Nghiên cứu, thiết kế và điều khiển cơ cấu dao động đầu hàn sử dụng bộ vi xử lý

Được sự đồng ý của Viện Cơ Khí - Bộ môn Hàn và Công Nghệ Kim Loại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là sự hướng dẫn của PGS.TS.Bùi Văn Hạnh tác giả đã thực hiện luận văn với đề

bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

-

PHẠM HUY HOÀNG

NGHIấN CỨU THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN CƠ CẤU DAO ĐỘNG ĐẦU HÀN SỬ DỤNG BỘ VI XỬ Lí

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

CHUYấN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS BÙI VĂN HẠNH

Hà Nội - 2016

1

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tác giả dưới sự

hướng dẫn của PGS.TS Bùi Văn Hạnh và chỉ tham khảo các tài liệu đã được liệt kê,

ngoại trừ các số liệu, các bảng biểu, đồ thị, công thức đã được trích dẫn trong tài liệu tham khảo, nội dung công bố còn lại trong luận văn là của chính tác giả đưa ra và chưa được công bố ở trong bất kỳ tài liệu nào Nếu sai, tác giả xin hoàn toàn chịu trách nhiệm

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Học viên

Phạm Huy Hoàng

2

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 5

DANH MỤC CÁC BẢNG 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU 10

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 12

1.1 Tính cấp thiết sử dụng cơ cấu dao động đầu hàn 12

1.2 Tổng quan về cơ cấu dao động đầu hàn 13

1.2.1 Thông số cơ cấu dao động đầu hàn. 13

1.2.2 Tổng quan về cơ cấu dao động đầu hàn 13

CHƯƠNG 2 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CƠ CẤU DAO ĐỘNG ĐẦU HÀN 16

2.1 Phân tích lựa chọn giải pháp truyền động 16

2.1.1 Lựa chọn giải pháp truyền động 16

2.1.2 Phân tích lựa chọn kết cấu cơ khí truyền chuyển động 18

2.2 Tính toán thiết kế bộ truyền vít me – đai ốc bi 22

2.2.1 Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi 22

2.2.2 Tính toán và chọn đường kính trục vít me bi 24

2.3 Tính toán và chọn động cơ bước 25

2.3.1 Thông số kỹ thuật và điều kiện hoạt động của cơ cấu 25

2.3.2 Tính góc độ vi bước yêu cầu θs 25

2.3.3 Xác định mô hình hoạt động 25

2.3.4 Tính mô-men xoắn yêu cầu T M [N.m] 26

2.3.5 Lựa chọn động cơ 27

3

2.4 Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng 28

2.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán bộ truyền đai 28

2.4.2 Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng 29

2.5 Chọn Puly răng 34

2.6 Thiết kế gối đỡ cho trục vít me bi 34

2.6.1 Thiết kế gối đỡ 34

2.6.2 Chọn vòng bi 36

2.7 Chọn hệ thống thanh dẫn trượt 36

2.7.1 Giới thiệu hệ thống thanh dẫn trượt 36

2.7.2 Chọn hệ thống thanh dẫn trượt 37

2.8 Thiết kế bàn giữ và kẹp mỏ hàn 38

2.9 Thiết kế kết cấu thân và vỏ cho cơ cấu dao động đầu hàn 39

2.9.1 Thiết kế thân cơ cấu 39

2.9.2 Thiết kế vỏ cơ cấu 40

CHƯƠNG 3 - THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 42

3.1 Phân tích lựa chọn giải pháp điều khiển 42

3.1.1 Lý thuyết điều khiển tự động 42

3.1.2 Lý thuyết điều khiển cổ điển 42

3.1.3 Lý thuyết điều khiển hiện đại 43

3.1.4 Tính điều khiển và quan sát được 43

3.1.5 Những phương thức điều khiển chính 44

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 44

3.2.1 Nguyên tắc điều khiển 44

3.2.2 Thiết kế hệ điều khiển 46

3.3 Các phần tử trong mạch điều khiển 61

4

3.3.1 Động cơ bước 61

3.3.2 Chíp điều khiển trung tâm 67

3.3.3 Màn hình hiển thị 68

3.3.4 Các phím điều khiển 69

3.3.5 Bộ cấp nguồn 70

CHƯƠNG 4 - XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ VIẾT CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 72

4.1 Xây dựng thuật toán điều khiển 72

4.1.1 Giới thiệu khái quát về thuật toán điều khiển 72

4.1.2 Thuật toán điều khiển PID 72

4.1.3 Xây dựng sơ đồ khối thuật toán điều khiển 75

4.2 Viết chương trình điều khiển 76

CHƯƠNG 5 – CHẾ TẠO VÀ CHẠY THỬ NGHIỆM 77

5.1 Chế tạo 77

5.1.1 Chế tạo kết cấu cơ khí 77

5.1.2 Lắp ráp mạch điều khiển 81

5.2 Chạy thử nghiệm 84

5.3 Đánh giá kết quả và khả năng ứng dụng 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

PHỤ LỤC 90

5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

trơ (Ar, He)

hoạt tính (CO2)

PID Proportional Integral Derivative (Bộ điều khiển vi

tích phân tỉ lệ)

6

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.2 Các thông số bộ truyền vít me – đai ốc bi Model 1204-3 24 Bảng 2.3 Các thông số động cơ bước Sumtor 57HS7630A4 28 Bảng 2.4 Kích thước bộ truyền đai răng gờ hình thang 30 Bảng 2.5 Các thông số hình học cơ bản đai có gờ hình tròn 31 Bảng 2.6 Các thông số bộ truyền đai răng gờ hình thang 31

Bảng 2.7 Bước đai răng theo IS0 5296-I: 1989 (bước đai mm

Bảng 2.8 Các thông số kỹ thuật dây đai răng 120XL-025 34

Bảng 2.11 Các thông số kích thước thanh dẫn trượt TRH15VN 37

7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý truyền chuyển động từ động cơ tới trục

chính thông qua bộ truyền đai

18

8

Hình 3.31 Phím điều khiển PLC có LED và không có LED 70

9

Hình 5.2 Cơ cấu dao động đầu mỏ hàn sau khi đã lắp vỏ bảo vệ 80

Hình 5.4 Sơ đồ vị trí lắp Led và các nút bấm điều khiển trên tủ

điện nổi

83

Hình 5.10 Ứng dụng lắp trên cơ cấu hàn nối ống (phương pháp hàn

MAG)

86

Là một giáo viên dạy nghề Hàn cùng với lòng yêu nghề và say mê khoa học kỹ thuật mới, tác giả đã theo học sau đại học ngành Công nghệ hàn Trong quá trình giảng dạy và học tập tại trường, tác giả mong muốn thiết kế một cơ cấu tự động thực hiện chuyển động dao động ngang ứng dụng cho máy hàn bán tự động MIG/MAG với mục đích:

- Chế tạo ra một cơ cấu dao động đầu hàn có chức năng tương tự nước ngoài mà giá thành chế tạo lại rẻ hơn

- Nâng cao kiến thức bản thân trong việc nghiên cứu khoa học để phục vụ công tác giảng dạy tốt hơn

- Là một mô hình để cho sinh viên học tập, nghiên cứu và ứng dụng trong quá trình học nhằm nâng cao kiến thức về lý thuyết cũng như tay nghề

Do vậy, tác giả đã chọn nghiên cứu thiết kế và chế tạo cơ cấu dao động đầu hàn làm đề tài

Được sự đồng ý của Viện Cơ Khí - Bộ môn Hàn và Công Nghệ Kim Loại

Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đặc biệt là sự hướng dẫn của PGS.TS.Bùi Văn

Hạnh tác giả đã thực hiện luận văn với đề tài:

“Nghiên cứu thiết kế và điều khiển cơ cấu dao động đầu hàn sử dụng bộ vi

3 CÁC LUẬN ĐIỂM CƠ BẢN VÀ ĐÓNG GÓP MỚI CỦA TÁC GIẢ

- Đi vào nghiên cứu lý thuyết cơ sở thiết kế máy, mạch vi điều khiển cơ cấu dao động đầu hàn

- Nghiên cứu, vận hành thực tế cơ cấu dao động đầu hàn trên máy hàn MAG

- Thiết kế và chế tạo kết cấu cơ khí cho cơ cấu dao động đầu hàn

- Thiết kế mạch điều khiển

- Chế tạo và chạy thử nghiệm

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài được thực hiện bằng cách kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, thực tế và phân tích tổng hợp để tìm ra những thông số hợp lý nhất phục vụ cho việc tính toán thiết kế và chế tạo cơ cấu dao động đầu hàn sử dụng bộ vi xử lý

12

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN

1.1 Tính cấp thiết sử dụng cơ cấu dao động đầu hàn

Cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ thì ngành cơ khí nói chung

và ngành hàn nói riêng đang phát triển hết sức mạnh mẽ, đồng thời cũng khẳng định vị trí của mình trong quá trình CNH - HĐH của đất nước Sự ra đời của máy móc có khả năng TĐH và linh hoạt ngày càng cao đã giúp cho các doanh nghiệp tăng năng suất và chất lượng của sản phẩm Việc ứng dụng rô bốt vào sử dụng trong công nghiệp chủ yếu là để hàn và lắp ráp: Gần 25% rô bốt công nghiệp là rô bốt hàn, rô bốt lắp ráp chiếm 33% dân số rô bốt trên thế giới Rô bốt đã trở thành một trong những ứng dụng quan trọng trong cuộc sống, rô bốt đã dần dần thay thế con người làm những công việc

từ đơn giản đến những việc đòi hỏi sự chính xác cao Các nhà máy lớn trên thế giới như Toyota, Mercedes Benz, Honda, đều đưa rô bốt vào tham gia sản xuất, đặt biệt

là hệ thống rô bốt hàn khung xe hơi Hệ thống rô bốt đã phối hợp hoạt động nhịp nhàng, tạo ra sản phẩm với năng suất cao, ít phế phẩm, độ chính xác cao, làm việc ở những vị trí độc hại, cường độ ô nhiễm cao, tiết kiệm sức lao động con người

Nhờ những ưu điểm vượt trội nói trên mà ngày nay các doanh nghiệp ở Việt Nam cũng chú trọng đầu tư các loại máy TĐH và rô bốt trong nhiều khâu sản xuất Tuy nhiên, để đưa dây chuyền sản xuất có sự tham gia của các thiết bị đó thì đòi hỏi lượng vốn đầu tư ban đầu rất lớn và hơn nữa, đặc thù sản xuất của các doanh nghiệp là nhỏ lẻ, tính đồng bộ chưa cao Do vậy, cần phải có sự áp dụng linh hoạt các thiết bị đó vào từng công đoạn sản xuất và từng sản phẩm cụ thể để tránh lãng phí

Trong quá trình hàn người thợ hàn hay rô bốt hàn phải đảm bảo các thông số hình học của mối hàn Một trong các thông số đó là chiều rộng mối hàn Để đạt được chiều rộng mối hàn ta có các giải pháp:

- Tăng cường độ dòng điện, nhưng như vậy trong một số kết cấu hàn sẽ không hợp lý vì sinh ra ứng suất biến dạng lớn

- Tăng điện áp hàn và chiều dài hồ quang

- Vận tốc hàn chậm

- Chọn chế độ hàn phù hợp và thực hiện dao động ngang đầu mỏ hàn hay

13

que hàn để đạt chiều rộng theo yêu cầu Giải pháp này phù hợp với các kết cấu hàn và ở các vị trí hàn khác nhau.

Xác định được điều đó, tác giả đã nghiên cứu, thiết kế cơ cấu dao động đầu hàn

sử dụng bộ vi xử lý để điều khiển Sử dụng cơ cấu này là một biện pháp hỗ trợ trong quá trình hàn hồ quang và nó có thể được sử dụng cho phương pháp hàn MIG, MAG

Cơ cấu có tác dụng kẹp giữ đầu mỏ hàn và tạo chuyển động lắc ngang sang 2 bên theo biên độ và tần số yêu cầu

Tuy nhiên, để đảm bảo cơ cấu dao động mỏ hàn hoạt động ổn định và khai thác hết khả năng thì cần phải có thêm các cơ cấu khác đi kèm như: Cơ cấu di chuyển dọc trục mối hàn, di chuyển theo các vị trí hàn khác nhau và theo các đường hàn có hình dạng bất kỳ thì cũng có tính năng và tác dụng gần giống như các thiết bị TĐH hay rô bốt hàn khác mà giá thành lại rẻ phù hợp với điều kiện sản xuất

Bởi vậy, việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo cơ cấu dao động đầu mỏ hàn sử dụng

bộ vi xử lý điều khiển là rất cần thiết để áp dụng cho các doanh nghiệp sản xuất cơ khí cũng như các trường Đại học, Cao đẳng để nghiên cứu và giảng dạy nhằm giảm chi phí đầu tư và tránh phụ thuộc vào các thiết bị nhập ngoại

1.2 Tổng quan về cơ cấu dao động đầu hàn

1.2.1 Thông số cơ cấu dao động đầu hàn

- Kích thước cơ cấu: 230x280x120 (mm)

- Khối lượng cơ cấu: 5,0 (kg)

1.2.2 Tổng quan về cơ cấu dao động đầu hàn

Cơ cấu dao động đầu hàn được chế tạo gồm hai phần chính: Kết cấu cơ khí, hệ thống điều khiển và phần mềm lập trình cho vi điều khiển

1.2.2.1 Kết cấu cơ khí

14

Bao gồm: Động cơ bước, bộ truyền đai răng, trục vít me - đai ốc bi, thanh dẫn hướng, thân cơ cấu và vỏ bảo vệ

a Động cơ bước: Truyền chuyển động quay của động cơ thông qua bộ truyền đai

tới trục vít me – đai ốc bi để tạo biên độ và tần số dao động cho cơ cấu Ưu điểm của loại động cơ bước là: độ chính xác dịch chuyển cao, dịch chuyển nhanh và không cần mạch phản hồi

b Trục vít me - đai ốc bi: Với yêu cầu của máy là truyền động phải êm và chính

xác, sau khi so sánh ưu nhược điểm của vít me thường và vít me đai ốc bi, tác giả đã quyết định lựa chọn trục vít me - đai ốc bi làm cơ cấu truyền động từ động cơ Ưu điểm của dạng vít me đai ốc bi là ma sát trong truyền động là ma sát lăn và độ chính xác truyền động cao Với việc loại bỏ được dạng ma sát trượt thường sinh ra trong các

cơ cấu vít me thường, trục vít me - đai ốc bi đem đến một ưu điểm: Chỉ cần một lực quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động

c Hệ thống thanh dẫn hướng: Thanh dẫn hướng có nhiệm vụ là dẫn hướng cho

chuyển động của bàn gá giữ đầu mỏ hàn theo phương của trục chính Yêu cầu của hệ thống thanh trượt phải thẳng, có khả năng chịu tải cao, độ cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

1.2.2.2 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển được cấu thành từ các bộ phận chính: Nguồn, mạch drive điều khiển động cơ, mạch giao tiếp và các phím điều khiển

a Nguồn: Nguồn của tủ điện là bộ biến áp chỉnh lưu dùng để chuyển điện áp xoay

chiều 220V xuống điếp áp một chiều ổn định 24V Điện áp một chiều này có nhiệm vụ nuôi các mạch driver điều khiển và động cơ bước

b Mạch driver điều khiển động cơ bước: Để điều khiển được động cơ bước

truyền chuyển động cho trục vít me bi thì ta cần phải thiết kế driver tương ứng để ổn định tín hiệu truyền

c Mạch giao tiếp: Có rất nhiều loại mạch giao tiếp, tùy thuộc vào yêu cầu chế

tạo, chế độ làm việc của từng loại máy mà thiết kế mạch giao tiếp cho phù hợp với máy Mạch giao tiếp có nhiệm vụ kết nối giữa máy tính PC và mạch điều khiển động

cơ bước, mạch giao tiếp đưa tín hiệu từ máy tính gián tiếp tác động vào mạch điều

1.2.2.3 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển

Hiện nay có nhiều phần mềm được thiết kế để sử dụng lập trình điều khiển cho động cơ bước Tuy nhiên, để phù hợp với tính năng sử dụng của cơ cấu đã chế tạo, tác giả đã chọn phần mềm Code Vision AVR (CVAVR) làm phần mềm điều khiển động

cơ bước CVAVR là một môi trường phát triển tích hợp phần mềm cho vi điều khiển Atmel AVR Nó cung cấp sự hỗ trợ rộng rãi cho các thiết bị AVR và tạo ra một đoạn

mã nhỏ gọn và hiệu quả

16

CHƯƠNG 2 - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU CƠ KHÍ CƠ CẤU

DAO ĐỘNG ĐẦU HÀN

2.1 Phân tích lựa chọn giải pháp truyền động

2.1.1 Lựa chọn giải pháp truyền động

Có rất nhiều giải pháp để truyền động cho cơ cấu dao động đầu mỏ hàn, tổng quát

ta có các giải pháp sau:

2.1.1.1 Giải pháp 1: Truyền chuyển động từ động cơ tới trục chính thông qua bộ

truyền đai (truyền chuyển động gián tiếp)

Bộ truyền đai là một trong những bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và hiện nay vẫn được sử dụng rộng rãi Bộ truyền đai có các ưu, nhược điểm sau:

a Ưu điểm:

- Có thể truyền động giữa các trục xa nhau

- Làm việc êm và không ồn nhờ vào độ dẻo của đai, do đó có thể truyền chuyển động với vận tốc lớn

- Tránh cho các cơ cấu không có sự dao động lớn sinh ra do tải trọng thay đổi nhờ vào tính chất đàn hồi của đai

- Đề phòng có sự quá tải của động cơ nhờ vào sự trơn trượt của đai khi quá tải

- Kết cấu và vận hành đơn giản (do không cần bôi trơn), giá thành thấp

b Nhược điểm:

- Kích thước bộ truyền lớn hơn so với bộ truyền bánh răng

- Tỉ số truyền khi làm việc thay đổi do hiện tượng trượt đàn hồi của đai và bánh đai (ngoại trừ đai răng)

- Tải trọng tác dụng lên trục và ở lớn hơn 2÷3 lần so với bộ truyền bánh răng, do

ta phải căng đai với lực căng ban đầu F0

17

Truyền động trực tiếp là nó cần một mô tơ đặc biệt Thông thường các mô tơ được thiết kế để đạt được mô men xoắn cao nhất ở tốc độ vòng quay lớn Do vậy, mô tơ cũng cần có kích thước lớn hơn, phức tạp hơn trong thiết kế và tất nhiên giá thành cũng cao hơn Tốc độ quay nhanh cũng đồng nghĩa với việc cơ cấu truyền chuyển động trực tiếp sẽ bị hao mòn nhanh hơn truyền chuyển động gián tiếp Bảng mạch điện

tử của cơ cấu truyền động trực tiếp phức tạp hơn so với truyền chuyển động gián tiếp hơn rất nhiều dẫn tới chi phí sửa chữa các bảng mạch này sẽ cao hơn rất nhiều so với máy truyền động gián tiếp

2.1.1.3 Giải pháp 3: Truyền chuyển động từ động cơ tới trục chính thông qua bánh

- Hiệu suất cao  = 0,96 ~ 0,98, thậm chí  = 0,99 cho một cặp bánh răng

- Kích thước bộ truyền tương đối nhỏ gọn, khả năng tải lớn

- Tuổi thọ và độ tin cậy cao

- Làm việc trong phạm vi công suất, tốc độ và tỉ số truyền khá rộng

b Nhƣợc điểm:

- Không thực hiện được truyền động vô cấp

- Không có khả năng tự bảo vệ an toàn khi quá tải

- Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn

- Đòi hỏi độ chính xác cao trong chế tạo và lắp ráp

- Chịu va đập kém vì độ cứng của bộ truyền khá cao

Từ 3 giải pháp đưa ra tác giả chọn phương án 1: Truyền chuyển động từ động

cơ tới trục chính thông qua bộ truyền đai đai vì:

- Sự kết hợp tốt giữa mô men và tốc độ tạo ra nhiều sự lựa chọn cho các thông số chế độ làm việc Vì vậy, thích hợp hơn cho cơ cấu dao động đầu mỏ hàn để điều chỉnh tần số và biên độ dao động linh hoạt hơn

18

- Tăng tốc độ vòng quay của trục chính bằng cách cho tỉ số truyền lớn (tỉ số truyền của pully răng là 15/10) trong khi vẫn sử dụng động cơ có tốc độ vòng quay nhỏ

- Kết cấu cơ khí và vận hành đơn giản, giá thành thấp, làm việc êm không có tiếng ồn

- Kích thước nhỏ gọn hơn truyền chuyển động trực tiếp (chiều dài ngắn hơn)

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý truyền chuyển động từ động cơ tới trục chính thông qua bộ

- Duy trì mô men rất tốt (không cần phanh, biến tốc)

- Mô men xoắn cao ở tốc độ thấp

- Chi phí bảo dưỡng thấp (không có chổi quét)

19

- Kích cỡ hạn chế

- Làm việc ồn

- Mô men giảm theo tốc độ

- Không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số

- Yêu cẩu phải điều chỉnh các thông số vòng điều khiển

- Bảo dưỡng tốn kém hơn, đặc biệt là động cơ DC servo

c Động cơ không đồng bộ 3 pha kèm hộp giảm tốc

Động cơ không đồng bộ 3 pha có kết cấu đơn giản, vận hành dễ dàng, sử dụng rộng rãi và phổ biến trong phạm vi công suất nhỏ và vừa Tuy nhiên, để xác định số vòng quay và góc quay ta sử dụng encoder để định vị trí

Phân tích so sánh 3 loại động cơ trên tác giả lựa chọn động cơ bước vì: Giá thành rẻ, có thể điều khiển mạch hở, định vị chính xác (không cần encoder), chi phí bảo dưỡng thấp

2.1.2.2 Lựa chọn bộ truyền đai

a Bộ truyền đai răng

Đai răng tương tự như đai dẹt, nhưng bề mặt trong có các gờ hình thang hoặc hình tròn, trên các bánh đai có các rãnh tương ứng Bộ truyền đai răng làm việc nhờ vào sự ăn khớp giữa đai và các răng của bánh đai Ưu điểm của bộ truyền đai răng:

20

- Kích thước bộ truyền nhỏ

- Không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai

- Tỉ số truyền lớn, thông thường u ≤ 12 (có thể nên đến 20÷30)

- Hiệu suất cao  = 0,92÷0,98

- Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

- Công suất truyền đến 200Kw (có thể đến 750Kw)

- Ít tiếng ồn hơn truyền động xích và không đòi hỏi bôi trơn

- Vận tốc đai răng vmax lên tới 80m/s

- Thông số quan trọng nhất của đai răng là mô đun

b Đai thang

Tiết diện dây đai hình thang, cho phép tăng khả năng tải của bộ truyền đai nhờ vào tăng hệ số ma sát giữa đai và bánh đai

c Đai dẹt

Tiết diện dây đai hình chữ nhật

Bảng 2.1 So sánh thông số làm việc của các loại đai

nhất

Vận tốc lớn nhất (m/s)

21

Hình 2.3 Sơ đồ chọn loại đai

Phân tích so sánh 3 loại đai trên tác giả chọn đai răng vì ngoài những ưu điểm chung nó còn khắc phục được hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai, tỉ số truyền lớn và không đổi, vận tốc vmax cao lên tới 80m/s, lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ

2.1.2.3 Lựa chọn trục vít me

Bộ truyền vít me - đai ốc làm việc theo nguyên lý ăn khớp của cặp ren (giữa ren trong trên đai ốc với ren ngoài trên vít me) để biến đổi chuyển động quay thành tịnh tiến

Tùy theo tính chất tiếp xúc của cặp ren ta có thể chia bộ truyền làm hai loại: Ma sát trượt và ma sát lăn Trong máy công cụ, điều khiển số, TĐH người ta thường sử dụng hai loại vít me cơ bản mang đặc trưng cho hai tính chất tiếp xúc trên

- Vít me đai ốc thường: Là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt (ma sát trượt)

- Vít me đai ốc bi: Là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn (ma sát lăn)

Ƣu điểm của trục vít me - đai ốc bi:

- Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0,9

- Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộc vào tốc độ

22

- Có thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao

- Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

Phân tích so sánh 2 loại trục vít me tác giả chọn trục vít me - đai ốc bi để tạo di chuyển

cơ cấu dao động đầu hàn

2.2 Tính toán thiết kế bộ truyền vít me – đai ốc bi

2.2.1 Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi

Bộ truyền vít me - đai ốc bi, còn được gọi là trục vít vòng bi, trục vít bi tuần hoàn…, bao gồm một trục trục vít và đai ốc tích hợp với rất nhiều viên bi và các viên

bi tuần hoàn quay trở lại nhờ kết cấu hồi bi Bộ truyền vít me - đai ốc bi là loại phổ biến nhất của trục vít sử dụng trong thiết bị công nghiệp và cơ khí chính xác Các chức năng chính của một trục vít me bi là để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính hoặc mô men xoắn để đẩy và kéo trở lại, với các tính năng về độ chính xác, sự đảo chiều và hiệu quả cao

Kết cấu bộ truyền vít me bi rất đa dạng nhưng chúng đều có cấu tạo chung như sau:

Hình 2.4 Bộ truyền vít me – đai ốc bi

 Dạng profil răng vít và răng đai ốc:

Vấn đề quan trọng nhất trong kết cấu của bộ truyền vít me đai ốc đó là profil răng vít me và răng đai ốc Profil răng vít me dạng hình chữ nhật và hình thang là dễ chế tạo nhất Tuy nhiên, do độ cong của hai bề mặt khác nhau quá lớn lên dẫn đến ứng suất tiếp xúc tăng và khả năng tải của bộ truyền thấp Vì vậy, hai dạng profil này ít được sử dụng

Do đó, để giảm được ứng suất tiếp xúc, tăng khả năng tải, tăng độ cứng vững

23

của bộ truyền và giảm mô men ma sát thì ta phải tăng bề mặt làm việc Để đảm bảo điều này thì ta phải thiết kế profil dạng tròn Nếu bán kính của bi là r1, bán kính của profil ren là r2 nên chọn r1/r2 = 0.95→0.97 Với profil là nửa cung tròn thì góc tiếp xúc của bộ truyền có thể là α=600, tuy nhiên bộ truyền với góc tiếp xúc α=450 sẽ có khe

hở nhỏ nhất và cho khả năng chế tạo với độ chính xác cao nhất

 Kết cấu hồi bi:

Có nhiều dạng kết cấu hồi bi nhưng chúng ta có thể chia làm các dạng:

- Rãnh hồi bi nối giữa hai vòng ren kế tiếp nhau được bố trí trên máng lót đặc biệt

- Rãnh hồi bi kiểu ống cong

- Rãnh hồi bi là lỗ khoan trên thân đai ốc và song song với đường tâm đai ốc

Hình 2.5 Các dạng kết cấu hồi bi

 Khử khe hở và tạo sức căng

Kết cấu của bộ truyền vít me bi phải có khả năng khử khe hở dọc trục và tạo sức căng ban đầu Khử khe hở và tạo sức căng nhờ việc điền chỉnh vị trí tương quan giữa hai phần của đai ốc Khử khe hở và tạo sức căng có thể thực hiện bằng các phương pháp sau:

- Trên mỗi phần đai ốc thiết kế dạng mặt bích để kiên kết hai phần đai ốc với nhau thông qua mối ghép ren Để khử khe hở và tạo sức căng ban đầu cho bộ truyền bằng cách giữ hai mặt bích người ta đặt các tấm đệm Với chiều dày các tấm đệm khác nhau cho phép thay đổi sức căng và vị trí cùng tiếp xúc giữa bi với đai ốc và vít me Thực hiện điều chỉnh theo phương pháp này có kết cấu đơn giản nhưng việc điều chỉnh khó khăn

- Một dạng khác của kết cấu khử khe hở và tạo sức căng là giữ cố định một

24

phần của đai ốc, khử khe hở và tạo sức căng ban đầu bằng lực của lò xo

- Thêm mỗi phần của đai ốc, vành ngoài của nó có vành răng bước nhỏ và trong cũng bố trí vành răng trong

Từ những tính toán trên tác giả chọn bộ truyền vít me - đai ốc bi Model 1204 -

3 có đường kính 12 mm của OME Technology Co.,Ltd có các thông số cơ bản theo bảng 2.2 dưới đây:

Hình 2.6 Kích thước bộ truyền vít me – đai ốc bi Bảng 2.2 Các thông số bộ truyền vít me – đai ốc bi Model 1204-3 (Đơn vị: mm) Mod

25

2.3 Tính toán và chọn động cơ bước

Hình 2.7 Sơ đồ hoạt động của cơ cấu

2.3.1 Thông số kỹ thuật và điều kiện hoạt động của cơ cấu

Khối lượng của đầu mỏ hàn……… m = 2,5 kg

Hệ số ma sát của bề mặt trượt……… = 0,05

Hiệu suất của trục vít me bi………  = 0,9

Hệ số ma sát bên trong của đai ốc tải trước……… 0 = 0,3

Đường kính trục vít me bi………DB = 12 mm

Tổng chiều dài của trục vít me bi………LB = 215 mm

Vật liệu chế tạo trục vít me bi……….thép (tỉ trọng  = 7.9 × 103[kg/m3]) Bước ren trục vít me bi………PB = 4 mm

Độ phân giải mong muốn (chiều dài di chuyển trên mỗi xung)… Δl = 0.03 [mm/bước] Chiều dài di chuyển………l = 20 [mm]

Thời gian định vị……….t0 = trong vòng 0,8 giây

② Xác định khả năng tăng tốc (giảm tốc) thời gian t1 [s]

Thời gian tăng tốc (giảm tốc) của 25% thời gian định vị thích hợp

Hình 2.8 Đồ thị tần số xung theo thời gian

④ Tính tốc độ hoạt động NM [r/min]

NM = 𝑓2 × 𝜃𝑠

360 0 × 60 = 1111,12 × 2,70

360 0 × 60 = 500 [r/min]

2.3.4 Tính mô-men xoắn yêu cầu T M [N.m]

① Tính mô men xoắn tải trọng TL[N.m]

- Lực của hướng chuyển động:

F = FA + mg(sin + cos) = 0 + 2,5 x 9,807 (sin 00 + 0,05 cos 00) = 1,23 [N]

- Tải trước:

F0 = 𝐹

3 = 1,23

3 = 0,41 [N]

② Tính mô men xoắn tăng tốc Ta [N · m]

②-1 Tính thời điểm quán tính tải JL [kg.m2]

Tác giả chọn động cơ bước Sumtor 57HS7630A4

Hình 2.9 Động cơ bước Sumtor 57HS7630A4

Dòng chịu tải

Điện áp chịu tải

Góc bước

Kích thước mặt bích

Chiều dài thân

76 (mm)

2.4 Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng

2.4.1 Cơ sở lý thuyết tính toán bộ truyền đai

2.4.1.1 Thông số hình học bộ truyền đai

- Thông số hình học chủ yếu:

a – khoảng cách trục

1 – góc ôm bánh đai nhỏ

Hình 2.10 Các thông số hình học bộ truyền đai

- Do căng đai và đai có độ võng, nên 1 lấy gần đúng

1 =1800 - Với sin 𝛽

b Tỉ số truyền của bộ truyền đai:

2.4.2 Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng

2.4.2.1 Các thông số bộ truyền đai răng

2,5 3,5 5,0 9,0 25,0 30,0 32,0 42,0

Gờ hình tròn

Bảng 2.7 Bước đai răng theo IS0 5296-I: 1989 (bước đai mm hoặc in)

33

2.4.2.2 Tính toán và chọn bộ truyền đai răng

a Mô đun m xác định theo công thức thực nghiệm:

m = 3,5 103×𝑃1

𝑛1

3

(2.9) Trong đó:

P1 là công suất truyền (kW)

n1 là số vòng quay bánh dẫn: 300 vg/ph (theo yêu cầu thiết kế)

Từ kết quả đã chọn động cơ ở trên ta tính được P1(kW):

Trong đó: C= 2m (m - mô đun đai) khi m ≤ 5; C= 3m (m – mô đun đai) khi m > 5

Chiều dài đai được xác định sơ bộ, sau đó tính toán lại khoảng cách trục và tính chính xác chiều dài đai theo số răng zp của đai

Từ các tính toán trên theo bảng 2.7 và tiêu chuẩn bước dây đai tác giả chọn đai

gờ hình thang ký hiệu 120XL-025 hay 1/5-inch (XL)

Hình 2.13 Dây đai răng

34

Bảng 2.8 Các thông số kỹ thuật dây đai răng 120XL-025

đai

Ký hiệu bước

Hình 2.14 Bộ truyền Pully răng tỉ số truyền 15/10

Để tăng tốc độ vòng quay của trục vít me bi tác giả chọn bộ Pully răng có tỉ số truyền 15/10 Pully được chế tạo bằng hợp kim nhôm để giảm khối lượng mà vẫn đảm bảo độ bền khi làm việc

Bảng 2.9 Các thông số bộ truyền Pully răng XL

Bước răng

Lỗ bắt vít hãm

Số răng

Chiều rộng

Đường kính lỗ

Bước răng

Lỗ bắt vít hãm

35 Hình 2.15 Gối đỡ vít me bi 1

Hình 2.16 Gối đỡ vít me bi 2

36

2.6.2 Chọn vòng bi

Hình 2.17 Vòng bi công nghiệp Căn cứ vào khả năng chịu tải, kích thước của trục vít me bi và gối đỡ, tác giả chọn vòng bi SKF 628-Z có các thông số theo bảng 2.1 dưới đây:

Bảng 2.10 Các thông số vòng bi 628-Z

2.7 Chọn hệ thống thanh dẫn trƣợt

2.7.1 Giới thiệu hệ thống thanh dẫn trƣợt

Hệ thống dẫn trượt cho phép các thiết bị phụ trợ có thể di chuyển trượt trên đó Bằng cách sử dụng vòng hồi bi lăn giữa thanh ray và khối trượt, hệ thống này có thể đạt tới độ chính xác lặp cao So với các sống trượt cổ điển, hệ số ma sát của các hệ thống này chỉ bằng 1/50 lần Dựa trên lực cản giữa thanh ray và khối trượt, hệ thống trượt có thể lắp đặt ở nhiều phương khác nhau Với những bộ phận như vậy, hệ thống dẫn trượt có thể nâng cao độ chính xác di chuyển, đặc biệt khi sử dụng kết hợp với các

hệ thống vít me bi khác

Ƣu điểm của loại thanh dẫn trƣợt:

- Độ chính xác vị trí cao, hệ số ma sát nhỏ

- Tuổi thọ lớn và độ chính xác chuyển động cao

- Vận tốc di trượt cao, giảm thiểu được lực phát động di trượt

- Công suất tải là như nhau theo các hướng

Bảng 2.11 Các thông số kích thước thanh dẫn trượt vuông TRH15VN

39,5

M4x5

9,

5

M4x0,7

0

My (kgf-mm)

Mz

trượt (kg)

Thanh dẫn (kg/m)

Con trượt đơn

Con trượt đơn

Con trượt đôi

Con trượt đơn

Con trượt đôi TRH

39

Hình 2.19 Bàn kẹp giữ đầu mỏ hàn

2.9 Thiết kế kết cấu thân và vỏ cho cơ cấu dao động đầu hàn

2.9.1 Thiết kế thân cơ cấu

Do cơ cấu nhỏ, làm việc với tải trọng nhẹ và để giảm khối lượng nên thân cơ cấu được chế tạo bằng hợp kim nhôm 6061 Bên trên thân máy được lắp các cơ cấu cơ khí dao động đầu mỏ hàn Do đó, phần thân phải có độ cứng vững cao, đảm bảo độ chính xác, tạo sự ổn định và cân bằng cho cơ cấu