Công Thức Tính Toán Mô men Xoắn Của Tải Cho Các Cơ Cấu Phổ Biến Thường Gặp Khi Lựa Chọn Động Cơ TL［N・m］
Động cơ điện là bộ phận tạo động lực thiết yếu trong hầu hết các hệ máy tự động và việc lựa chọn động cơ điện là một phần quan trọng khi thiết kế máy.
Một trong các thành phần quan trọng cần tính toán khi lựa chọn động cơ đó là tính toán mô men xoắn của tải cho cơ cấu bạn đang thiết kế. Blog xin giới thiệu đến các bạn công thức tính toán mô men xoắn tải của một vài cơ cấu cơ bản như sau:
- Cơ cấu Vít me
- Cơ cấu dòng dọc
- Cơ cấu băng tải, cơ cấu thanh răng- bánh răng
- Cơ cấu đo lường thực nghiệm
F: Tải trọng khi vận chuyển［N］
F0: tải trọng dự áp［N］（≒1/3F）
µ0: hệ số ma sát tải trọng dự áp（0.1～0.3）
η: hiệu suất（0.85～0.95）
i: tỉ số truyền
PB: Bước ren vit me［m/rev］
FA: ngoại lực khác［N］
FB: lực kéo ban đầu［N］（FB = giá trị đo lực cân lò xo［kg］×g［m/s2］）
M: Khối lượng của tải và jig đỡ［kg］
µ: hệ số ma sát trượt
θ: góc nghiêng của hệ［°］
D: Đường kính pulley［m］
g: Gia tốc trọng trường［m/s2］（9.807）
---
Tải trọng dự áp :
Khi tính toán lựa chọn vít me các bạn có thể gặp khái niệm lực dự áp (hay còn gọi là lực dự trữ, hay lực preload). Đây là một yếu tố quan trọng trong cơ cấu vít me, nhằm đảm bảo tính chính xác, độ ổn định và giảm độ rơ trong quá trình hoạt động. Để hiểu chi tiết về lực dự áp trong cơ cấu vít me, chúng ta sẽ tìm hiểu qua các khía cạnh sau:
1. Cơ cấu vít me là gì?
Cơ cấu vít me (ball screw) là một hệ thống truyền động cơ học sử dụng vít và đai ốc. Trong đó, các viên bi (bi thép) được đặt giữa hai phần này để giảm ma sát, đồng thời chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng hoặc ngược lại. Vít me thường được sử dụng trong các máy công cụ, máy CNC, các hệ thống tự động hóa, bởi nó cho phép độ chính xác và hiệu suất cao.
2. Lực dự áp là gì?
Lực dự áp là một lực nhỏ được tạo ra bằng cách áp dụng một lực căng trước (preload) giữa các bộ phận trong hệ thống. Trong cơ cấu vít me, lực dự áp được áp dụng giữa vít và đai ốc để loại bỏ độ rơ giữa chúng. Độ rơ này có thể xuất hiện do quá trình chế tạo, mài mòn theo thời gian, hoặc do sự thay đổi nhiệt độ làm giãn nở vật liệu.
3. Tại sao lực dự áp quan trọng?
a. Giảm độ rơ
Trong cơ cấu vít me, lực dự áp có chức năng loại bỏ sự lỏng lẻo hoặc rơ giữa vít và đai ốc. Điều này rất quan trọng vì độ rơ có thể làm giảm độ chính xác của hệ thống, đặc biệt trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao như trong máy CNC.
b. Tăng độ cứng
Lực dự áp cũng giúp tăng độ cứng của hệ thống, giúp giảm thiểu biến dạng dưới tác động của tải trọng. Độ cứng cao giúp hệ thống chịu tải tốt hơn, đảm bảo rằng cơ cấu hoạt động một cách ổn định ngay cả khi có tải trọng cao.
c. Tăng tuổi thọ của cơ cấu
Bằng cách loại bỏ độ rơ, lực dự áp giúp giảm sự mài mòn giữa vít và đai ốc. Khi các viên bi thép và bề mặt tiếp xúc giữa vít và đai ốc được duy trì ở trạng thái ổn định, sự mài mòn ít hơn sẽ làm tăng tuổi thọ của cơ cấu.
d. Cải thiện độ chính xác lặp lại
Lực dự áp giúp đảm bảo rằng mỗi lần vít me di chuyển, hệ thống đều tái tạo được vị trí chính xác. Điều này quan trọng trong các ứng dụng cần độ chính xác lặp lại cao, như trong các dây chuyền sản xuất tự động hoặc các máy đo đạc chính xác.
4. Phương pháp áp dụng lực dự áp
Lực dự áp có thể được áp dụng theo nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào thiết kế và ứng dụng của hệ thống vít me:
a. Lực dự áp qua việc sử dụng đai ốc kép
Một trong những phương pháp phổ biến để tạo ra lực dự áp là sử dụng đai ốc kép. Hai đai ốc được đặt trên vít với một lực căng giữa chúng, đảm bảo rằng luôn có một lực ép lên bề mặt vít để loại bỏ độ rơ. Lực này có thể được điều chỉnh thông qua khoảng cách giữa hai đai ốc.
b. Đai ốc áp lực căng trước (preload) bằng lò xo
Trong một số thiết kế, lò xo được sử dụng để tạo lực căng trước (preload) giữa đai ốc và vít. Lò xo giúp duy trì lực căng liên tục, ngay cả khi có sự giãn nở nhiệt hoặc mài mòn theo thời gian.
c. Lực dự áp bằng cách lựa chọn đường kính bi
Một phương pháp khác là lựa chọn các viên bi có đường kính khác nhau để tạo sự chênh lệch áp suất giữa vít và đai ốc, từ đó tạo ra lực dự áp.
5. Tác động của lực dự áp lên hệ thống
a. Tăng ma sát
Dù lực dự áp có nhiều lợi ích, nó cũng có một số nhược điểm, chẳng hạn như làm tăng ma sát trong hệ thống. Ma sát cao hơn có thể làm giảm hiệu suất và yêu cầu mô-men quay lớn hơn để vận hành hệ thống.
b. Giảm hiệu suất cơ học
Khi lực dự áp quá lớn, hệ thống sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn để duy trì hoạt động, làm giảm hiệu suất cơ học tổng thể.
c. Gia tăng nhiệt độ
Lực dự áp quá lớn sẽ tạo ra sự gia tăng ma sát, điều này có thể dẫn đến sự sinh nhiệt trong hệ thống. Nếu nhiệt độ quá cao, nó có thể làm biến dạng vít me và đai ốc, ảnh hưởng đến độ chính xác và tuổi thọ.
6. Cân bằng lực dự áp
Việc áp dụng lực dự áp cần được cân nhắc kỹ lưỡng. Nếu lực dự áp quá thấp, độ rơ sẽ xuất hiện và làm giảm độ chính xác. Ngược lại, nếu lực quá lớn, nó có thể gây ra các vấn đề như ma sát và mài mòn nhanh. Do đó, việc cân bằng lực dự áp là rất quan trọng, và điều này thường được thực hiện bằng cách tính toán dựa trên yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
7. Các ứng dụng yêu cầu lực dự áp
Lực dự áp thường được sử dụng trong các ứng dụng cần độ chính xác cao và không cho phép sai số như:
- Máy công cụ CNC: Độ chính xác cao trong quá trình gia công đòi hỏi hệ thống vít me phải không có độ rơ.
- Thiết bị đo lường: Các hệ thống đo chính xác yêu cầu chuyển động không có sai số hoặc rơ.
- Hệ thống điều khiển tự động: Các hệ thống servo hoặc robot cần chuyển động chính xác và lặp lại, do đó lực dự áp là cần thiết.
8. Phương pháp tính toán lực dự áp
Lực dự áp (P) có thể được tính dựa trên tải trọng làm việc tối đa Fmax và tỷ lệ phần trăm tương ứng:
P=k×Fmax
Trong đó:
- P là lực dự áp cần thiết.
- k là hệ số dự áp, có thể là 0.03 đến 0.30 tùy vào ứng dụng.
- Fmax là tải trọng làm việc tối đa mà cơ cấu vít me phải chịu.
Việc tính toán lực dự áp là cần thiết khi lựa chọn không chỉ vít me mà còn được áp dụng khi tính toán lựa chọn động cơ cho cơ cấu vít me. Hãy chú ý thành phần lực này.
9. Tóm lại
Lực dự áp là một yếu tố quan trọng giúp cải thiện độ chính xác, độ ổn định và tuổi thọ của cơ cấu vít me. Tuy nhiên, việc áp dụng lực dự áp cần được thực hiện một cách cân nhắc để đảm bảo rằng hệ thống vẫn hoạt động hiệu quả mà không tạo ra quá nhiều ma sát hoặc nhiệt. Trong các ứng dụng hiện đại, lực dự áp giúp cơ cấu vít me trở nên linh hoạt và đáng tin cậy hơn, đóng góp vào sự phát triển của các ngành công nghiệp như sản xuất, đo lường và tự động hóa.
Sự khác nhau giữa Vít me, Vít trượt và dây đai răng.
Đối với một hệ thống máy, ngoài sử dụng vít me người ta còn sử dụng vít trượt hoặc dây đai răng để dẫn truyền chuyển động. Chúng tôi xin được tổng hợp những sự khác nhau cơ bản giữa chúng bằng bảng dưới đây.
Phương thức | Chủng loại | Ngoại hình | Đặc trưng |
Ren | Vít me bi |
| Nó có cấu trúc tương tự như một thanh dẫn hướng tuyến tính, trong đó những viên bi chuyển động vô hạn, và có ma sát thấp và hiệu quả cao. Với vít me mài có cấp chính xác cao. |
Vít trượt(ren hình thang) |
| Hình dạng mặt cắt ngang của ren vít là hình thang. Thường được sử dụng trong các cơ cấu di chuyển thủ công bằng tay. Ma sát lớn, cần được bôi trơn bằng dầu mỡ, độ chính xác thấp. | |
Vít trượt(ren tam giác) |
| Hình dạng mặt cắt ngang của ren giống với ren ốc thông thường. Sử dụng trong các bộ định vị trí hay được sử dụng như một con ốc kéo căng trong các bộ ròng rọc. | |
Đai | Dây đai răng (răng hình thang) |
| Thường được sử dụng trong các bộ phận vận chuyển. Mômen truyền không lớn lắm, và nếu đặt mômen lớn thì có thể xảy ra hiện tượng trượt răng hoặc hỏng đai. |
Dây đai răng (răng tròn) |
| Được dùng để truyền động và có mômen truyền lớn hơn đai răng hình thang. Do có khe hở hướng kính nhỏ nên độ chính xác định vị tốt, nhưng kém hơn so với vít me bi. |
Dựa trên những yêu cầu về độ chính xác, tốc độ, hành trình hay môi trường sử dụng để từ đó chúng ta lựa chọn vít me hay dây đai răng sao cho phù hợp. Trước tiên, theo yêu cầu về độ chính xác chúng ta có thể loại bỏ vít trượt và dây đai răng (loại răng hình thang) ra khỏi danh sách lựa chọn vì cả hai đều có khe hở hướng kính là khoảng 0.1 đến 0.2 mm. Vì vậy không phù hợp với đặc điểm kỹ thuật đòi hỏi độ chính xác cao của cơ cấu P&P. Ngoài ra, một lí do không sử dụng vít trượt trong trường hợp này là vít trượt không phù hợp đối với những cơ cấu hoạt động ở tốc độ cao.
Còn lại hai đại diện có thể sử dụng cho cơ cấu P&P là vít me và dây dai răng (loại răng tròn). Cùng so sánh hai đại diện trên, trong trường hợp thiết bị có hoạt động di chuyển thuận nghịch, một lực sẽ phát sinh theo hướng di chuyển của cơ cấu khi quá trình tăng giảm tốc độ diễn ra (lực quán tính).
Để cơ cấu có thể dừng lại chính xác vị trí mong muốn cần phải sử dụng một cơ cấu không chịu tác dụng của lực này. Có thể lập trình hệ thống điều khiển để can thiệp ảnh hưởng của lực trên nhưng tính ổn định cơ học luôn là ưu tiên hàng đầu khi hệ thống vận hành.
Với việc còn lại hai sự lựa chọn là Vít me và dây đai răng (loại răng tròn), chúng tôi quyết định sử dụng vít me vì vít me có độ giãn dài ít hơn khi bị tác động bởi ngoại lực nhờ thế mà mang lại sự ổn định và chính xác hơn.
3. Phân loại vít me.
Vít me được phân loại theo phương pháp sản xuất: phương pháp cán và phương pháp mài. Giống như tên gọi, chúng có sự khác biệt lớn trong phương pháp sản xuất, dẫn đến sự khác nhau trong việc định hình bề mặt lăn của những viên bi.
Trước hết, liên quan đến vít me gia công bằng phương pháp cán. Bề mặt tiếp xúc của trục vít với bi lăn được gia công bằng cách đặt một trục trơn không rãnh lăn nó giữa các khuôn định hình và ren vít dần được hình thành theo hình dạng khuôn. Để dễ tưởng tượng, chúng tôi xin lấy ví dụ nó giống như bạn nặn đất sét thành hình que, dùng hai tay véo lại và lăn giữa các ngón tay để tạo hình “từ từ”. Do đó, trong trường hợp trục vít cán, độ chính xác của bề mặt cán không tốt lắm. Tuy nhiên, do thời gian gia công ngắn nên nó có thể được sản xuất với thời gian giao hàng ngắn và giá thành rẻ. Các bạn có thể tham khảo phương pháp gia công cán tại link video: https://www.youtube.com/watch?v=11GRIp_WF4M
Tiếp theo là vít me gia công bằng phương pháp mài, một trục trụ dài được tạo hình bằng cách mài. Trong khi trục vít quay thì đá mài sẽ di chuyển dọc thân trục hình thành bề mặt và rãnh ren như mong muốn. Do đó, bề mặt lăn có thể được định hình với độ chính xác cao. Tuy nhiên, do thời gian xử lý lâu hơn nên thường dẫn đến thời gian giao hàng cũng lâu hơn và giá thành cao. Các bạn có thể tham khảo phương pháp gia công tại link video: https://www.youtube.com/watch?v=fsAXaSC562U
Tóm tắt lại, sự khác biệt giữa vít me cán và vít me mài được trình bày trong bảng dưới đây.
| Vít me gia công cán | Vít me gia công mài |
Cấp chính xác | Thấp | Cao |
Thời gian giao hàng | Ngắn | Dài |
Giá thành | Rẻ | Đắt |
Trong trường hợp này,
- Yêu cầu khi gắp sản phẩm cần độ chính xác cao
- Khi đặt sản phẩm vào khay đựng cũng yêu cầu độ chính xác cao
Vì vậy chúng tôi quyết định sử dụng vít me được gia công bằng phương pháp mài.
4. Cấp chính xác của vít me.
Bầy giờ, cùng đi vào lựa chọn chi tiết vít me. Khi các bạn nhìn vào catalog về vít me sẽ có rất nhiều thông tin khác nhau về độ chính xác, hãy tham khảo một mô hình dưới đây.
Hình này được quy định trong bộ tiêu chuẩn JIS B 1192 và mô tả những gì cần thiết để đọc thông tin về độ chính xác của vít me.
Ý nghĩa của các thuật ngữ được liệt kê trong bảng dưới đây.
Thuật ngữ | Giải thích |
Bước ren (Lead) | Khoảng cách mà đai ốc di chuyển được khi trục vít quay 1 vòng. |
Bước ren danh nghĩa | Bước ren được viết trong catalog |
Bước ren tiêu chuẩn | Bước ren của nhà sản xuất công bố |
Bước ren thực | Bước ren được đo thực tế khi lắp đặt |
Tích lũy danh nghĩa | Giá trị tích lũy của bước ren danh nghĩa khi đai ốc chạy hết chiều dài vít(theo catalog ) |
Tích lũy tiêu chuẩn | Giá trị tích lũy của bước ren tiêu chuẩn khi đai ốc chạy hết chiều dài vít |
Tích lũy thực tế | Giá trị được đo bằng phép đo liên tục của bước ren thực sau đó lấy giá trị trung bình. Hay giá trị được đo tại vị trí ngẫu nhiên. |
Tích lũy đại diện | Đường thẳng giá trị đại diện cho xu hướng của tích lũy thực tế |
Sai số tích lũy đại diện | Đo bằng trị tuyệt đối của Giá trị tích lũy đại diện trừ đi tích lũy tiêu chuẩn |
Sai số tích lũy thực tế | Đo bằng giá trị thực tích lũy trừ đi tích lũy tiêu chuẩn |
Biên độ | Giá trị lớn nhất của sai số tích lũy bước ren thực tế được giới hạn giữa hai đường thẳng vẽ song song. Hai đường này là sai số tích lũy bước ren đại diện, giá trị tham chiếu theo ba mục dưới đây. |
a) Tương ứng với quãng đường di chuyển hiệu dụng của đai ốc hoặc chiều dài hiệu dụng của phần ren của trục vít me (biến thiên biên độ trên toàn bộ quãng đường di chuyển) | |
b) Tương ứng với trục vít có chiều dài phần ren hiệu dụng là 300 mm (biến thiên biên độ trong đoạn 300 mm) | |
c) Tương ứng với một vòng quay bất kỳ trong suốt chiều dài hiệu dụng phần có ren của trục vít (biến thiên biên độ trong một vòng quay) |
Cấp chính xác của vít me được xác định bằng sai số và độ biến thiên biên độ bước ren trục vít.
Cấp chính xác là C0 đến C5 đối với vít me mài và C7 đến C10 đối với vít me cán.
Hầu hết vít me cán có cấp chính xác là C7 và C10. Thông thường, không đề cập đến biên độ và chỉ riêng sai số tích lũy bước ren sẽ xác định cấp độ chính xác của vít me cán.
Giá trị chấp nhận được sai số tích lũy bước ren | Đơn vị: µm | |
Cấp chính xác | C7 | C10 |
Sai số tích lũy bước ren ※ | 52 | 210 |
※Tham chiếu trên trục vít có chiều dài hiệu dụng của phần ren là 300 mm. | ||
Tóm lại một chút cho các bạn dễ hiểu, đối với vít me sẽ có sai số vị trí của đai ốc khi trục vít quay một vòng và sai số này sẽ được tích lũy tăng dần khi trục vít quay từ vòng đầu tiên đến vòng cuối cùng.
Lựa Chọn Vít Me Trong Thiết Kế Máy (phần 2)
- 2022-01-15
- THIẾT KẾ- CHẾ TẠO MÁY
XTmechanical Blog xin chào các bạn. Ở phần trước, khi đề cập đến các khái niệm cơ bản liên quan tới trục vít me, chúng tôi đã trình bày về chủng loại, đặc trưng của các cơ cấu truyền động, cũng như chủng loại, độ chính xác và cách lựa chọn vít me. Trong phần 2 này, chúng tôi sẽ tập trung trình bày cụ thể hơn về việc lựa chọn vít me.
Tiếp theo đây, chúng ta sẽ bắt đầu đi vào tính toán lựa chọn trục vít me.
Hình ảnh cơ cấu gắp và thả vật P&P
Trong bảng dưới đây chúng ta cùng xem lại khái quát về các thông số và độ chính xác cần đạt của thiết bị.
Tên gọi thiết bị | Cơ cấu gắp và thả vật P&P | |
Đối tượng vận chuyển | Vật | Kích thước Φ63.5×Φ19.05×t1.0 Khối lượng W=0.008kg |
Tốc độ vận chuyển | Cả 2 trục X,Y | 250mm/s |
Quãng đường chuyển động | Trục X | 680mm |
Trục Y | 210mm | |
Trục Z | 20mm | |
Độ chính xác vị trí | Cả 2 trục X,Y | ±0.05mm/500mm |
Ở cơ cấu này, độ chính xác yêu cầu là ±0.05mm/500mm, nên xét từ sai số tích lũy đại diện và biên độ trong trường hợp chiều dài hiệu dụng là 500mm, ta sẽ chọn vít me có độ chính xác cấp C5.
Sai số tích lũy đại diện (27μm) + Biên độ/2 (20 / 2μm) = 37μm
Ta tính được đại khái giá trị sai số xoay một chiều như trên, thỏa mãn được độ chính xác yêu cầu.
Với cơ cấu này, ta thiết lập độ chính xác vị trí là ±0.05mm/50mm. Điều này có nghĩa là từ băng tải đến vị trí xếp trên tấm kê hàng thứ nhất thì bỏ qua độ chính xác vị trí (chỉ cần xét độ chính xác lặp lại là được), còn từ sau đó ta sẽ cần xét độ chính xác vị trí cho việc xếp hàng.
Như vậy, tùy thuộc vào cách sử dụng mà độ chính xác cần thiết cũng sẽ thay đổi theo. Do đó, cần phải hiểu rõ “đối với cơ cấu này, ta sẽ sử dụng như thế nào, ta cần những gì.”
Ở trục Y, tuy là quãng đường ngắn nhưng nếu chọn độ chính xác cấp C7 (vít me cán) thì sẽ không đáp ứng được độ chính xác yêu cầu, cho nên ta sẽ chọn trục vít me có độ chính xác cấp C5.
1. Bước ren (Lead) của trục vít me
Sau khi đã chọn được cấp chính xác phù hợp, tiếp theo ta sẽ xét đến bước ren.
Như bảng phía trên, tốc độ vận chuyển là 250mm/s. Động cơ được dùng là động cơ servo với tốc độ quay là 3000 vòng/phút.
Tốc độ vận chuyển：250mm/s
Tốc độ quay của động cơ：3000 vòng/phút
Ta có “Tốc độ vận chuyển=3000×Bước ren×1/60”, suy ra bước ren ≥ 5mm
Từ catalog, giả sử với bước ren bằng 5mm, độ chính xác vít me là cấp C5, ta có 4 loại được khoanh đỏ như trong hình trên.
Dải độ dài trục vít có thể chế tạo được là cố định nên ta cần lựa chọn độ dài trục vít sao cho phù hợp. (Cho tới thời điểm này, ta đã không tính đến tốc độ nguy hiểm, nên các kết quả chỉ là “tạm thời”)
Độ dài trục vít (trục X) cần thiết là khoảng 700mm, nên ta sẽ lựa chọn đường kính trục vít lớn hơn hoặc bằng 15mm.
Về trục Y, suy nghĩ tới vấn đề quản lý các linh kiện dự phòng và tính đồng nhất giữa các bộ phận, ta sẽ chọn sao cho cùng đường kính trục (chiều dài có thể khác).
Vì vậy, tiếp theo đây chúng ta sẽ tập trung tính toán cho trục X, trục chịu tải lớn.
2. Tính toán tải trọng lớn nhất theo trục
Khi sử dụng vít me, ta cần phải tính toán đến tải trọng tác dụng theo phương của trục. Nằm giữa ren của trục vít và ren của đai ốc là các viên bi, có thể chuyển động tuần hoàn “vô hạn” bên trong đai ốc, vậy nên lực cản ma sát phải nhỏ và nếu tác dụng tải trọng quá mức có thể làm cho các viên bi bị vỡ hoặc bật ra ngoài. Nếu điều này xảy ra, máy móc sẽ bị ngừng hoạt động, việc sửa chữa sẽ kéo dài vài ngày hoặc có thể đến vài tháng, đối với các thiết bị sản xuất thì năng suất sẽ bị giảm đáng kể. Vì vậy, hãy chắc chắn rằng việc tính toán cẩn thận để ngăn chặn trường hợp như vậy xảy ra.
Như trong bài trước đã đề cập, tải trọng tác dụng lên trục X được trình bày trong bảng dưới đây.
No. | Tên bộ phận | Khối lượng (kg) | Số lượng | Tổng khối lượng (kg) |
1 | Mô tơ trục Y (200W) | 0.8 | 1 | 0.8 |
2 | Thanh dẫn hướng (L=580) | 0.9 | 2 | 1.7 |
3 | Bệ trục Y (A5052) | 2.5 | 1 | 2.5 |
4 | Khối điều chỉnh chiều cao thanh dẫn hướng | 0.5 | 2 | 1.0 |
5 | Dầm trục Y | 2.1 | 1 | 2.1 |
6 | Tay gắp | 1.0 | 1 | 1.0 |
Tổng toàn bộ khối lượng (kg) | 9.1 |
Ở bài trước, sau khi thêm khối lượng các phần khác như đường ống khí, dây điện,… khối lượng tăng thêm 2kg, tổng khối lượng sẽ là 11.1kg. Trong bài này, ta cũng sẽ tính toán với cùng điều kiện như vậy.
Trường hợp chuyển động với tốc độ không đổi, sẽ không có lực tác dụng theo phương của trục (với công thức tính lực F=mα, trong đó gia tốc α=0).
Khi tăng hoặc giảm tốc độ thì sẽ phát sinh lực. Giả sử thời gian tăng giảm tốc là 0.2s ta có giá trị gia tốc là:
α=V/∆t=250/0.2=1250 (mm/s2)
Với khối lượng là 11.1kg thì tải trọng tác dụng theo phương trục là:
F=mα=11.1×1250/1000=13.875 (N)
Theo như catalog của hãng MISUMI về dòng vít me BSS, ta có 2 loại tải trọng định mức cơ bản là tải trọng động C và tải trọng tĩnh Co. Ở đây, ta chỉ xét tải trọng tĩnh Co.
Đối chiếu kết quả tính toán với bảng trên, ta lựa chọn được đường kính ngoài của trục vít là 15mm.
Vậy là ta đã chọn xong đường kính trục, bước ren, chiều dài hiệu dụng của trục vít me.
3. Định hình dạng hai đầu của trục vít me
Tùy vào phương pháp cố định mà hình dạng hai đầu của trục vít me là khác nhau, tuy nhiên hình dạng phổ biến nhất vẫn là kiểu “đầu cố định – gối đỡ”
Cân nhắc tới sự dãn nở vì nhiệt của trục vít, chúng ta sẽ gắn động cơ phía đầu cố định, phía ngược lại dùng ổ bi để đỡ đầu còn lại của trục vít, gọi là gối đỡ. Cấu tạo của đầu – gối được cho ở các hình dưới đây.
- Cấu tạo khối cố định – gối đỡ:
Mặt cắt ở trạng thái lắp ghép:
Phía cố định của trục vít me thông qua ổ bi và ổ bi được cố định chắc chắn vào khối cố định. Ngược lại ở phía gối đỡ, Trục vít được gắn vào ổ bi và ổ bi chỉ được cố định bởi vòng chặn, ổ bi và khối gối đỡ chỉ cần đỡ trục theo hướng quay hướng tâm.
Tùy thuộc vào đường kính ngoài của trục vít, các kích thước đầu trục được khuyến nghị do từng nhà sản xuất công bố, vì vậy tốt hơn hết nên tuân theo khi xem xét tải trọng thiết kế và thời gian giao hàng.
Xét tới việc nối trục vít me với trục động cơ (Phần lựa chọn động cơ sẽ được nói rõ ở bài sau), nếu trục vít me và trục động cơ không khác nhau nhiều thì việc nối trục trở nên đơn giản bằng một khớp nối trục. Nếu rơi vào trường hợp đặc biệt nào đó mà đường kính trục vít me và động cơ sai khác nhau quá nhiều thì chúng ta cần xem xét lại quá trình lựa chọn cả trục vít me lẫn động cơ.
- Tính toán tuổi thọ
Sau khi đã chọn được mã trục vít me, chúng ra sẽ đi tính toán tuổi thọ.
Mã trục vít me: BSS1505-900
Công thức tính tuổi thọ:
Trong đó:
Lh: Tuổi thọ tính theo giờ (h)
C: Tải trọng động định mức (N) (tham khảo catalog)
Pm: Tải trọng trung bình hướng trục (N)
fw: Hệ số vận hành.
Vận hành trong điều kiện không có rung chấn, va chạm fw=1.0～1.2
Vận hành trong điều kiện bình thường fw=1.2～1.5
Vận hành trong điều kiện có rung chấn, va chạm fw=1.5～2.0
Nm: Vận tốc quay trung bình (rpm)
- Nói chung, tuổi thọ tiêu chuẩn được cho như sau:
Máy móc gia công: 20000h Máy điều khiển - tự động: 15000h
Máy công nghiệp: 10000h Thiết bị đo: 15000h
Ngược lại, lúc thiết kế nếu cho trước được tuổi thọ, ta có thể tính được tải động định mức C của vít me:
Nm: vận tốc quay trung bình = 3000rpm (Thực tế vì có thời gian dừng nên giá trị vận tốc này có thể nhỏ hơn một ít, tuy nhiên lúc tính toán ta lấy vận tốc lớn nhất)
C: tải trọng động định mức = 6900N (BSS15-5)
Pm: Tải trọng trung bình hướng trục
Công thức tính tải trọng hướng trục: - Lúc vận tốc không đổi: tải trọng hướng trục Pb=μWg - Lúc tăng tốc: tải trọng hướng trục Pa= Wα＋μWg - Lúc giảm tốc: tải trọng hướng trục Pc= Wα-μWg ＊ Nếu trục được lắp đặt theo phương thẳng đứng thì thành phần μ=0 μ： hệ số ma sát dẫn hướng (đối với thanh dẫn hướng là 0.02) W: Trọng lượng di chuyển N g: Gia tốc trọng trường 9.8m/s2 α：Gia tốc |
Với việc sử dụng thanh dẫn hướng μ=0.02≈0 nên ta bỏ qua đại lượng μWg. Do đó, lúc gia tốc tải trọng sẽ được tính Pm= Wα＝11.1×1.25＝13.875 (N)
fw: Hệ số vận hành. Do lúc vận hành không có rung chấn và vận hành trong điều kiện bình thường, mặt khác để hệ thống tránh được hỏng hóc trong điều kiện vận hành ngoài dự tính, ta chọn fw cao nhất trong phạm vi đã định: fw=1.5
Thay vào công thức ta tính được tuổi thọ của trục vít me:
Nếu không có điều kiện gì khắt khe, nhìn chung tuổi thọ của trục vít me có thể kéo dài hơn. Nếu có nhiều kinh nghiệm trong việc thiết kế thì chỉ cần xem qua điều kiện vận hành cũng có thể phán đoán được “cái này thì OK”, “cái này thì không được”…Vì vậy việc tính toán có thể được bỏ qua để tiết kiệm thời gian và công sức.
Như vậy ở bài viết này chúng ta đã tính toán và lựa chọn xong phần trục vít me. Tuy phần này phải tính toán và cân nhắc nhiều yếu tố, nhưng nếu không suy tính đến những tính toán cần thiết thì thiết bị sẽ không đảm bảo được tính năng như thiết kế. Nói cách khác, nếu không lựa chọn được trục vít me thích hợp thì sẽ không thiết kế được thiết bị tốt.
Trên thực tế việc lựa chọn vít me bây giờ đã dễ dàng hơn khi các bạn có thể sử dụng các phần mền lựa chọn được tích hợp sẵn trên website của nhà sản xuất. Và không chỉ có Misumi có rất nhiều nhà sản xuất khác cũng chế tạo và bán thương mại có thể kể đến như THK, IGUS, NSK... Nhưng tất nhiên nếu có thời gian bạn hãy thử tính toán vít me một lần theo các bước ở trên, việc đó có thể mang lại cho bạn rất nhiều kinh nghiệm quý giá phục vụ cho công việc sau này.
Ở bài viết tiếp theo, chúng tôi sẽ đề cập đến nguồn phát động lực cho hệ thống là mô tơ. Các bạn hãy cùng chờ đón nhé.
Làm Thế Nào Để Tăng Tốc Độ Chuyển Động Lên 2 Lần Trong Thiết Bị Vận Chuyển Sử Dụng Vít Me?
- 2022-02-27
- THIẾT KẾ- CHẾ TẠO MÁY
XTMechanical Blog xin chào các bạn. Thông qua 7 bài viết trước, chúng tôi đã gửi tới các bạn phương pháp thiết kế cơ cấu gắp và thả vật P&P sử dụng vít me. Bắt đầu từ bài viết này, chúng tôi sẽ hướng dẫn các bạn cách sử dụng thiết bị khi gặp các bài toán thực tế trong các tình huống cụ thể, “Với trường hợp này, thì làm thế nào?”. Hôm nay, chúng ta sẽ xem xét tình huống “Trong thiết bị vận chuyển có dùng vít me, làm thế nào để tăng tốc độ chuyển động lên 2 lần”.
Thực tế khi thiết kế sẽ thường gặp những yêu cầu về việc thay đổi tốc độ để phù hợp kế hoạch sản xuất hoặc khi cần cải tiến thiết bị, vì vậy chúng ta cũng cần phải tính toán thiết kế cho những trường hợp như vậy. Cùng nhìn vào hình 1 dưới đây là thiết bị vận chuyển mà ta đã thiết kế từ đầu tới giờ.
Hình 1. Thiết bị vận chuyển với truyền động vít me (cơ cấu P&P)
Muốn tăng tốc độ chuyển động của trục X cách đơn giản và thông thường nhất là thay đổi tốc độ cài đặt của động cơ bằng phần mềm. Tuy nhiên như yêu cầu ở tiêu đề, tăng lên 2 lần là một bài toán khó giải quyết được nếu như phần cứng không đáp ứng được và trong trường hợp này ta cần phải cải tiến hoặc thay đổi chúng. Và đương nhiên, khi thay đổi phần cứng thì chi phí sẽ phát sinh cao hơn và có thể nảy sinh thêm một số vấn đề liên quan đến độ chính xác của hệ thống. Trên tinh thần giới thiệu với bạn đọc một cách nhìn nhận và những tính toán cơ bản liên quan đến vít me, bài viết này sẽ đề cập đến những thay đổi liên quan đến phần cứng là vít me.
Trước hết, chúng ta hãy cùng nhìn lại các thông số kĩ thuật thiết bị được yêu cầu.
Bảng 1. Thông số cơ bản của thiết bị
Tên gọi thiết bị | Cơ cấu gắp và thả vật P&P | |
Đối tượng vận chuyển | Vật | Kích thước Φ63.5×Φ19.05×t1.0 Khối lượng W=0.008kg |
Tốc độ vận chuyển | Cả 2 trục X,Y | 250mm/s |
Quãng đường chuyển động | Trục X | 680mm |
Trục Y | 210mm | |
Trục Z | 20mm | |
Độ chính xác vị trí | Cả 2 trục X,Y | ±0.05mm/500mm |
- Khối lượng tải (khối lượng vận chuyển): 11.1kg
- Vít me (mã sản phẩm BSS1505-900, nhà sản xuất Misumi):
Đường kính trục vít 15mm, chiều dài 900mm, bước ren 5mm
- Khớp nối trục (mã sản phẩm CPDW32-10-11, nhà sản xuất Misumi):
Mô men xoắn cho phép = 2.5 Nm, tốc độ quay cực đại = 19000 rpm
Mô men quán tính = 0.096×10-4 kgm2
- Động cơ servo AC (Công suất 200W, tốc độ quay 3000min-1):
Mô men xoắn định mức = 0.637 Nm, mô men xoắn cực đại = 2.23 Nm
Mô men quán tính động cơ = 0.259×10-4 kgm2
Tỉ số men quán tính cho phép ≤ 15 lần (so với giá trị trên)
Mục lục
1. Phương pháp thay đổi tốc độ chuyển động
2. Tính toán mô men xoắn tải
3. Tính toán mô men xoắn tăng tốc
4. Lựa chọn động cơ
5. Tổng kết
Và sau đây chúng ta sẽ đi vào từng phần chi tiết.
1．Phương pháp thay đổi tốc độ chuyển động
Để thay đổi tốc độ trong thiết bị sử dụng vít me, phương pháp cơ bản là tăng bước ren của vít me. Nhờ đó, lượng chuyển động trên mỗi vòng quay của động cơ cũng sẽ nhiều lên và có thể làm tăng tốc độ chuyển động lên.
Ngoài ra, còn một phương pháp khác là tăng tốc độ quay của động cơ. Tuy nhiên, vì hiện tại động cơ vận hành với tốc độ quay nhỏ hơn tốc độ định mức, nên phương pháp này yêu cầu tốc độ sau khi thay đổi không lớn hơn tốc độ định mức. Ta sẽ xem thử phương pháp này dưới đây.
Đầu tiên, ta sẽ tính toán tốc độ hiện tại qua tốc độ quay động cơ và bước ren của trục vít. Vì trong thiết bị không sử dụng bộ giảm tốc nên tốc độ vận chuyển có thể được tính theo công thức sau:
Do đó:
Ta sẽ tính được tốc độ vận chuyển hiện tại là 250mm/s
Như vậy, máy vận hành với tốc độ quay động cơ định mức thì sẽ cho ra tốc độ vận chuyển yêu cầu, vì vậy để tăng tốc độ vận chuyển ta cần phải chọn phương pháp tăng bước ren của trục vít me. Với cùng đường kính trục, nhà sản xuất thường đưa ra các dòng sản phẩm trục vít với bước ren như là "bước ren tiêu chuẩn" và "bước ren lớn". Như trong catalog, loại trục vít ta chọn có các bước ren là 5mm và 10mm. Hiện tại ta đang dùng loại 5mm, nên ta sẽ thay đổi sang loại 10mm.
Hình 2. Bản vẽ kích thước trục vít
Do đó, ta sẽ có tốc độ vận chuyển tăng lên 2 lần sau khi thay đổi.
Tuy nhiên, đến đây chưa phải là ta đã thiết kế xong, mà tiếp theo còn phải tính tới nhiều yếu tố khác.
2. Tính toán mô men xoắn tải
Với việc thay đổi bước ren của vít me, mô men xoắn tải và mô men xoắn tăng tốc sẽ thay đổi theo. Ta sẽ hình dung sự thay đổi bước ren như hình dưới đây.
Hình 3. Hình ảnh minh họa về sự thay đổi bước ren
Độ dài trục ngang (chiều dài vòng ngoài của vít) là không thay đổi, còn độ dài trục đứng (bước ren) đã tăng lên 2 lần. Chỉ mới như vậy, đoạn dốc đã thay đổi một cách đáng kể, làm cho phải “mất nhiều sức” (mô men xoắn) hơn.
Mô men xoắn tải được tính theo công thức dưới đây:
Mô men ngoại lực có thể là mô men do trọng lực tác dụng lên trục nâng hoặc lực cản cắt của máy gia công. Mô men tải ma sát có thể là mô men gây ra bởi ma sát của thanh dẫn, vít me, phớt…
Trước hết, với mô men ngoại lực, vì thiết bị vận chuyển theo phương ngang nên không chịu tác dụng của trọng lực. Ngoài ra, vì không có các lực cản cắt, nên không cần tính đến.
Trong trường hợp tính đến mômen ngoại lực, công thức của nó như sau:
Tiếp theo, chúng ta sẽ tính mô men tải ma sát. Những bộ phận có thể là tải ma sát, đó là các thanh dẫn hướng và trục vít me. Hệ số ma sát của thanh dẫn hướng là khoảng ±0.003 (có thể lớn hơn tùy thuộc vào điều kiện tải trọng đặt trước). Vì rất khó để tính toán cho vít me theo hệ số ma sát, nên ta sẽ tính toán theo hiệu suất cơ học. Hiệu suất của vít me là khoảng ±95% nhưng thường được tính là ±90% trong thiết kế thực tế. Ta sẽ có công thức tính mômen phụ tải ma sát như sau:
Thay số vào ta được:
Suy ra được mô men xoắn tải:
Như đã tính toán ở trên, trong trường hợp vận chuyển theo phương ngang, với tổ hợp thanh dẫn hướng và vít me thì mô men xoắn tải gần như bằng không, vậy nên nếu khối lượng phụ tải không lớn thì có thể bỏ qua mô men xoắn tải khi thiết kế.
3. Tính toán mô men xoắn tăng tốc
Với việc thay đổi bước ren lớn hơn của vít me, trong một vòng quay của trục vít thì lượng dịch chuyển của đai ốc sẽ được tăng lên đồng nghĩa với việc chúng ta cần tác dụng một mô men xoắn lớn hơn. Công thức tính mô men xoắn tăng tốc được tính như sau:
Mô men xoắn tăng tốc = Mô men xoắn gia tốc + Mô men xoắn tải (3.1)
Để tăng tốc, trước hết cần phải tác dụng thêm mômen xoắn gia tốc vào mô men xoắn tải đã tính được trước đó. Trong trường hợp vận chuyển ngang , mô men xoắn tải gần như bằng không như trong tính toán trên nên có thể được bỏ qua. Tuy nhiên, trong trường hợp vận chuyển theo phương thẳng đứng (bao gồm cả vận chuyển theo phương chéo) thì cần phải tính đến điều này. Trong trường hợp này là vận chuyển theo phương ngang, nên chúng ta sẽ chỉ tập trung vào mô men xoắn gia tốc.
Trông công thức xuất hiện đại lượng mô men quán tính. Chúng ta hãy cùng nhớ lại cách tính mô men quán tính của một số vật thể quen thuộc được cho bởi bảng dưới.
Bảng 2. Công thức tính mô men quán tính của một số vật thể
Trong cơ cấu gắp thả vật, mô men quán tính được liệt kê gồm những thành phần dưới đây:
① Mô men quán tính của bộ phận chuyển động
② Mô men quán tính của vít me
③ Mô men quán tính của khớp nối trục
④ Mô men quán tính của động cơ
Với ③ và ④ được cho trong catalog nên ta chỉ việc sử dụng chúng. Với ② mô men quán tính của vít me, chúng ta sẽ sử dụng kết quả đã tính ở bài viết “Lựa Chọn Động Cơ Servo Trong Thiết Kế Máy” do vít me có cùng đường kính trục. Như vậy ta chỉ cần tính toán mỗi ① Mô men quán tính của bộ phận chuyển động nữa là xong:
Tóm tắt lại ta được:
No. | Tên bộ phận | Mô men quán tính (×10-4 kg･m2) |
① | bộ phận chuyển động | 0.141 |
② | vít me | 0.348 |
③ | khớp nối trục | 0.096 |
④ | động cơ | 0.259 |
| Tổng | 0.844 |
Để tính mô men gia tốc ở công thức (3.2) ta sử dụng thêm các dự kiện:
- Tốc độ động cơ: 3000min-1
- Thời gian tăng tốc 0.2s (vẫn giữ nguyên như lúc chưa thay đổi vận tốc)
Ta có:
Thay vào công thức (3.1) ta được:
Trong mô men xoắn tăng tốc ta thấy mô men xoắn tải chỉ chiếm một thành phần rất nhỏ, điều này là do việc sử dụng thanh dẫn hướng.
4. Lựa chọn động cơ
Sau khi tính toán được mô men xoắn tăng tốc, chúng ta sẽ đi lựa chọn động cơ. Động cơ hiện tại có các thông số như sau:
- Công suất trục định mức = 200W, tốc độ định mức 3000min-1
- Mô men xoắn định mức = 0.637Nm
- Mô men xoắn cực đại = 2.23 Nm
- Mô men quán tính của động cơ = 0.259×10-4 kg･m2
- Tỉ số mô men quán tính cho phép của động cơ dưới 15 lần
Do mô men xoắn tăng tốc tính toán được bé hơn mô men xoắn định mức của động cơ nên ở đây chúng ta không cần lựa chọn động cơ mới (trong trường hợp mô men xoắn tăng tốc cao hơn mô men xoắn định mức của động cơ hiện tại, chúng ta sẽ đối chiếu với catalog để chọn động cơ mới). Trong thiết kế, việc lựa chọn động cơ thường tuân theo các điều kiện sau:
① Mô men xoắn định mức phải lớn hơn mô men xoắn tăng tốc
② Tỉ số mômen quán tính nhỏ hơn hoặc bằng tỉ số mômen quán tính cho phép của động cơ
Thông thường thì nếu điều kiện ① được thỏa mãn thì điều kiện ② cũng được thỏa mãn. Lần này, mô men xoắn tăng tốc chỉ bằng khoảng 1/3 mô men xoắn định mức nên chúng ta không tính toán điều kiện ②.
Trong trường hợp mô men xoắn tăng tốc xấp xỉ gần bằng hoặc vượt quá một chút so với mô men xoắn định mức thì điều kiện ② cần được tính toán và xác nhận lại. Lúc đó, mô men xoắn tải hiệu dụng cũng cần được tính toán và để xác nhận rằng mô men xoắn tải hiệu dụng nhỏ hơn hoặc bằng mô men xoắn định mức của động cơ. Trong một số trường hợp, có thể cần phải chọn điện trở tái sinh.
Trong trường hợp mô men xoắn tăng tốc vượt quá mô men xoắn định mức của động cơ rất nhiều thì cần phải tăng công suất động cơ. Tính toán lại mô men xoắn tăng tốc với động cơ mới và xem xét lại điều kiện ① và ②.
Trên thực tế, ở điều kiện ② khi tỉ lệ mô men quán tính bị vượt quá thì động cơ vẫn có thể quay. Tuy nhiên về mặt điều khiển động cơ thì lại gặp khó khăn. Nói cách khác, tỉ lệ mô men quán tính cho phép là phạm vi bắt buột để bộ Driver có thể điều khiển được động cơ chính xác.
5. Tổng kết
Thông qua nội dung bài viết, khi thay đổi tốc độ trong thiết bị vận chuyển dùng vít me thì chúng ta cần lưu ý những điểm sau:
- ① Chỉ xem xét tốc độ động cơ và bước ren vít me là chưa đủ
- ② Khi bước ren vít me thay đổi thì mô men quán tính của bộ phận chuyển động cũng thay đổi kéo theo mô men xoắn tăng tốc cũng thay đổi.
Điều này có nghĩa là ngay cả khi lựa chọn được vít me (bước ren) và động cơ (tốc độ quay) thỏa mãn tốc độ mục tiêu thì chúng ta cần phải xem xét thêm mô men quán tính, mô men tăng tốc.
Bài Toán Thay Đổi Tư Thế Vận Chuyển Trong Thiết Bị Vận Chuyển Sử Dụng Vít Me.
- 2022-03-27
- THIẾT KẾ- CHẾ TẠO MÁY
XTMechanical Blog xin chào các bạn. Hôm nay, chúng tôi sẽ tiếp tục giới thiệu tới các bạn cách sử dụng thiết bị sao cho phù hợp với từng tình huống cụ thể: “Với trường hợp này, thì làm thế nào?”. Ở bài viết trước, chúng tôi đã trình bày về bài toán: “Trong thiết bị vận chuyển có dùng vít me, làm thế nào để tăng tốc độ chuyển động lên 2 lần”. Còn trong bài viết này, chúng ta hãy cùng xem xét bài toán “Tư thế vận chuyển có sự thay đổi” với thiết bị vận chuyển sử dụng vít me.
[Hình 1] dưới đây mô tả một thiết bị vận chuyển sử dụng tay gắp kẹp cơ khí để gắp vật từ dưới sàn lên và cất giữ ở trên giá. Đây cũng là một thiết bị thực tế thường được sử dụng trong các nhà kho.
Hình 1. Cơ cấu gắp và thả vật có sự thay đổi về tư thế vận chuyển
Trong thiết bị này, tay gắp gồm có các chuyển động lên xuống, tiến và lùi. Tuy rằng có sự khác biệt khi có hoặc không có phụ tải khi gắp vật, thì tùy thuộc vào tư thế vận chuyển, phụ tải động cơ cũng sẽ thay đổi.
Vậy thì chúng ta sẽ đi vào bài toán “Nếu chọn động cơ theo tư thế ⑤ (Phương ngang), thì điều gì sẽ xảy ra ở tư thế ③ (Phương thẳng đứng)?” xem thế nào nhé.
Bảng 1. Thông số cơ bản của thiết bị
Tên gọi thiết bị | Cơ cấu gắp và thả vật P&P | |
Đối tượng vận chuyển | Vật | W=5kg |
Tốc độ vận chuyển | 500mm/s | |
Thời gian tăng/giảm tốc | 0.2s | |
Quãng đường chuyển động | 300mm | |
Thông số vít me | Đường kính 15mm, Bước ren 10mm, Chiều dài 900mm. | |
Thông số động cơ servo | Công suất | 50W |
Tốc độ quay định mức | 3000min-1 | |
Mô men xoắn định mức | 0.16N.m | |
Mô men xoắn cực đại | 0.56N.m | |
Mô men quán tính động cơ | 0.045×10-4 kg.m2 | |
Tỉ số mô men quán tính cho phép | ≤ 17 lần | |
Khớp nối trục | Mã sản phẩm | CPSW25-8-10 (Misumi) |
Mô men xoắn cho phép | 1.0N.m | |
Mô men quán tính | 0.027×10-4 kg.m2 | |
Độ chính xác vị trí | Cả 2 trục X,Y | ±0.05mm/500mm |
Mục lục
1. Kiểm tra mô men xoắn tải/ mô men xoắn tăng tốc trong chuyển động phương ngang
2. Kiểm tra mô men xoắn tải/ mô men xoắn tăng tốc trong chuyển động phương thẳng đứng
3. Lựa chọn động cơ
4. Tổng kết
1. Kiểm tra mô men xoắn tải/ mô men xoắn tăng tốc trong chuyển động phương ngang
Trước hết, từ tình huống "đã chọn động cơ trong điều kiện chuyển động theo phương ngang", chúng ta sẽ kiểm tra xem có vấn đề gì xảy ra với mô men xoắn tải và mô men xoắn tăng tốc ở trạng thái này hay không.
Giả sử như có trong tay tài liệu nghiên cứu thiết kế (sổ tính toán) thì chỉ cần tham khảo trong đó là xong, nhưng thực tế không phải lúc nào cũng vậy, thường không có tài liệu hoặc có thì cũng mất nhiều thời gian để đọc hiểu. Do đó, việc nắm rõ tình hình hiện tại là rất cần thiết, vậy nên chúng ta hãy cùng kiểm tra lại xem thế nào nhé.
Theo như tính toán ở bài viết trước, ta có công thức cho mô men xoắn tải như dưới đây. Vì trong bài toán không sử dụng bộ giảm tốc nên tỷ số giảm tốc sẽ cho bằng 1. Ngoài ra, vì thiết bị vận chuyển theo phương ngang nên không có mô men ngoại lực nào tác động lên bộ phận gắp.
Do đó, chỉ cần xét tới mô men tải ma sát. Ta có công thức tính mô men tải ma sát như sau:
Trong thiết bị có sử dụng thanh dẫn hướng, với hệ số ma sát là 0.003. Hiệu suất cơ là 90%. Thay số vào ta được:
Vậy mô men xoắn tải sẽ bằng:
Mô men xoắn tải (Phương ngang)=0.00026 (N.m)
Tiếp theo, chúng ta sẽ tính mô men xoắn tăng tốc.
Theo như tính toán ở bài viết trước, ta có công thức cho mô men xoắn tăng tốc như dưới đây. Vì mô men xoắn tải đã được tính ở trên, nên chúng ta chỉ cần tính toán mô men xoắn gia tốc (được tác dụng thêm để đáp ứng khi tăng tốc).
Trong đó,
Đại lượng mô men quán tính trong công thức trên sẽ được tính là tổng của mô men quán tính mỗi bộ phận. Các bạn vui lòng tham khảo bài viết lần trước để biết công thức tính. Dưới đây chúng tôi sẽ đưa ra kết quả tính toán cho mô men quán tính trong bài toán này.
Bảng 2. Mô men quán tính của các bộ phận
No. | Tên bộ phận | Mô men quán tính (×10-4 kg.m2) |
① | Bộ phận chuyển động | 0.064 |
② | Vít me | 0.348 |
③ | Khớp nối trục | 0.027 |
④ | Động cơ | 0.045 |
Tổng | 0.484 |
Bây giờ chúng ta đã có tất cả các giá trị cần thiết để tính toán, ta có mô men xoắn gia tốc như sau:
Suy ra mô men xoắn tăng tốc:
Vì tỷ lệ giữa mô men xoắn tải với mô men xoắn tăng tốc là rất nhỏ, nên ta có thể coi như mô men xoắn tải là bằng không. Với thiết bị vận chuyển theo phương ngang sử dụng thanh dẫn hướng và không có ảnh hưởng của ngoại lực, thì ta hoàn toàn có thể bỏ qua mô men xoắn tải.
2. Kiểm tra mô men xoắn tải/ mô men xoắn tăng tốc trong chuyển động phương thẳng đứng
Chúng ta cũng sẽ đi kiểm tra mô men xoắn tải và mô men xoắn tăng tốc khi chuyển động theo phương thẳng đứng.
Đầu tiên, chúng ta sẽ tính toán mô men xoắn tải. Khi chuyển động theo phương thẳng đứng, sẽ chịu tác dụng của trọng lực. Ngoài ra, vì tư thế của thanh dẫn hướng là theo phương thẳng đứng, phản lực pháp tuyến gây ra lực ma sát đối với thanh dẫn hướng là bằng không.
Hình 2. Sự khác nhau về lực tác dụng lên thanh dẫn khi có thay đổi tư thế
Do đó, mô men xoắn tải sẽ chỉ bao gồm mô men ngoại lực (ở đây là trọng lực)
Ta có công thức tính mô men ngoại lực như sau:
Thay số vào ta có:
Suy ra,
Tiếp theo, ta sẽ tính mô men xoắn tăng tốc.
Trong công thức tính mô men xoắn tăng tốc, thành phần "mô men xoắn gia tốc" không bao gồm các yếu tố liên quan đến trọng lực hoặc các ngoại lực khác. Do đó, ta sẽ có cùng một kết quả như trường hợp chuyển động theo phương ngang.
Suy ra mô men xoắn tăng tốc:
Với những kết quả trên, ta đã kiểm tra được mô men xoắn tải và mô men xoắn tăng tốc trong 2 trường hợp chuyển động theo phương ngang và phương thẳng đứng. Chúng ta sẽ tổng hợp lại kết quả trong bảng dưới đây.
Chúng ta có thể thấy rằng có sự khác biệt lớn về mô men xoắn tải giữa trường hợp tư thế nằm ngang và tư thế thẳng đứng.
Ở tư thế thẳng đứng, chỉ để treo tải (bộ phận gắp) bằng động cơ servo thì cũng cần mô men xoắn thực hiện công việc đó. Đây chính là yếu tố ảnh hưởng đến giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng. Chúng tôi cũng đã đề cập qua đến mô men xoắn tải hiệu dụng trong bài viết số 5.
Mô men xoắn tăng tốc cũng bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về mô men xoắn tải. Tuy nhiên, do mô men xoắn gia tốc lớn hơn mô men xoắn tải khá nhiều, nên sự chênh lệch tổng thể (tỉ lệ) là nhỏ.
3. Lựa chọn động cơ
Bảng 1 cho thấy các thông số của động cơ được chọn lần này, nhưng khi so sánh mô men tăng tốc ở tư thế thẳng đứng (bảng 3) và mô men định mức, thì mô men định mức của động cơ thấp hơn mô men tăng tốc.
Tuy mô men xoắn cực đại của động cơ lớn hơn mô men tăng tốc, nhưng trong lúc tính toán thiết kế, hãy đảm bảo rằng mô men tăng tốc không quá 80% mô men định mức của động cơ.
Khi thiết bị được lắp ráp, tính thêm khối lượng dây điện, đường ống, van điện từ…nên khối lượng tải có thể lớn hơn dự kiến tại thời điểm thiết kế. Điều này có thể dẫn tới thiết bị không thể dừng lại chính xác ngay cả khi tải trọng ma sát tăng lên một chút do điều kiện sử dụng thay đổi.
Vì tính toán cần thiết cho việc lựa chọn động cơ đã được hoàn thành, chúng ta chỉ cần xem xét so sánh các thông số kỹ thuật của động cơ. Chúng ta biết rằng động cơ 50W hiện tại là không đủ mô men xoắn, vì vậy chúng ta sẽ so sánh nó với động cơ 100W.
Bảng 4 So sánh thông số động cơ
Công suất （W） | 50 | 100 |
Tốc độ quay định mức （min-1） | 3000 | |
Mô men xoắn định mức （N･m） | 0.16 | 0.32 |
Mô men xoắn cực đại （N･m） | 0.56 | 1.1 |
Mô men quán tính động cơ （×10-4 kg･m2） | 0.045 | 0.0777 |
Tỉ lệ mô men quán tính cho phép | Dưới 17 lần | |
Trong bảng 3 đã chỉ ra rằng mômen tăng tốc ở tư thế thẳng đứng là 0.226 Nm. Lúc đó mô men xoắn định mức của động cơ:
Động cơ 100W có mô men xoắn định mức là 0.32 Nm nên thỏa mãn yêu cầu bài toán.
Tiếp theo chúng ta sẽ cùng xem xét tới tỉ lệ mô men quán tính.
Ở bảng 2, tổng mô men quán tính trong trường hợp sử dụng động cơ 50W đã được tính. Từ bây giờ sẽ thay đổi sang động cơ 100W và chúng ta sẽ chỉ cần tính toán lại phần thay đổi đó (tức mục ④)
Lúc đó tỉ lệ mô men quán tính:
Đối chiếu với bảng 4, Tỉ lệ mô men quán tính lần này thỏa mãn bé hơn tỉ lệ mô men quán tính tối đa cho phép là 17.
4. Tổng kết
Qua các phần ở trên, nếu tư thế vận chuyển của thiết bị thay đổi trong quá trình hoạt động hoặc thay đổi tư thế vận chuyển do cải tiến… thì phải lưu ý những điểm sau.
1. Kiểm tra trạng thái nơi mà động cơ chịu tải cao nhất.
2. Xem xét công suất động cơ khi tải cao dần.
3. Kiểm tra và xem xét những thay đổi về sức bền và độ cứng do thay đổi tư thế.
Có thể nói, việc thay đổi tư thế của một thiết bị cũng “giống như chế tạo một thiết bị khác”.
Ngoài ra, với thiết bị được minh họa trong ví dụ này, tải trọng trên trục xoay khi thay đổi tư thế của nó từ ngang sang dọc cũng lớn lên đáng kể. Và khi thiết kế, điều quan trọng là phải hình dung các động tác của thiết bị.
Ở bài tiếp theo, chúng ta sẽ xem xét trường hợp thay đổi tốc độ quay của vít me trong thiết bị vận chuyển sử dụng vít me. Điều tối quan trọng luôn phải được kiểm tra khi sử dụng vít me. Các bạn hãy cùng chờ đón nhé.
Xem Xét Tính Nguy Hiểm Khi Muốn Tăng Tốc Độ Ngay Trong Thiết Bị
- 2022-04-18
- THIẾT KẾ- CHẾ TẠO MÁY
Ở bài viết trước, chúng ta đã xem xét bài toán “tư thế vận chuyển có sự thay đổi” với thiết bị vận chuyển sử dụng vít me. Trong bài viết hôm nay, chúng tôi sẽ cùng các bạn tìm hiểu các điều cần lưu ý trong tình huống “muốn tăng tốc độ vận chuyển ngay lập tức” với thiết bị vận chuyển sử dụng vít me. Đặc biệt, chúng tôi sẽ tập trung trình bày nội dung liên quan đến tốc độ tới hạn, tốc độ được coi là nguy hiểm đối với trục vít me.
Trong bài viết Làm Thế Nào Để Tăng Tốc Độ Chuyển Động Lên 2 Lần Trong Thiết Bị Vận Chuyển Sử Dụng Vít Me?(https://xtmechanicalblog.com/post/40/lam-the-nao-de-tang-toc-do-chuyen-dong-len-2-lan-trong-thiet-bi-van-chuyen-su-dung-vit-me.html), chúng tôi đã có đề cập đến phương pháp “tăng bước ren của vít me”. Và trong bài viết lần này, chúng tôi sẽ giới thiệu tới các bạn cách trả lời khi gặp phải tình huống mà khách hàng yêu cầu “muốn tăng tốc độ vận chuyển ngay lập tức để đáp yêu cầu tăng sản lượng sản xuất”. Hãy cùng nhìn lại hình 1 dưới đây mô tả thiết bị vận chuyển mà chúng ta đã thiết kế từ trước đến nay.
Hình 1. Cơ cấu gắp thả vật truyền động bằng vít me
Giống với bài viết mà chúng tôi đã nói ở trên, chúng tôi sẽ sử dụng tình huống cụ thể là “tăng tốc độ chuyển động của trục X lên 2 lần”. Tiếp theo đây, chúng ta cùng nhìn lại các thông số kĩ thuật thiết bị được yêu cầu.
Bảng 1. Thông số cơ bản của thiết bị
Tên gọi thiết bị | Cơ cấu gắp và thả vật P&P | |
Đối tượng vận chuyển | Vật | Kích thước Φ63.5×Φ19.05×t1.0 Khối lượng W=0.008kg |
Tốc độ vận chuyển | Cả 2 trục X,Y | 250mm/s |
Quãng đường chuyển động | Trục X | 680mm |
Trục Y | 210mm | |
Trục Z | 20mm | |
Độ chính xác vị trí | Cả 2 trục X,Y | ±0.05mm/500mm |
① Khối lượng phụ tải (Khối lượng vận chuyển): 11.1kg
② Vít me (Mã sản phẩm BSS1505-900, nhà sản xuất Misumi):
Đường kính 15mm, Chiều dài 900mm, Bước ren 5mm
③ Khớp nối trục (Mã sản phẩm CPDW32-10-11, nhà sản xuất Misumi):
Mô men xoắn cho phép = 2.5 N.m
Tốc độ quay tối đa = 19000 rpm
Mô men quán tính = 0.096×10-4 kg.m2
④ Động cơ servo AC (200W, Tốc độ quay định mức 3000 min-1):
Mô men xoắn định mức = 0.637 N.m
Mô men xoắn cực đại = 2.23 N.m
Mô men quán tính động cơ = 0.259×10-4 kg.m2
Tỉ số mô men quán tính cho phép ≤
15 lần giá trị trên.
| Mục lục |
| 1．Lý do cần phải tính toán tốc độ tới hạn 2．Kiểm tra cách thức đỡ trục của vít me trước khi tính toán tốc độ tới hạn 3．Tính toán tốc độ nguy hiểm của vít me 4．Tổng kết |
1. Lý do cần phải tính toán tốc độ tới hạn
Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn quay một trục dài?
Có thể bạn sẽ nghĩ, "Đó là một trục thẳng, vì vậy nó sẽ quay êm bình thường thôi!". Tuy nhiên, ngay từ đầu đã không có cái trục nào là thẳng tuyệt đối cả.
Khi quay ở tốc độ thấp, trục sẽ quay êm bình thường, nhưng khi tăng dần tốc độ lên thì sẽ phát sinh ra tiếng ồn lúc trục quay, và cho đến một tốc độ nào đó, nếu cứ giữ nguyên tiếp tục chuyển động như vậy thì không những trục sẽ bị hỏng mà còn gây nguy hại đến các thiết bị và chi tiết khác.
Tốc độ quay này được gọi là tần số “dao động” riêng (tần số cộng hưởng, điểm cộng hưởng) hoặc còn được gọi là tốc độ tới hạn (tốc độ quay cộng hưởng).
Một ví dụ về trường hợp này là hình ảnh về chiếc xích đu. Hẳn nhiều người đều đã từng chơi xích đu hồi còn nhỏ. Hãy thử nhớ lại cách các bạn đã làm để làm cho xích đu đung đưa được mạnh hơn.
Để làm cho xích đu đung đưa mạnh hơn, biên độ đung đưa lớn hơn, thì cần phải đẩy phối hợp theo nhịp chuyển động đung đưa của xích đu (cộng hưởng). Nếu không phối hợp theo đúng nhịp đung đưa của xích đu, có đẩy mạnh mấy cũng không có tác dụng.
Ngoài ra, chu kỳ đung đưa trong trường hợp này sẽ không thay đổi nhiều dù cho biên độ đung đưa lớn hay là nhỏ. Đây là những đặc điểm của tần số dao động riêng.
Hình 2. Sự rung của trục (tốc độ nguy hiểm)
Tốc độ quay tới hạn này (tần số dao động riêng) tồn tại ở mọi vật thể quay và vật thể dao động (lò xo, con lắc, sóng).
Đối với các thiết bị phức tạp thì chúng ta không thể tính toán đơn thuần bằng tay được, tuy nhiên với trục quay ta có thể tính toán bằng tay, vì vậy hãy nhớ tính toán kiểm tra trong khi thiết kế.
2. Kiểm tra cách thức đỡ trục của trục vít me trước khi tính toán tốc độ tới hạn.
Ngay cả khi chiều dài của trục là như nhau, giá trị của tốc độ tới hạn và độ cứng uốn của trục khi quay sẽ thay đổi tùy thuộc vào cách thức đỡ trục. Chúng tôi sẽ liệt kê 3 cách thức đỡ trục hay được sử dụng trong bảng 2 dưới đây. Trong số đó, phương pháp thường được sử dụng nhiều nhất là cách thức “cố định – đỡ trục”. Cố định một đầu bên phía động cơ và đỡ đầu bên kia trục (ví dụ đỡ bằng ổ đỡ trục). Nhờ đó, ngay cả khi trục vít me giãn nở do nhiệt ma sát chuyển động, độ giãn của trục vít me có thể được hấp thụ nhờ sự dịch chuyển của ổ đỡ trục phía đỡ.
Bảng 2. Các cách thức đỡ trục của vít me.
Cách thức đỡ trục | Cách lắp đặt | Trường hợp áp dụng |
Đầu cố định – Gối đỡ |
| Cách lắp đặt phổ thông. Quay tốc độ trung bình～cao Độ chính xác trung bình～cao |
Đầu cố định – Cố định |
| Quay tốc độ trung bình |
Đầu cố định – Tự do |
| Quay tốc độ thấp |
※Tham khảo từ tài liệu kĩ thuật cách lắp đặt trục vít me của Misumi VONA.
Với cách thức đỡ trục “cố định – cố định”, là cách thức cố định hai đầu của trục vít me bằng bộ đỡ hỗ trợ cố định, phương pháp này giúp dễ cho ra được độ chính xác vị trí cao. Khi sử dụng cách thức này, ta chú trọng đến độ chính xác vị trí, do đó khi đặt hàng vít me chúng ta cũng nên đưa thêm những yêu cầu về độ chính xác vị trí trong đơn hàng. Còn cách thức đỡ trục “cố định – tự do”, một đầu trục thì cố định còn một đầu để tự do, cách thức này có thể dùng cho các trường hợp như "chiều dài trục ngắn", "tốc độ quay chậm", hay "trục được bố trí theo phương thẳng đứng". Tuy nhiên, phương pháp này cũng không hay được sử dụng. Ngoài ba cách thức đỡ trục ở trên, còn có một phương pháp khác là “đỡ trục – đỡ trục” (ví dụ cả 2 đầu trục được đỡ bằng ổ đỡ trục). Cách thức này tuy rằng cũng ít được sử dụng, nhưng có thể áp dụng cho môi trường có sự thay đổi nhiệt độ lớn.
3. Tính toán tốc độ tới hạn của vít me
Tùy thuộc vào nhà sản xuất, công thức tính tốc độ tới hạn có thể khác nhau về mặt hình thức, nhưng nội dung thì giống nhau:
Trong đó:
Ngoài ra, g và λ là các hệ số được xác định tùy vào cách thức đỡ trục của vít me, được cho bởi bảng dưới:
Cách thức đỡ trục | g | λ |
Gối đỡ - gối đỡ | 9.7 | π |
Đầu cố định – Gối đỡ | 15.1 | 3.927 |
Đầu cố định – Cố định | 21.9 | 4.73 |
Đầu cố định – Tự do | 3.4 | 1.875 |
Tốc độ tới hạn lí thuyết bằng giá trị tính toán lí thuyết nhân với hệ số an toàn (xét thêm hệ số an toàn để phòng khi có lỗi lắp ráp). Và lúc vận hành chúng ta phải tránh vượt quá tốc độ tới hạn được tính ở đây. Trong tính toán thực tế, để đơn giản ta có thể sử dụng công thức phía bên phải vì chỉ cần phải tra hệ số g.
Quay trở lại với bài toán ban đầu, Vít me được sử dụng là kiểu đầu cố định – gối đỡ. Trong bảng 2, khoảng cách đỡ l là khoảng cách từ đai ốc (khi dịch chuyển) đến bộ phận gối đỡ, nhưng khoảng cách này là một kích thước không thể xác định trừ khi lúc thiết kế đã xem xét và tiến triển đáng kể.
Nếu khoảng cách đỡ không thể được xác định chính xác ở giai đoạn đầu lúc xem xét thiết kế, chúng ta có thể sử dụng khoảng cách giữa đầu cố định – gối đỡ vào tính toán ở hình 3. Lưu ý rằng ở công thức tính, khoảng cách đỡ càng lớn thì tốc độ tới hạn càng nhỏ nên khi ta lấy khoảng cách đầu cố định – gối đỡ (khoảng cách đỡ lớn nhất có thể) tính toán thì không sợ gặp vấn đề gì cả.
Hình 3. Cách xác định sơ bộ khoảng cách đỡ l
Từ dữ kiện bài toán, quãng đường chuyển động của Vít me trục X là 680mm, đối chiếu với các kích thước của phía gối đỡ (hình 4) ta tính được khoảng cách đỡ là 744mm.
Hình 4. Kích thước Vít me BSS1505-900
Như vậy tốc độ tới hạn sẽ được tính:
Do đó không thể tăng gấp đôi tốc độ trong điều kiện hoạt động hiện tại.
Vì hiệu suất của động cơ servo đang được cải thiện từng ngày, có thể được sử dụng trong thời gian ngắn ngay cả khi chạy quá tốc độ quay định mức. Tuy nhiên với vít me, nếu không được thay đổi vật liệu thì không thể dễ dàng thay đổi điều kiện sử dụng tốc độ tới hạn được.
Khi lập kế hoạch cho một thiết bị sử dụng vít me, việc cân nhắc xem có thay đổi thông số kỹ thuật (thay đổi tốc độ) trong tương lai gần hay không sẽ giúp bạn linh hoạt trước những thay đổi trong kế hoạch sản xuất. Chi phí lắp đặt thiết bị ban đầu có thể tăng lên một chút, nhưng sẽ ít tốn kém hơn so với việc tu sửa lớn sau này.
4. Tổng kết
Thông qua bài viết, khi tăng tốc độ vận chuyển bằng thiết bị truyền động vít me hoặc thiết kế thiết bị truyền động vít me cần phải lưu ý những điểm sau:
- Khi quay một trục dài như vít me, hãy kiểm tra tốc độ tới hạn.
- Ở giai đoạn chưa hoàn thành thiết kế chi tiết, tốc độ tới hạn có thể được tính toán bằng cách sử dụng khoảng cách giữa đầu cố định – gối đỡ
Ngay cả khi chiều dài của trục là như nhau, giá trị của tốc độ tới hạn có thể thay đổi tùy thuộc vào cách thức đỡ trục vít me. Trong thiết kế cơ khí, vấn đề rung động (cộng hưởng, tốc độ quay tới hạn) là một vấn đề khó trong đó các yếu tố khác nhau đan xen. Tuy nhiên, tốc độ tới hạn và tần số riêng (lò xo, con lắc…) có thể được tính toán. Tuy làm như vậy có thể tốn thêm một chút thời gian lúc ban đầu, nhưng nếu tính toán cẩn thận nó, bạn có thể tiến hành thiết kế một cách tự tin và tránh được những tình huống gây nguy hiểm cho hệ thống máy.
Mô Men Xoắn Tải Hiệu Dụng – Những Điểm Cần Lưu Ý Khi Thay Đổi Cách Thức Vận Hành Của Thiết Bị Có Sử Dụng Trục Vít Me
- 2022-05-15
- THIẾT KẾ- CHẾ TẠO MÁY
Ở Một bài viết trước, chúng tôi đã nói đến phương pháp “tăng tốc độ quay của trục vít” để đáp ứng bài toán “muốn tăng tốc độ vận chuyển ngay lập tức” với thiết bị vận chuyển sử dụng trục vít me. Trong đó, chúng tôi cũng đã đề cập đến việc phải tính toán “tốc độ nguy hiểm” (tốc độ quay tới hạn) của trục vít me.
XT Mechanical Blog xin chào các bạn.
Trong bài hôm nay, chúng ta sẽ tìm hiểu bài toán “muốn thay đổi cách thức vận hành của thiết bị” (với bộ truyền động là động cơ servo) cùng những điểm cần lưu ý, xem xét và tính toán. Để rút ngắn nhịp điệu sản xuất mà không cần cải tiến lại thiết bị, chúng ta sẽ cần xem xét việc thay đổi cách thức vận hành của thiết bị. Trong trường hợp này, phụ tải động cơ cũng sẽ thay đổi theo. Cụ thể ở đây chúng ta cần phải tính tới đại lượng mô men xoắn tải hiệu dụng của động cơ.
Hình 1. Thiết bị vận chuyển với truyền động trục vít me.
[Hình 1] trên đây là hình ảnh của thiết bị vận chuyển mà chúng ta đã thiết kế xuyên suốt các bài. Trước đó động cơ trên trục X được chọn là loại 200W, tuy nhiên công suất này là khá lớn với bài toán được yêu cầu lần này, nên chúng tôi xin đổi thành loại động cơ 50W. Các thông số kĩ thuật của động cơ được cho trong [Bảng 1] dưới đây.
Bảng 1. Thông số kĩ thuật động cơ servo trục X
Công suất định mức | 50 | W |
Tốc độ quay định mức | 3000 | min-1 |
Tốc độ quay cực đại | 6000 | min-1 |
Mô men xoắn định mức | 0.159 | N.m |
Mô men xoắn cực đại | 0.557 | N.m |
Mô men quán tính | 0.0395 | ×10-4 kg.m2 |
Lần này, ta có một số thay đổi so với thiết bị ở những bài toán đầu, các điều kiện về vận chuyển vật cũng đã được thay đổi. Ta sẽ sử dụng thêm một băng chuyền nữa giống với băng chuyền đang sử dụng, theo đó số lượng vật được vận chuyển trên đơn vị thời gian sẽ tăng lên. (Phần băng chuyền màu cam được mô tả trên hình 1). Và để đáp ứng với việc tăng số lượng vật được cung cấp, ta sẽ cần cài đặt thêm một thiết bị vận chuyển nữa, tuy nhiên hiện tại điều này là không thể do có sự hạn chế về không gian bố trí thiết bị. Ngoài ra, ta cũng sẽ tạm không xét tới các biện pháp lâu dài trong trường hợp này. Cách giải quyết trước mắt chúng tôi đưa ra đó là thay đổi thời gian tăng tốc trên trục X từ 0.2 giây xuống còn 0.1 giây. Bằng cách này, có thể làm giảm được nhịp điệu sản xuất, nếu nói xuống còn một nửa thì có lẽ hơi quá, nhưng giảm xuống còn khoảng 60% là hoàn toàn có thể. Số lượng công việc được xử lý mỗi giờ sẽ tăng lên đến khoảng 1.5 lần. Với cách thay đổi này, biểu đồ thời gian cũng sẽ thay đổi theo. Vì thế, ta cần lập lại biểu đồ thời gian và thực hiện tính toán kiểm tra giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng. Trong bài viết này, chúng tôi xin tạm bỏ qua chi tiết bước lập lại biểu đồ thời gian, mà đi thẳng vào trình bày việc tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng.
MỤC LỤC 1. Định nghĩa mô men xoắn tải hiệu dụng 2. Những trường hợp cần phải tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng 3. Tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng. Thay đổi thời gian tăng tốc thì sẽ như thế nào? 4. Cách đọc các giá trị mô men xoắn định mức và cực đại trong catalog động cơ 5. Tổng kết |
1. Định nghĩa mô men xoắn tải hiệu dụng
Với thiết bị máy tự động, thông thường cần thực hiện một chu kỳ vận hành xử lý cho mỗi sản phẩm. Thời gian vận hành cần thiết cho chu trình này được gọi là nhịp điệu sản xuất (Takt time). Trong chu kỳ vận hành, động cơ sẽ có lúc quay lúc dừng, hoặc là dù không quay nhưng vẫn sinh ra lực (mô men xoắn) để đỡ vật. Giá trị trung bình của các mô men xoắn mà động cơ tạo ra trong một chu kỳ vận hành được gọi là mô men xoắn tải hiệu dụng. Nếu giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng nhỏ hơn mô men xoắn định mức thì không có vấn đề gì, nhưng trong trường hợp ngược lại thì ta sẽ cần phải lựa chọn lại động cơ cho phù hợp. Ngoài ra, dù có ảnh hưởng từ độ chính xác tính toán, thì thông thường nếu mô men xoắn tải hiệu dụng vượt quá mô men xoắn định mức của động cơ, thì gần như chắc chắn sẽ có báo hiệu lỗi xảy ra và thiết bị sẽ bị dừng lại. Điều này sẽ gây ảnh hướng lớn đến kế hoạch sản xuất, vì vậy cần đặc biệt lưu ý khi tính toán thiết kế.
2. Những trường hợp cần tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng
Việc tính toán giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng mất khá nhiều thời gian nên chúng tôi sẽ không trình bày tất cả các bài toán, mà chỉ tập trung vào một số trường hợp cần lưu ý. Nếu sử dụng những động cơ có công suất lớn hơn hẳn thì đương nhiên không cần tính toán làm gì, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Do đó, với những trường hợp được liệt kê dưới đây, chúng tôi khuyên các bạn nhất định phải tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng.
① Mô men xoắn tải lớn hơn hoặc bằng 80% mô men xoắn định mức.
② Mô men xoắn tăng tốc lớn hơn hoặc bằng 100% mô men xoắn định mức.
③ Số lần tăng / giảm tốc nhiều.
Nếu gặp phải chỉ cần một trong 3 trường hợp trên thì hãy kiểm tra tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng. Còn nếu gặp tới 2 trong 3 trường hợp, thì khả năng cao là máy sẽ báo lỗi và dừng lại.
3. Tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng
Công thức tính mô men xoắn tải hiệu dụng được cho như sau:
Trong đó, τ – mô men xoắn (N.m), t – thời gian của mỗi giai đoạn (s).
Như vậy, ta có giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng là căn bậc hai của bình quân của bình phương các giá trị mô men xoắn theo từng giai đoạn vận hành của động cơ trong một nhịp điệu sản xuất.
Chúng ta cũng xem một ví dụ đơn giản sau đây.
Hình 2. Biểu đồ thời gian vận hành của động cơ.
[Hình 2] ở trên là biểu đồ thời gian vận hành của động cơ, với thời gian tăng / giảm tốc là 0.2 giây, tốc độ chuyển động 250 mm/s, quãng đường chuyển động 140 mm. Trong trường hợp chuyển động theo phương ngang, động cơ tạo ra mô men xoắn lớn khi tăng / giảm tốc độ. Còn trong khi chuyển động với tốc độ không đổi, gia tốc bằng 0, nên ma sát tác dụng lên thiết bị (có dùng thanh dẫn hướng) là nhỏ, vì thế mô men xoắn (mô men xoắn tải) hầu như không có. Ta sẽ thực hiện tính giá trị mô men xoắn tăng / giảm tốc trong hai giai đoạn tăng tốc và giảm tốc. Chúng ta áp dụng công thức đã được giới thiệu trong bài số 5 “lựa chọn động cơ servo trong thiết kế máy”. Ở bài số 5 dùng là động cơ 200W, tuy nhiên lần này ta dùng động cơ 50W nên chúng ta sẽ tính lại một lần nữa. Vì chỉ có động cơ là thay đổi nên những chỗ có sự thay đổi so với nội dung trong bài số 5 sẽ được chúng tôi bôi đỏ trong công thức dưới đây.
Ta có phần thay đổi chỉ có mô men quán tính của động cơ.
Vì mô men xoắn định mức của động cơ là 0.159 (N.m) nên kết quả thu được ở trên bằng khoảng 55% giá trị mô men xoắn định mức. Với kết quả này tuy rằng không cần thiết phải tính mô men xoắn tải hiệu dụng nhưng để kiểm nghiệm trình tự tính toán ta vẫn sẽ tiếp tục thực hiện tính.
Áp dụng vào công thức tính mô men xoắn tải hiệu dụng ở trên, ta có:
Bạn có thể thấy rằng kết quả trên khá nhỏ so với giá trị mô men xoắn định mức. Trên thực tế, chúng ta sẽ tính toán cho một chu kỳ vận hành, nên cần kiểm tra các giai đoạn chuyển động từ biểu đồ thời gian, và tính tổng cho các giá trị trên một chu kỳ.
Thay đổi thời gian tăng tốc thì sẽ như thế nào?
Bây giờ, chúng ta hãy xét trường hợp khi cho thời gian tăng tốc giảm xuống còn 0.1 giây.
Chúng ta sẽ xét bài toán thiết bị bị dừng lại hoặc thời gian chuyển động với tốc độ không đổi trong một chu kỳ bị rút ngắn trong cách thức vận hành mà có sự thay đổi lớn về mô men xoắn tải hiệu dụng. Khi đó, ta sẽ có điều kiện là quãng đường vận chuyển là ngắn nhất, tức là vật phải được đặt trên băng chuyền ở vị trí gần thiết bị nhất.
Ta sẽ đi tính mô men xoắn tải hiệu dụng lúc này.
Hình 3. Vận hành với quãng đường vận chuyển ngắn nhất.
Quãng đường vận chuyển trong trường hợp này là 400st. Các bạn vui lòng tham khảo bài viết số 7 “Phương pháp viết biểu đồ thời gian trong thiết kế máy” để biết quãng đường vận chuyển.
Xem xét toàn bộ thiết bị ta thấy, trước và sau khi vận chuyển còn bao gồm các thao tác gắp / thả vật. Quá trình gắp / thả vật là giống nhau, nên ta chỉ xét chu kỳ vận hành cần tính mô men xoắn tải hiệu dụng như sau:
Quá trình gắp (Hạ xuống – Gắp vật – Nâng lên) + Vận chuyển (trên trục X)
Ở bước này, hãy nhớ phải xem lại biểu đồ thời gian để xác định chu kỳ của động cơ (trục) cần xét.
Vì quá trình gắp không thay đổi, ta có thể thấy từ biểu đồ thời gian trong [Hình 4] dưới đây rằng quá trình gắp mất 2.5 giây. Vì thời gian tăng / giảm tốc có sự thay đổi nên hãy tính lại thời gian vận chuyển.
Hình 4. Xác định quá trình chuyển động trên biểu đồ thời gian.
*Biểu đồ thời gian trên được lấy từ bài viết số 7.
Biểu đồ thời gian chuyển động với thời gian tăng tốc, tốc độ chuyển động, quãng đường chuyển động được mô tả trong [Hình 5] dưới đây.
Hình 5. Biểu đồ thời gian chuyển động.
Từ đây, ta có thời gian một chu kỳ chuyển động trên trục X là:
Thời gian một chu kỳ = 1.7 + 2.5 = 4.2 (giây)
Mô men xoắn tăng tốc lớn gấp đôi so với khi thời gian tăng / giảm tốc còn là 0.2 giây, nên ta có:
Mô men xoắn tăng tốc (giảm tốc) = 0.087 × 2 = 0.174 (N.m)
Kết quả này vượt quá giá trị mô men xoắn định mức của động cơ (0.159 N.m), nên rơi vào trường hợp ② được nêu ra ở mục 2 phía trên.
Sau khi đã thu thập đủ dữ liệu tính toán, áp dụng vào công thức ở phần trên ta có giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng bằng:
Kết quả thu được là nhỏ so với giá trị mô men xoắn định mức nên trong trường hợp này không có vấn đề gì đáng lo ngại.
Như vậy, dù đây là trường hợp bắt buộc phải tính toán kiểm tra giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng, nhưng nếu xét tới cả các điều kiện khác, kết quả có được cũng có thể là chấp nhận được.
Ở bài toán vừa rồi, thời gian quá trình gắp là khá dài nên mô men tăng tốc sẽ lớn, nhưng thời gian nghỉ cũng dài, nên cho ra kết quả tốt. Nhưng cũng sẽ có những trường hợp cho ra kết quả xấu. Chẳng hạn như, nếu vận chuyển theo phương thẳng đứng với cùng các điều kiện như bài toán trên, thì thành phần thứ tư ở tử số trong công thức căn bậc hai sẽ không còn bằng 0 nữa, do đó giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng sẽ thay đổi khá nhiều.
Vì thế, với các trường hợp đã được chúng tôi lưu ý ở trên, các bạn nhớ nhất định phải tính toán kiểm tra lại giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng.
4. Cách đọc các giá trị mô men xoắn định mức và cực đại trong catalog động cơ
[Hình 6] cho thấy biểu đồ đặc tính mô men xoắn của động cơ servo.
Hình 6. Biểu đồ đặc tính mô-men xoắn của động cơ servo
Trong chế độ hoạt động bình thường, động cơ quay ở dải tốc độ không lớn hơn tốc độ định mức. Ở dải tốc độ này, mô men xoắn định mức và mô men xoắn cực đại là không đổi. Ở dải tốc độ vượt quá tốc độ định mức, Có thể vận hành đến tốc độ quay cực đại nhưng mô men xoắn sẽ giảm. Về cơ bản, giá trị mô men xoắn ở tốc độ quay cực đại không được nhà sản xuất tiết lộ. Nói cách khác: "Động cơ có thể quay trên tốc độ định mức, nhưng đừng vận hành ở chế độ này quá nhiều". Về nguyên tắc trong thiết kế, tốc độ quay phải nằm trong dải dưới tốc độ định mức. Tiếp theo ta xem xét tới đại lượng mô men xoắn. Đối với mô men xoắn, hãy nhìn vào trục tung, vùng giữa mô men xoắn định mức và mô men xoắn cực đại là "vùng hoạt động trong thời gian ngắn hạn". Nói một cách định tính thì ở vùng này động cơ quay trong thời gian ngắn thì được, nhưng không quay trong thời gian quá lâu. Ở bài toán hiện tại, mô men xoắn tăng tốc đã vượt quá mô men xoắn định mức. Trong trường hợp này, động cơ hoạt động trong vùng hoạt động ngắn hạn. Tuy nhiên, mô men xoắn tải hiệu dụng thấp hơn mô men xoắn định mức do động cơ có thời gian nghỉ dài (thời gian chờ kẹp). Về cơ bản, điều chúng ta mong muốn là mô men xoắn tăng tốc cũng thấp hơn mô men xoắn định mức. Tuy nhiên khi không còn cách nào khác mà mô men xoắn tăng tốc lớn hơn mô men xoắn định mức thì chỉ nên xem xét sử dụng động cơ ở vùng hoạt động ngắn hạn.
5. Tổng kết
Từ những mục đã đề cập ở trên, nếu tải của động cơ hoặc nhịp điệu sản xuất của thiết bị thay đổi do sự thay đổi trong nhu cầu sản xuất thì cần lưu ý những điểm sau:
- Tốc độ động cơ có ở dưới tốc độ định mức không? (Được xác định bằng các điều kiện cơ học chẳng hạn như bước ren của vít me)
- Mô men xoắn tải có nhỏ hơn 80% mô men xoắn định mức không?
- Mô men xoắn tăng tốc có nhỏ hơn 100% mô men xoắn định mức không?
- Xác nhận thời gian hoạt động trong một chu kì của động cơ thông qua biểu đồ thời gian?
- Nếu 2 và 3 không thỏa mãn, hoặc trường hợp có nhiều lần tăng / giảm tốc trong một chu kì, hãy tính mô men xoắn tải hiệu dụng và kiểm tra xem nó có nhỏ hơn mô men xoắn định mức hay không?
Trong thiết kế, có thể mất rất nhiều thời gian để tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng, đọc và tạo biểu đồ thời gian. Tuy nhiên chúng ta không thể tránh hoặc bỏ qua những khâu quan trọng như thế này nên hãy cố gắng hết sức mình. Ở bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ cùng xem xét đến thiết bị vận chuyển sử dụng dây đai răng và các vấn đề liên quan khi sử dụng nó, các bạn hãy cùng chờ đón nhé. Mọi phản hồi xin để lại ở phần bình luận bên dưới bài viết, xin hẹn gặp lại các bạn ở những bài viết tiếp theo.
