Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Tải bản đầy đủ

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
-

Đường kính vòng ngoài và vòng trong của ổ lăn 608zz:
D1 = 16( mm)

-

Độ chia mong muốn (bề rộng của một lớp in): ∆l = 0, 2mm
t0 =

360o.∆l 360o.0, 2
θs =
=
= 1,92o
Π.D
Π.12
Tính độ phân giải yêu cầu của động cơ:

Tính số bước cần để kích cho động cơ dịch chuyển một đoạn bằng độ dày một

A − f1.t1
1, 273 − 0
=
= 424,33( Hz )
t0 − t1
0,004 − 0,001

Số vòng quay hoạt động
N M = f2.

-

∆l.360o 360o.0, 2
A=
=
= 1,062( step)
Π.D.θ s Π.12.1,8o

Thời gian gia tốc: t1 = t0 .0, 25 = 0,004.0,25 = 0,001
Tần số xung hoạt động
f2 =

-

∆l 0, 2
=
= 0,004( s)
v
50

Thời gian dịch chuyển một lớp in:
o
Góc giữa phương chuyển động so với phương ngang: θ = 0

lớp in:
-

D2 = 8( mm)

θs
1,8
.60 = 424,33.
.60 = 127,3(v / p)
o
360
360

Momen xoắn tải:
F = FA + m.g (sin θ + µ cosθ ) = 0 + 1.9,81(0 + 0,12.1) = 1,175( N )
TL =

F .D 1,175.12.10 −3
=
= 7, 68.10 −3 ( Nm)

2.0,92

 Momen quán tính của hệ:
-

Momen quán tính của đai và cụm đầu đùn:
2

2

 12.10 −3 
D
−5
2
J m1 = m1.  ÷ = 1. 
÷ = 3, 6.10 ( kgm )
2
 2 
-

Momen quán tính của bánh đai:
1
1
J m 2 = .mbd .D 2 = . ( 3, 6.10 −3 ) . ( 12.10 −3 ) = 6, 48.10 −8 ( kg.m 2 )
8
8

43

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
-

Momen quán tính ổ lăn 608zz (giả sử khối lượng ổ lăn phân bồ đều)
2
2
1
1
J m 3 = .mol . ( D12 − D22 ) = . ( 113.10−3 ) . ( 16.10−3 ) − ( 8.10 −3 )  = 5,93.10−6 ( kg.m2 )


8
8

-

Tổng momen quán tính của hệ
J L = J m1 + J m 2 + J m3 = 3, 6.10−5 + 6.48.10−8 + 5,93.10−6 = 5, 6.10 −5 ( kg.m2 )

-

Momen gia tốc
Ta = ( J 0 + J L ) .

π .θ s f 2 − f1
π .1,8 424,33 − 0
.
= ( J 0 + 5,6.10−5 ).
.
= 3333 J 0 + 0,187( N .m)
o
180
t1
180o
4.10−3

Với J 0 là momen quán tính của rotor động cơ.
-

Tổng momen xoắn cần thiết
TM = ( TL + Ta ) .S f = (6, 4.10−3 + 3333 J 0 + 0,187).2 = 0,387 + 6666 J 0

Với

Sf = 2

là hệ số an toàn

3.1.2 Tính toán bộ truyền đai răng cho trục X:

T =9,55.106.
-

Mômen tác dụng:

ct
Plvct
6 Plv
=
9,55.10
.
=425 Nmm
n ctlv
n lvct
.

Plvct
=44,5.10- 6
ct
n lv
-

Môđun m xác định theo công thức thực nghiệm:
m = 3,5. 3

103 .P
= 3,5. 3 44,5.10−3 = 0,94
n
. Công thức (4.28) tài liệu [1].

Chọn môđun m = 1 mm, chiều rộng b = 10 mm. (Bảng 4.28 tài liệu [1]).
-

Chọn số răng trên bánh chủ động: z1 = 40 răng. (Bảng 4.29 tài liệu [1])
Chọn tỉ số truyền u = 1.
Khoảng cách trục a : a min ≤ a ≤ a max

a min = 0,5m (z1 +z 2 ) + 2m = 42 mm
Với a max = 2m (z1 +z 2 ) = 320 mm
44

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN

Chọn a = 300 mm.

-

2a z1 + z2 ( z2 − z1 ) 2 p
zd =
+
+
= 136
p
2
40a
Số răng đai
răng
l
=
785
mm
Chiều dài đai d
chọn theo bảng 4.30 tài liệu [1].

-

2
2
Tính lại khoảng cách a = (λ + λ − 8∆ ) / 4= 266,9 mm

-

Trong đó: λ = ld − p( z1 + z2 ) / 2 và ∆ = m(z2 − z1 )/2
-

Theo bảng 4.27 tài liệu [1]. Ta có:
Chiều cao răng: h= (0,6 → 0,9)m = 0,8 mm
Chiều rộng răng: S= (1 → 1,2)m = 1 mm

-

Tính lực vòng:

Ft =
-

1000 P1
= 1000.0,01118 = 11,18 N
v
.

Lực căng đai ban đầu:

F0 = 1,4.b = 1,4.10 = 14 N . Công thức (4.35) tài liệu [1].
-

Lực tác dụng lên trục:

Fr = 1,2.Ft = 1,2.11,18 = 13,42 N . Công thức (4.36) tài liệu [1].
3.2 Cụm truyền động trục y:
3.2.1 Nguyên lý cụm truyền động:

45

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN

Hình 3.2: Nguyên lý truyền động cụm trục Y
3.2.2 Chọn động cơ:
Thông số:
-

Tổng khối lượng dây đai, cụm đầu đùn và cụm trục x: m = 1.5kg
Vận tốc đai: v = 50 (mm/s)
Hệ số ma sát của ổ trượt LM8uu: µ = 0,12
Hiệu suất của bộ truyền đai : η = 0,92
Đường kính bánh đai GT2: D = 12mm
Khối lượng bánh đai GT2: mbd = 3,6( g )
Khối lượng ổ lăn 608zz: mol = 113( g )
Đường kính vòng ngoài và vòng trong của ổ lăn 608zz:
D1 = 16(mm)

-

D2 = 8(mm)

Độ chia mong muốn (bề rộng của một lớp in): ∆l = 0, 2mm
t0 =

Thời gian dịch chuyển một lớp in:
o
Góc giữa phương chuyển động so với phương ngang: θ = 0
Tính độ phân giải yêu cầu của động cơ
θs =

-

∆l 0,2
=
= 0,004( s )
v
50

360o.∆l 360o.0, 2
=
= 1,9o
Π.D
Π.12

Tính số bước cần để kích cho động cơ dịch chuyển một đoạn bằng độ dày một
lớp in
∆l.360o 360o.0, 2
A=
=
= 1,06( step)
Π.D.θ s Π.12.1,8o

-

Thời gian gia tốc
t1 = t0 .0, 25 = 0,004.0, 25 = 0,001

-

Tần số xung hoạt động
f2 =

-

A − f1.t1
1, 06 − 0
=
= 353,33( Hz )
t0 − t1
0, 004 − 0, 001

Số vòng quay hoạt động
46

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
NM = f2.
-

θs
1,8
.60 = 353,33.
.60 = 106(v / p)
o
360
360

Momen xoắn tải:
F = FA + m. g (sin θ + µ cos θ ) = 0 + 1,5.9,81(0 + 0,12.1) = 1,7625( N )
F .D 1, 7625.12.10 −3
TL =
=
= 11,52.10 −3 ( Nm)

2.0,92

-

Momen quán tính của hệ:
Momen quán tính của đai, cụm đầu đùn và cụm trục x:
2

2

 12.10−3 
D
−5
2
J m1 = m1.  ÷ = 1,5. 
÷ = 5, 4.10 ( kgm )
2
 2 

Momen quán tính của bánh đai:
1
1
J m 2 = .mbd .D 2 = . ( 3, 6.10 −3 ) . ( 12.10 −3 ) = 6, 48.10−8 ( kg.m2 )
8
8

Momen quán tính ổ lăn 608zz (giả sử khối lượng ổ lăn phân bồ đều)
2
2
1
1
J m 3 = .mol . ( D12 − D22 ) = . ( 113.10−3 ) . ( 16.10−3 ) − ( 8.10 −3 )  = 2, 72.10−6 ( kg.m 2 )


8
8

-

Tổng momen quán tính của hệ
J L = J m1 + J m 2 + J m 3 = 5, 4.10−5 + 6, 48.10−8 + 2, 72.10−6 = 8,19.10−5 ( kg.m 2 )

-

Momen gia tốc
Ta = ( J 0 + J L ) .

π .θ s f 2 − f1
π .1,8 353, 33 − 0
.
= ( J 0 + 8,19.10−5 ).
.
= 2775 J 0 + 0, 2227( N .m)
o
180
t1
180o
4.10 −3

Với J 0 là momen quán tính của rotor động cơ.
-

Tổng momen xoắn cần thiết
TM = ( TL + Ta ) .S f = (11,52.10−3 + 2775 J 0 + 0, 2272).2 = 0, 4376 + 5550 J 0

Với

Sf = 2

là hệ số an toàn

3.2.3 Tính toán đai răng truyền động từ động cơ cho trục Y:
47

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
ct
Plvct
6 Plv
T =9,55.10 . ct =9,55.10 . ct =469.2 Nmm
n lv
n lv
Mômen tác dụng:
.
6

-

Plvct
=49,13.10- 6
ct
n lv
-

Môđun m xác định theo công thức thực nghiệm:
m = 3,5. 3

103 .P
= 3,5. 3 49,13.10−3 = 1
n
. Công thức (4.28) tài liệu [1].

Chọn môđun m = 1 mm, chiều rộng b = 8 mm. (Bảng 4.28 tài liệu [1]).
-

Chọn số răng trên bánh chủ động: z1 = 20 răng. (Bảng 4.29 tài liệu [1])
Chọn tỉ số truyền u = 1.
Khoảng cách trục a : a min ≤ a ≤ a max

a min = 0,5m (z1 +z 2 ) + 2m = 13,2 mm
Với a max = 2m (z1 +z 2 ) = 80 mm
Chọn a = 50 mm.

-

2a z1 + z2 ( z2 − z1 ) 2 p
zd =
+
+
= 70
p
2
40a
Số răng đai
răng
l
=
180
mm
Chiều dài đai d
chọn theo bảng 4.30 tài liệu [1].

-

2
2
Tính lại khoảng cách a = (λ + λ − 8∆ ) / 4= 70 mm

-

Trong đó: λ = ld − p( z1 + z2 ) / 2 và ∆ = m(z2 − z1 )/2
-

Theo bảng 4.27 tài liệu [1]. Ta có:
Chiều cao răng: h= (0,6 → 0,9)m = 0.75 mm
Chiều rộng răng: S= (1 → 1,2)m = 1 mm

-

Tính lực vòng:

Ft =
-

1000 P1
= 1000.0,00308 = 3,08 N
v
.

Lực căng đai ban đầu:
48

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN

F0 = 1,4.b = 1,4.8 = 11,2 N . Công thức (4.35) tài liệu [1].
-

Lực tác dụng lên trục:

Fr = 1,2.Ft = 1,2.3,08 = 3,7 N . Công thức (4.36) tài liệu [1].
3.2.4 Tính toán trục bánh đai bị động truyền động cho trục Y.
 Chọn vật liệu chế tạo trục và ứng suất cho phép:

Chọn thép 45, Theo Bảng 7.1 tài liệu [1] ta có:

σ b =785 MPa; σch =540 MPa; τch =324 MPa;σ - 1 =383 MPa
Chọn vật liệu trục là thép C45: [t ] =25 MPa
 Tính toán sơ bộ đường kính trục:

Mômen xoắn trên trục: T =480 Nmm
Chọn sơ bộ đường kính trục:


3

5T
=
[ τ]

3

5.480
= 4,58mm
25

. Công thức (10.9) tài liệu [1];

5

Chọn d =5mm tại vị trí lắp bánh đai

10

30
20

Hình 3.3: Phác thảo kết cấu sơ bộ trục

49

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN

Hình 3.4: Sơ đồ biểu diễn lực trên trục
Chiều dài trục AB = 460 mm
-

Trong mặt phẳng xOy:
Phương trình cân bằng mômen:

åM

B

=0

R Ay .460 - Fr .10 =0
F .10 187.10
® R Ay = r
=
=4,07 N
460
460
Phương trình cân bằng lực theo trục y:

åF

y

=0

R By =- R Ay + Fr =- 4,07 +187 = 182,93N

F 187
Fd1 =Fd 2 = r =
=93,5N
2
2
-

Trong mặt phẳng XOZ:
Phương trình cân bằng mômen:

åM

B

=0

R Ax .460 - Fd1.420 - Fd2 .30 =0
F .420 +Fd 2 .30 93,5.460
® R Ax = d1
=
=93,5 N
460
460
R Bx =R Ax =93, 5N
50

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
 Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh:
-

Công thức kiểm nghiệm:
Trong đó:

σ td = σ 2 +3τ 2 £ [σ]

[σ] =0,8σ ch
σ : moment uốn lớn nhất tại tiết diện nguy hiểm
t : moment xoắn lớn nhất tại tiết diện nguy hiểm

3.3 Cụm truyền động trục z:
3.3.1 Nguyên lý cụm truyền động:

Hình 3.5: Cơ cấu vít me - đai ốc trục Z
3.3.2 Chọn động cơ:
Thông số:
-

Tổng khối lượng của bàn máy và sản phẩm:
m = 1,5 kg
Vận tốc vít me:
v = 4 (mm/s)
Hệ số ma sát của ổ trượt LM8uu: µ = 0,12
Hiệu suất của bộ truyền vít me - đai ốc: η = 0,9
PB = 4mm
Bước ren:
∆l = 0,1mm
Độ chia mong muốn:
t0 =

∆l 0,1
=
= 0, 025( s )
v
4

Thời gian dịch chuyển một lớp in:
o
Góc giữa phương chuyển động so với phương ngang: θ = 90
Tính độ phân giải yêu cầu của động cơ
θs =

360o.∆l 360o.0,1 o
=
=9
PB
4

51

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN
-

Tính số bước cần để kích cho động cơ dịch chuyển một đoạn bằng độ dày một
lớp in
A=

-

∆l.360o 360o.0,1
=
= 5( step)
PB .θ s
4.1,8o

Thời gian gia tốc
t1 = t0 .0, 25 = 0,025.0, 25 = 0, 00625

-

Tần số xung hoạt động
f2 =

-

A − f1.t1
5−0
=
= 266, 67( Hz )
t0 − t1
0, 025 − 0, 00625

Số vòng quay hoạt động
NM = f2 .

-

θs
1,8
.60 = 266, 67.
.60 = 80(v / p)
o
360
360

Momen xoắn tải
F = FA + m.g (sin θ + µ cosθ ) = 0 + 2.9,81(1 + 0) = 19,6( N )

-

-

Tải trọng đặt trước
F0 =

F
= 6,53
3

TL =

F .PB µ0 .F0 .PB 19, 6.4.10−3 0,3.6,53.4.10−3
+
=
+
= 0, 019( Nm)
2πη

2π .0,9


Momen quán tính của hệ
2

Momen quán tính của tải:

2

 4.10−3 
P 
−7
2
J m1 = m.  B ÷ = 2. 
÷ = 8, 2.10 ( kgm )
 2π 
 2π 

Momen quán tính của bộ truyền vít me - đai ốc
J m2 =

4
π
π
.ρ .LB .DB4 = .7,9.103.300.10 −3. ( 5.10 −3 ) = 1, 45.10 −7 ( kg.m 2 )
32
32

52

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
GVHD: Th.S NGUYỄN MINH TUẤN

Tổng momen quán tính của hệ
J L = J m1 + J m 2 = 8, 2.10−7 + 1, 45.10−7 = 1, 41.10 −6 (kg.m2 )

Momen gia tốc

-

o
π .θ s f 2 − f1
−6 π .1,8 266, 67 − 0
Ta = ( J 0 + J L ) .
.
= ( J 0 + 1, 41.10 ).
.
= 8378 J 0 + 0, 0118( N .m)
180o
t1
180o
10 −3

Với J 0 là momen quán tính của rotor động cơ.
Tổng momen xoắn cần thiết

-

TM = ( TL + Ta ) .S f = (0, 019 + 8378 J 0 + 0, 0118).2 = 0, 062 + 16756 J 0

Với

Sf = 2

là hệ số an toàn

 Chọn động cơ đồng bộ cho cả ba trục:

Dựa vào các yếu tố momen xoắn cần thiết của các cụm truyền động, độ chia từng
bước, kích thước hình dáng phù hợp, giá thành và độ phổ biến cũng như chất lượng
tốt, chọn động cơ bước NEMA17 với các thông số sau:
Phases

2

Steps/Revolution

200

Step accuracy

±5%

Shaft Load

20000 hours at 1000 RPM

Rotor Inertia

5,7.10−6 kg .m 2

Holding torque

0,48Nm

Tính lại momen cần thiết theo momen quán tính của rotor động cơ trục Z.
TM = 0, 062 + 16756 J 0 = 0, 062 + 16756.5, 7.10 −6 = 0,16 N .m < 0, 48 N .m

(holding

torque)
→ Động cơ thỏa yêu cầu.
Tính lại momen cần thiết theo momen quán tính của rotor động cơ trục Y.
53