Lấy ví dụ trong dịch chuyển thẳng, các bi đỡ hay con lăn sẽ gây ra các tiếng ồn hay mài mòn lên các bề mặt lăn và bề mặt dẫn

Trái lại, các đệm khí không gặp phải các trở ngại này L‎ý do là không có bề mặt tiếp xúc giữa các thành phần của đệm khí và sự trung bình hoá của lớp khí mỏng trên toàn bộ các thay đổi cục bộ xuất hiện trên bề mặt đã gia công Thậm chí ngay cả đệm bi với các thành phần chính xác nhất cũng có độ chính xác kém hơn so với đệm khí Trong đệm khí quay, hệ quả này đã tạo ra ở mức độ cao về tính chính xác tròn xoay và hoạt động một cách êm ái Thông thường độ lệch khi đệm khí quay

là nhỏ hơn 1 microinch Độ thẳng trong dịch chuyển thẳng đã đạt được đến vài chục nanomet

* Độ cứng

Đối với đệm khí tĩnh, khi vận tốc rất nhỏ hoặc bằng không thì đệm khí có một độ cứng cao đáng kể Có được kết quả này là từ hạn chế chính của đệm khí: đệm khí cần một nguồn áp suất từ bên ngoài để tạo ra một màng khí mỏng Theo nguyên lý này, khí được cung cấp để tạo ra khe hở đệm khí tại một áp suất đo nhất định Sự chênh lệch áp suất tạo ra dòng khí từ điểm nguồn cung cấp, qua khe hở đệm khí và thoát ra môi trường bên ngoài Áp suất bên trong khe hở sẽ tạo ra đặc

tính tải và đặc tính này chỉ bị giới hạn bởi áp suất có thể cung cấp và sức bền của vật liệu

* Sự mài mòn

Mặc dù một vài đệm bi được thiết kế một cách đúng đắn có thể đạt được một

độ mài mòn lý thuyết, nhưng không một loại nào có thể so sánh với đệm khí Với đệm khí động, vấn đề cọ sát có thể xảy ra trong phạm vi khe hở của đệm khí khi bắt đầu chạy hoặc khi dừng lại, nhưng điều này có thể làm giảm bớt bằng cách thêm vào một áp lực khí chỉ khi đệm dịch chuyển hay dừng Thêm nữa, so với đệm bi thì đệm khí sẽ không tăng sự mài mòn khi tốc độ hay tải trọng tăng Với sự chăm sóc

và duy trì đúng cách thì đệm khí sẽ có tuổi thọ cực cao hay tuổi thọ không có giới hạn

* Sự làm bẩn

Sự bôi trơn bằng khí đã tìm được một vị trí đặc biệt quan trọng trong các tình huống mà cần thiết phải giữ môi trường không bị bẩn bởi sự bôi trơn truyền thống Một ví dụ như trong hệ thống sản xuất đĩa bán dẫn Trong trường hợp này thì việc chế tạo một hệ thống mà ngăn cản được sự nhiễm bẩn từ dầu bôi trơn của đệm bi lăn là rất đắt tiền hoặc không thực tế Với chính đệm khí với nguồn áp có các bộ lọc

từ bên ngoài cũng cũng góp phần làm tốt môi trường khỏi chất lỏng, và các chất gây bẩn khác Đệm khí có được một sự đàn hồi tuyệt vời từ áp suất bên trong đệm, mọi vấn đề từ bên ngoài đều bị đẩy ra xa khỏi bề mặt đệm Đệm khí có khả năng hoạt động trong khi bị ngâm hoàn toàn trong chất lỏng Không giống như đệm bi lăn đòi hỏi phải chăm sóc định kỳ, làm sạch, thêm dầu bôi trơn và thỉnh thoảng phải thay thế hay sửa chữa lại bề mặt dẫn, đệm khí là sự tự làm sạch một cách tự nhiên và thực sự không cần phải có sự duy trì chăm sóc

bin hơi trong môi trường nhiệt độ rất cao Hơn nữa độ nhớt của khí bôi trơn cũng tăng khi nhiệt độ tăng Trong trường hợp bôi trơn bằng chất lỏng thì sự hoạt động sẽ

bị suy giảm dần vì khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt của chất lỏng bôi trơn sẽ bị giảm Thực tế, đệm khí đã hoạt động tốt ở nhiệt độ trên 900 độ C với tốc độ lên đến 65000 vòng một phút

* Ảnh hưởng của nhám bề mặt tới độ ổn định của đệm khí

Đệm khí làm việc trong khoảng không gian khe hở giữa bề mặt tấm đệm và

bề mặt sống trượt, do đó chất lượng của hai bề mặt này có ảnh hưởng trực tiếp tới

sự làm việc của đệm khí Vì vậy phân tích sự ảnh hưởng đó tới chi tiết để tìm ra một khe hở làm việc thích hợp cho đệm cũng như độ nhẵn bề mặt mà sống trượt và đệm khí phải đạt được là một yêu cầu hết sức quan trọng

Chất lượng của bề mặt phụ thuộc vào công nghệ gia công, tùy theo từng phương pháp mà trên bề mặt chi tiết có những dạng nhấp nhô khác nhau Để đánh giá nó người ta xác định qua các chỉ tiêu về độ nhám Thường dùng hai chỉ tiêu Ra

và Rz

Để phân tích ảnh hưởng của độ nhám tới đệm khí, ta xét trên một chiều dài chuẩn trong khoảng khe hở làm việc Khi đệm khí làm việc, lớp khí giữa bề mặt đệm và sống dẫn lớn hơn tổng chiều cao nhám của hai bề mặt này Do đó có thể nói rằng khi hoạt động đệm khí đã trung bình hóa tất cả các nhấp nhô bề mặt Đặc điểm của đệm khí là tạo một chuyển động không tiếp xúc giữa xe chạy và sống dẫn Khi

đó khe hở thực mà khí chảy qua là zc

Hình 2.19 Nhám giữa 2 bề mặt

Zc Rz

Rz

Bề mặt đệm khí

Bề mặt sống dẫn

Đường trung bình

Việc lựa chọn độ nhám bề mặt phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố: tỷ số truyền của đệm, độ cứng vững cần thiết, độ lún khi tải trọng thay đổi…Thông thường người ta cần khe hở zcnhỏ và áp suất làm việc để tạo lực nâng lớn, đảm bảo độ cứng vững cho hệ thống, mặt khác khe hở này cũng phải đủ lớn để tránh va chạm khi di chuyển ngay cả khi có biến thiên tải trọng đột ngột

Gọi độ cao nhấp nhô bề mặt của sống trượt là Rz1, của đệm khí là Rz2

Đệm khí làm việc tốt nhất trong khoảng khe hở

Zc > Rz1 + Rz2 Nếu chọn độ nhám bề mặt quá thô thì đòi hỏi Zc phải rất lớn, áp suất nguồn lớn, đệm khí phải có kích thước lớn, khi đó làm ảnh hưởng tới quá trình làm việc của hệ thống và độ chính xác đo Hơn nữa việc không khí chảy qua các rãnh nhám thô không có quy luật làm cho áp suất làm việc không ổn định, có thể làm tăng sai

số ngẫu nhiên Ngoài ra nhám thô là nguyên nhân chủ yếu dẫn tới bề mặt chi tiết bị phá hủy do bụi bẩn găm vào khe nhám, làm cho kim loại bị oxi hóa và khi di chuyển gây cào xước bề mặt

Như vậy, qua phân tích một cách sơ bộ ta cần gia công bề mặt đệm khí và sống dẫn đạt độ nhám càng nhỏ càng tốt Tuy nhiên, khi hệ thống bắt đầu hoạt động thì lớp không khí tại bề mặt tiếp xúc của đệm khí với sống dẫn phải đủ lớn để sinh

ra lực nâng hệ thống lên, vì vậy ta chỉ khống chế độ nhám ở một giá trị vừa đủ (cỡ

3µm, thì khi bắt đầu làm việc khe hở đệm khí có thể trung bình hóa băng chiều cao của nhám bề mặt nên nó có thể nâng được hệ thống lên) và tạo nhám có quy luật Ngoài ra bề mặt cần được bảo vệ và giữ gìn tránh bụi bẩn Bằng phương pháp nghiền sau khi mài tinh, phần lớn các nhám bị bào mòn_theo tài liệu “ Sổ tay thiết

kế cơ khí ” thì độ nhám sau khâu mài nghiền lần cuối có thể đạt được Ra = 0,012†0,025 µm, do đó ảnh hưởng của độ nhám tới chất lượng làm việc của đệm khí giảm đi đáng kể

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, LẮP ĐẶT XE

TRƯỢT ĐỆM KHÍ

3.1 Nghiên cứu, thiết kế sơ bộ xe trượt đệm khí

Trên cơ sở kết quả khảo sát băng máy ИЗΜ-10M, kết hợp với ứng dụng phần mềm thiết kế đồ họa inventor 2014; ta thiết kế sơ bộ mô hình xe trượt đệm khí

Mô hình được dựng ở dạng 3D, sau khi lắp ghép được kết quả như sau:

Hình 3.1 Mô hình xe trượt đệm khí xây dựng trên phần mềm inventor

1 Xe trượt; 2 Vít M10; 3 Đệm khí chịu tải; 4 Sống trượt của băng máy ИЗΜ-10M

1

2

3

4

3.2 Các yêu cầu khi thiết kế đệm khí

Xét đệm khí rãnh như hình 3.2: Ở mỗi đệm khí đều có lỗ tiết lưu d1, đường dẫn khí D thông với nguồn có áp suất ổn định P0 Vì D >> d1 nên coi như đường dẫn không gây tiêu hao

Hình 3.2 Cấu tạo đệm khí loại rãnh

Lớp đệm khí nén được hình thành sau lỗ tiết lưu d1 giữa bề mặt ổ khí và sống dẫn với chiều dày z có áp suất p Áp suất p này đảm bảo nâng xe trượt và chi tiết gắn trên nó lên một khoảng cách nhất định so với bề mặt sống dẫn Khi làm việc giá trị z nằm trong khoảng 5 ÷ 20 µm

Đệm khí được thiết kế cần có độ cứng vững cao và có phản hồi mạnh, có nghĩa là: Giả sử vì một lý do nào đó xuất hiện một lực đẩy từ phải sang trái làm cho

áp suất của 2 bên có sự chênh lệch, lúc này đệm khí sẽ có tác dụng tự điều chỉnh làm tăng áp suất của bên thấp lên và giảm áp suất ở bên cao xuống đẩy xe trượt trở lại vị trí cân bằng Sai lệch vị trí càng bé khi độ cứng vững của đệm khí càng cao Khi tính toán thiết kế đệm khí cần đạt được các yêu cầu sau:

 Đảm bảo khả năng tải đặt ra: Tức là trong giới hạn khe hở làm việc của đệm khí thì đệm khí phải nâng được 1 khối lượng cho trước Tất cả các thông số như áp nguồn cấp P0, thông số kết cấu đệm như hình dạng, kích thước đệm khí và các rãnh phân phối khí, đường kính lỗ tiết lưu, chất lượng bề mặt đệm đều ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tải của đệm khí

 Đảm bảo độ cứng vững của đệm khí: Với một sự biến thiên tải trọng Q thì khe hở của đệm khí cũng bị biến thiên 1 lượng z Độ cứng K=Q/z càng lớn thì khả năng đệm khí làm việc đạt độ chính xác càng cao, tức là khi có sự biến thiên lớn về tải trọng thì chỉ làm cho khe hở z biến thiên một lượng nhỏ

Z

d1

P0

 Đảm bảo khả năng tự cân bằng: Đệm khí được thiết kế tựa trên 1 bi cầu nhằm tạo ra khả năng tự lựa cho đệm Trường hợp có sự biến động tải trọng tác dụng lệch lên 1 phía làm đệm mất cân bằng thì đệm tự sinh ra 1 mô men kháng, xoay đệm trở về vị trí cân bằng Khả năng thiết lập vị trí cân bằng phụ thuộc vào chất lượng hốc đặt bi cầu

3.3 Sử dụng phần mềm ansys tính toán đệm khí:

Yêu cầu :

- Xây dựng biểu đồ phân bố áp suất lên phần bề mặt dẫn ngay dưới đệm khí

- Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa kích thước phần tử lưới và kết quả tính toán lực nâng

- Xây dựng biểu đồ quan hệ giữa khe hở z và lực nâng đệm khí

- Qua quá trình tính toán bằng Ansys đưa ra được thiết kế tối ưu cho đệm khí

3.3.1 Quy trình tính toán

Thiết lập mô hình tính toán (Design Modeler)

Chia lưới (Meshing)

Nhập dữ liệu, điều kiện biên

(Setup)

Tính toán (Solution)

3.3.2 Thiết lập mô hình tính toán

 Để xây dựng mô hình tính toán, chúng ta phải căn cứ vào những yếu tố:

- Sử dụng phần mềm nào để tính toán

- Bài toán cần tính toán thuộc dạng nào, phân tích dòng chảy hay trường ứng suất, biến dạng …

- Kết cấu của chi tiết cần tính toán, các điều kiện biên của nó

- Mục đích của việc tính toán

Dựa vào những yếu tố trên, ta có thể xây dựng được mô hình tính toán như sau:

- Bài toán của chúng ta là bài toán phân tích dòng chảy chất khí sử dụng phần mềm Ansys CFX, vì vậy chúng ta cần dựng một mô hình tương ứng với phần chất khí sẽ chiếm chỗ trong đệm khí

- Mục đích của bài toán là xác định lực nâng của đệm khí và phân bố áp lực trên bề mặt dẫn ở khu vực bên dưới đệm khí Vì vậy mô hình tính toán sẽ phải có thêm phần khe hở z giữa bề mặt đệm khí và bề mặt dẫn

- Dòng khí sẽ vào từ mặt inlet và thoát ra ngoài qua các mặt outlet trên bản

        



Tuy nhiên chúng ta không có lời giải chính xác cho phương trình này, vì vậy

phải sử dụng phương pháp chia lưới – một phương pháp dựa trên cơ sở của phương

pháp phần tử hữu hạn và các điều kiện biên để tính toán

Chia lưới phải phù hợp với mô hình, bởi nó ảnh hưởng lớn đến độ chính xác

của kết quả tính toán Tuy nhiên để chia lưới phù hợp với chi tiết yêu cầu chúng ta

phải thực hiện nhiều thực nghiệm để tìm phương pháp tối ưu

Có nhiều phương pháp để tìm lưới chia phù hợp trong đó quan trọng nhất là

dựa vào đặc trưng hình học Ví dụ đối với lưới chia các chi tiết dạng tấm thì nên

chọn kiểu lưới sell mesh… Khi chia lưới theo các kích thước khác nhau thì kết quả

cũng khác nhau, tất nhiên là chia lưới càng nhỏ, càng mịn thì càng chính xác, tuy

nhiên nếu chia lưới càng mịn thì cần càng nhiều tài nguyên máy tính và thời gian

tính toán

Có thể biết được lưới chia hợp lý hay không nhờ vào đánh giá sự sai lệch kết

quả giữa các kích thước lưới khác nhau, khi kết quả thay đổi ở mức độ cho phép thì

phù hợp hoặc đánh giá qua sự sai lệch giữa kết quả tính được và kết quả thực

nghiệm

Ngoài ra để nâng cao độ chính xác của phép tính, thì tại những vị trí đặc biệt

như kích thước rất nhỏ, chịu lực lớn… Ở những vị trí đó ta nên tiến hành kiểm soát

lưới (mesh control) để có thể tùy chỉnh như chỉnh kích thước chia nhỏ hơn các vị trí

khác… Dung sai của nút thắt (pinch tolerance) cũng rất quan trọng trong việc quyết

định độ chính xác của phép tính, vì vậy cũng cần phải lựa chọn dung sai nút thắt

phù hợp

Hình 3.4.Mô hình đệm khí sau khi chia lưới

Ở bài toán tính toán đệm khí,việc chia lưới cho phù hợp là rất khó khăn bởi

vì mô hình có sự chênh lệch kích thước max và min quá lớn và có những kích thước quá nhỏ Qua nhiều lần tiến hành chia lưới thì ta quyết định lựa chọn phương pháp chia lưới tự động chọn chế độ mịn cao Dung sai nút thắt chọn  = 10-5mm và tiến hành kiểm soát lưới ở bề mặt A giữa đệm khí và sống dẫn

Hình 3.5 Sự khác biệt giữa vùng kiểm soát lưới (ống tiết lưu, rãnh khí)