Tổng quan …
Tại sao hệ dẫn động sống trượt đệm khí hay được sử dụng trong các thiết bị đo lường?
Hệ dẫn động sống trượt đệm khí thường được sử dụng trong thiết bị đo lường bởi khi sử dụng sống trượt đệm khí sẽ có các ưu điểm:
• Hoạt động trơn và không gây ồn
• Chuyển động tốc độ cao
Các ưu điểm này giúp thiết bị đo nâng cao độ chính xác của phép đo
Ma sát là yếu tố quan trọng trong việc di chuyển chính xác Trong các đệm trượt và ổ lăn, hệ số ma sát tĩnh luôn cao hơn hệ số ma sát động, điều này yêu cầu một lực khởi động lớn hơn khi hệ thống bắt đầu chuyển động Khi mô tơ quay và truyền động, hệ thống dẫn trượt tích lũy năng lượng, dẫn đến sự giảm ma sát khi bắt đầu di chuyển, hiện tượng này được gọi là dính trượt Hiện nay, đối với các máy công cụ hạng nặng, hệ thống trượt đạt độ chính xác 0,001 mm có thể sử dụng ổ lăn, nhưng với độ dịch chuyển khoảng 0,00001 mm, việc sử dụng ổ lăn không còn phù hợp.
Trong đệm khí, ma sát tĩnh và ma sát động không có sự khác biệt, dẫn đến việc loại trừ dính trượt, và hệ số ma sát bằng 0 khi không có chuyển động Các máy móc hiện đại yêu cầu tốc độ nhanh và độ tin cậy cao, với nhiều máy chạy hàng tỷ vòng mỗi năm Kỹ sư cần tính toán tốc độ, gia tốc và tải trọng để ước tính tuổi thọ của ổ, nhưng điều này có thể được tránh bằng cách sử dụng đệm khí, nơi không có tiếp xúc cơ khí và không có hệ số mài mòn ảnh hưởng đến tuổi thọ Mòn trong đệm khí chủ yếu là sự ăn mòn, do đó độ sạch của khí có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của đệm khí, là yếu tố quan trọng cho độ tin cậy của máy.
1.1.3 Độ c ứ ng: Được tính bằng tỷ lệ giữa sự biến thiên tải trọng và sự biến thiên khe hở Độ cứng = P
Độ cứng là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống dịch chuyển chính xác, với độ cứng cao giúp giảm độ lún Khi đặt tải trong đệm khí, khe hở sẽ giảm và áp suất trong màng khí tăng lên, tuân theo quy luật thủy động lực học Khí được xem như một lò xo có độ cứng do tính nén của nó Các yếu tố quyết định độ cứng của đệm khí bao gồm áp suất trong khe hở, chiều dày khe hở và diện tích bề mặt đệm.
Trong ổ lăn, ứng suất cục bộ cao do vùng tiếp xúc nhỏ, yêu cầu vật liệu chế tạo phải rất cứng để tránh biến dạng Ngược lại, trong đệm khí, tải trọng được phân bố trên toàn bộ bề mặt, dẫn đến vùng chịu tải lớn hơn nhiều so với ổ lăn.
1.1.4 Kh ả n ă ng t ả i: Đệm khí có khả năng tải tương đối tốt mặc dù khả năng tải của đệm khí có hạn khi so sánh với đệm con lăn Tuy nhiên nó vẫn mang được những vật nặng như các loại đệm truyền thống trong các máy công cụ
Khả năng tải của đệm khí phụ thuộc vào diện tích bề mặt và áp suất nguồn theo công thức sau:
Diện tích bề mặt x áp suất phân bố dưới bề mặt đệm khí = lực nâng
Diện tích bề mặt x áp suất phân bố dưới bề mặt đệm khí x hiệu suất = khả năng tải.
Tìm hiểu sống trượt, đệm khí…
Hiện nay, trong các máy đo tọa độ, đặc biệt là máy đo độ thẳng, có nhiều dạng sóng trượt chạy trên đệm khí, chủ yếu là sóng trượt dạng tam giác và sóng trượt dạng hộp chữ nhật.
Sống trượt dạng tam giác, được sử dụng cho trục X của máy MITUTOYOQM – MEASURE 333 từ hãng DEA, mang lại nhiều ưu điểm so với sống trượt hình chữ nhật Cụ thể, nó giúp giảm bớt một mặt gia công, giảm số đệm khí cần thiết, đồng thời đảm bảo định vị ổn định cho các xe trượt gắn trên đó Điều này không chỉ giảm khối lượng máy mà còn giảm quán tính và vật liệu chế tạo Tuy nhiên, sống trượt tam giác cũng có nhược điểm, bao gồm độ khó trong gia công và yêu cầu độ chính xác cao về vị trí tương quan giữa ba mặt sống trượt, gây khó khăn trong quá trình gá đặt và thực hiện các nguyên công.
Khác với đệm con lăn tiếp xúc, đệm khí sử dụng một lớp khí nén mỏng để tạo ra sự không ma sát giữa hai bề mặt phân cách
Lớp khí của đệm được hình thành khi khí được cung cấp vào đệm qua các lỗ tiết lưu hoặc rãnh phân phối, tạo ra áp suất giữa bề mặt đệm và bề mặt dẫn Sự chênh lệch áp suất này tạo ra lực nâng, giúp đệm khí nổi lên khỏi bề mặt dẫn, trong khi khoảng cách giữa hai bề mặt được gọi là khe hở khí.
Trong công nghệ chế tạo đệm khí, việc đảm bảo đệm không bị kẹt và khả năng tự lựa chọn là rất quan trọng Để đệm khí hoạt động hiệu quả, khớp quay cần đạt độ cầu nhất định, có hệ số ma sát thấp và không bị bụi bẩn trong suốt quá trình làm việc Chất lượng của khớp quay phụ thuộc vào vật liệu sử dụng, thường là bi thép, và quy trình mài nghiền.
• Xét theo đặ c đ i ể m quá trình làm vi ệ c c ủ a đệ m ng ườ i ta chia thành hai lo ạ i:
Đệm khí động lực học hoạt động dựa trên chuyển động tương đối giữa các bề mặt, thường có thiết kế rãnh xoắn ốc Để tạo hiệu ứng nâng, cần có góc nêm và vận tốc tương đối đủ lớn giữa hai bề mặt, cho phép chúng tách rời qua một lớp khí Nếu không có chuyển động hoặc nếu chuyển động không đủ nhanh, các bề mặt sẽ tiếp xúc trực tiếp Loại đệm này thường được sử dụng trong các thiết bị như đầu đọc ghi đĩa, ổ chặn và trục cam.
Đệm khí tĩnh học tạo ra áp suất bên trong thông qua công nghệ lỗ chính xác, rãnh hoặc bề mặt xốp Nhờ vào áp suất này, luôn có một khe hở giữa các bề mặt đệm, ngay cả khi không có chuyển động.
• Xét theo đặ c tr ư ng phân ph ố i khí c ủ a b ề m ặ t đệ m ng ườ i ta chia thành các lo ạ i sau:
Đệm khí dạng buồng được thiết kế với các buồng có thể tích nhất định trên bề mặt, cho phép dẫn khí vào từng buồng, từ đó tạo ra lực nâng hiệu quả cho đệm.
Đệm khí dạng rãnh được thiết kế với các rãnh dẫn khí có hình dạng đa dạng, nhằm tạo ra lực nâng hiệu quả cho đệm Các rãnh này được tính toán kỹ lưỡng để tối ưu hóa chức năng của sản phẩm.
Đệm khí theo bề mặt xốp là một công nghệ tiên tiến, khác biệt so với đệm khí truyền thống sử dụng lỗ tiết lưu Thay vì chỉ có một lỗ dẫn khí, đệm khí xốp có hàng triệu lỗ nhỏ trên bề mặt, giúp tăng khả năng tải trọng, chống rung hiệu quả và tự cân bằng tốt hơn Công nghệ này đang được áp dụng rộng rãi trên thế giới, mang lại nhiều lợi ích cho các ứng dụng công nghiệp.
Đệm khí chân không sử dụng một cửa hút chân không để tạo ra vùng chân không dưới đệm, nhờ đó áp suất trong vùng này thấp hơn áp suất khí quyển, giúp đệm chịu áp lực từ môi trường xung quanh Khác với các đệm khí thông thường, đệm khí chân không không chỉ dựa vào áp suất khí để nâng đệm lên khỏi bề mặt mà còn duy trì hiệu quả khi đã đặt tải trọng lên.
Hình1.4 : Đệm khí chân không
Đệm khí lót trục là một giải pháp hiệu quả nhằm giảm ma sát cho các trục quay, thông qua việc sử dụng kỹ thuật đệm khí Khí được thổi vào đệm được thiết kế phù hợp với kích thước trục tiêu chuẩn, giúp phân phối đều quanh bề mặt đệm Kết quả là tạo ra một khe hở khí giữa đệm và trục, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Hình 1.5: Đệm khí lót trục
Hình 1.6: Ứng dụng đệm khí vào máy đo toạ độ
Máy đo độ tròn, độ trụ:
Khi đo độ tròn và độ trụ trong hệ tọa độ cực, một vấn đề quan trọng là tâm chi tiết thường lệch so với tâm ổ quay Mặc dù có thể sử dụng các thuật toán để xác định tọa độ của tâm chi tiết và tính toán sai lệch độ tròn, nhưng độ tin cậy của kết quả đo thường thấp do số liệu chứa nhiều lệch tâm Để nâng cao độ chính xác, cần loại bỏ độ lệch tâm khỏi phép đo Hơn nữa, sự dao động của tâm quay trên bàn đo cũng ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của phép đo độ tròn, với khe hở gây ra biến động tâm quay và tạo ra sai số theo tỷ lệ 1:1 Ma sát lớn trong quá trình dẫn động có thể làm tăng lực tác động lên hướng kính, từ đó kích thích sự biến động của khe hở.
Cả hai nhược điểm này đều có thể giảm đến mức bé nhất khi sử dụng đệm khí
Hình1.7: Sơ đồ máy đo độ trụ (C 2 M 2 )
1 Cơ cấu đệm khí trục y
5 Cơ cấu đệm con lăn trục x
6 Cơ cấu đệm khí trục z
Thiết bị (dụng cụ) kiểm tra:
Rất nhiều máy kiểm tra có thể bị ảnh hưởng bởi ma sát trong đệm con lăn
Sự mài mòn trong đệm có thể ảnh hưởng đến kết quả kiểm tra, vì vậy nhiều máy kiểm tra chính xác sử dụng đệm khí để giảm thiểu ma sát tiếp xúc cơ khí, từ đó nâng cao độ chính xác của thiết bị.
Thiết bị tốc độ cao:
Máy móc hiện đại hoạt động với chu kỳ lên tới một tỷ vòng mỗi năm, gây ra mài mòn cho các cơ cấu dịch chuyển Để khắc phục tình trạng này, giải pháp thay thế đệm con lăn bằng đệm khí được áp dụng, giúp giảm thiểu mài mòn mà không bị ảnh hưởng bởi tốc độ hay khoảng cách chuyển động.
Thiết bị đo độ thẳng của hãng KUNZ được thiết kế để thực hiện phép đo nhanh chóng và chính xác, nhờ vào bộ phận trượt đặc biệt Một điểm nổi bật của sản phẩm là hệ thống đệm khí chân không, hoạt động ổn định với khe hở khí không thay đổi Sử dụng vật liệu bề mặt dẫn tốt như đá cứng hoặc ceramic, thiết bị này đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình đo.
Hình 1.8: Thiết bị đo độ thẳng của hãng KUNZ 1.2.3 Xe tr ượ t
Một số dạng bố trí điển hình của đệm khí phẳng
Bố trí đệm khí đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hệ thống dẫn hoạt động ổn định và tránh sai lệch trong dẫn động Dưới đây là một số phương pháp bố trí đệm khí cho các hệ thống dẫn phổ biến.
Trong trường hợp bố trí đệm khí cho sống dẫn, lực phân bố quanh trục dẫn theo dạng tròn, nhưng việc đặt hai đệm ở bên sườn có thể khiến phần trượt trên trục dẫn bị xoay trong quá trình chuyển động Để khắc phục, nên bố trí ba đệm trên mặt trục dẫn, với các đệm đối xứng trên hai bề mặt dẫn, giúp tăng độ cứng cho bộ phận dẫn Tại phòng thí nghiệm của bộ môn Cơ khí chính xác và quang học, cơ cấu dẫn động này đã được chế tạo và hoạt động tương đối tốt, sử dụng 9 đệm khí dạng rãnh hình chữ H sắp xếp theo nguyên tắc tương tự.
Để nâng cao khả năng tải của cơ cấu dẫn động, một giải pháp khả thi là bố trí nhiều đệm khí trên bề mặt dẫn của cơ cấu.
Ví dụ một cách sắp xếp như dưới đây hình 1.14
Khi sử dụng quá nhiều đệm khí, việc lắp đặt và hiệu chỉnh trở nên khó khăn Để cải thiện khả năng tải, có thể thiết kế loại đệm khác hoặc tăng áp suất cung cấp.
Để đảm bảo hiệu quả tối ưu, lực tác dụng nên được phân bố theo dạng hình tròn trên phần dẫn Nếu sử dụng hình dạng khác như hình ôvan, lực tác động tại các khu vực không có đệm khí sẽ tạo ra momen quay lớn hơn so với khi lực được phân bố theo hình tròn.
Trường hợp bố trí đệm khí ứng dụng trong chuyển động rãnh dẫn như hình1.16
Trong trường hợp này, sai số bề mặt dẫn gây ra lực xoay cho hệ thống dẫn Khi tải trọng tăng, lực xoay cũng tăng theo Để khắc phục vấn đề này, thường bố trí hai đệm trên bề mặt dẫn nhằm tăng momen chống xoay.
Mô hình dẫn động thẳng trong hình 1.18 có độ ổn định cao nhờ vào cách bố trí đặc biệt, với hai đệm khí tỳ sát vào sống dẫn Điều này giúp bộ dẫn động chuyển động vững vàng, giảm thiểu tác động của các lực xiên, từ đó ngăn chặn tình trạng bàn dẫn bị xoay.
Hiện nay, đệm khí được sử dụng phổ biến trong việc dẫn động X, Y, Z ở các máy đo và máy công cụ chính xác CNC, đặc biệt là máy đo tọa độ CMM Nhiều hãng thiết kế có cách bố trí riêng cho hệ thống này, nhưng cần lưu ý rằng một số cách bố trí không hợp lý có thể ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất hoạt động của máy.
Hình 1.19 Ở mô hình (hình 1.19) này làm cho chuyển động của cơ cấu dễ bị nghiêng và bị xiên
Trong mô hình (hình 1.20), cơ cấu đỡ được thiết kế nghiêng và xiên hơn so với mô hình trước, nhưng đây không phải là lựa chọn tối ưu cho máy đo tọa độ Mô hình thiết kế được ưa chuộng cho cơ cấu dẫn động X, Y, Z, mà hãng New Way đã áp dụng vào sản xuất, được thể hiện trong hình 1.21.
Hình 1.21: Kiểu bố trí đệm khí trong máy đo tạo độ CMM
Ngoài ra, việc kết hợp giữa đệm khí lót trục và đệm khí phẳng tạo ra được cơ cấu chuyển động của trục quay với ma sát thấp (hình 1.22)
Hình 1.22: Trục quay sử dụng đệm khí phẳng và đệm khí lót trục
Trong các máy công cụ chính xác cao, việc thiết kế bàn quay sử dụng đệm khí (hình 1.23) đã mang lại nhiều lợi ích cho quá trình vận hành của máy.
Hình 1.23: Bàn quay trong các máy công cụ chính xác
Yêu cầu sống dẫn, đệm khí trong máy đo
1.4.1 B ề m ặ t d ẫ n đệ m khí Đệm khí có thể chạy trên nhiều loại vật liệu làm bề mặt khác nhau Thông thường bề mặt dẫn làm bằng đá granite, bề mặt phủ lớp nhôm cứng, vật liệu ceramics, thủy tinh (kính), thép không gỉ, thép crôm
M ộ t s ố đ i ề u quan tâm đế n b ề m ặ t d ẫ n: Bề mặt hoàn thiện, độ phẳng cục bộ là những yếu tố cần quan tâm đến khi chế tạo bề mặt dẫn cho đệm khí:
Bề mặt dẫn cần đạt cấp chính xác 7 hoặc cao hơn, vì độ nhám của nó ảnh hưởng trực tiếp đến khe hở đệm và hiệu suất hoạt động của máy.
Hỏng hóc thường xuyên xảy ra trên bề mặt đệm khí khi có sự va chạm bề mặt đệm và bề mặt dẫn trong quá trình chuyển động
1.4.1.2 Độ ph ẳ ng c ụ c b ộ : Độ phẳng cục bộ xuất hiện dưới bề mặt đệm khí nên nhỏ hơn 50% khe hở khí Tuy nhiên, trên thực tế, trong trường hợp xấu nhất thì ta cũng có thể dễ dàng đạt được độ phẳng cục bộ nhỏ hơn 10% khe hở khí
1.4.2 Đườ ng n ố i gi ữ a hai s ố ng d ẫ n:
Các đường nối trong sống dẫn cần được ngăn ngừa để đảm bảo hiệu suất hoạt động Chẳng hạn, nếu khe hở khí là 5 micro và bước nối là 10 micro, thì đệm khí sẽ va chạm vào thành, gây ảnh hưởng đến quá trình vận hành.
1.4.3 .Gá đặ t và đ i ề u ch ỉ nh cho đệ m khí ph ẳ ng
Sử dụng vít cầu để gá đặt đệm phẳng là rất quan trọng, vì nó đảm bảo bề mặt đệm khí luôn song song với bề mặt dẫn trong suốt quá trình hoạt động Ngay cả sai lệch nhỏ chỉ vài microns cũng có thể làm giảm hiệu quả làm việc của đệm khí Việc gắn cứng đệm bằng bulông không khả thi, do đó, vít cầu cho phép sắp xếp đệm khí theo nhiều phương khác nhau, đồng thời dễ dàng tháo lắp và thay đổi đệm khí khi cần thiết.
Hình 1.25: Kết cấu gá đặt đệm khí phẳng 1.4.4 Các yêu c ầ u đặ t ra đố i v ớ i đệ m khí s ử d ụ ng cho h ệ d ẫ n tr ượ t
Áp suất phân bố trên bề mặt đủ lớn để tạo ra lực nâng, trong khi không có tiếp xúc cơ khí giữa sống dẫn và bề mặt đệm khí, dẫn đến hệ số ma sát gần bằng 0.
Độ cứng vững cao giúp giảm thiểu biến thiên của khe hở sống khi có sự thay đổi lớn về tải trọng, từ đó làm giảm sai số chuyển vị của hệ đo.
Đệm khí có độ cân bằng và ổn định cao, hoạt động êm ái mà không rung động Cấu trúc hợp lý của đệm khí giúp phân bố áp suất một cách đồng đều dưới bề mặt Khi có tác động làm mất cân bằng, chênh lệch áp suất cục bộ sẽ tạo ra mômen quay, giúp đệm khí tự động trở về vị trí cân bằng.
Đệm khí là giải pháp hiệu quả cho các dẫn trượt trong thiết bị đo lường nhờ khả năng không tiếp xúc cơ khí, giúp giảm thiểu ma sát gần như bằng không Nó giúp trung hòa các nhấp nhô vi mô dưới bề mặt và đảm bảo chuyển động mượt mà với khe hở khớp động bằng không.
Sống trượt đệm khí mang lại độ chính xác cao trong việc dẫn trượt Mục tiêu của luận văn này là phát triển một hệ dẫn động ứng dụng công nghệ đệm khí để tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành.
Nghiên cứu thiết kế chế tạo đệm khí và sống trượt …
Thực nghiệm và kết quả
Thực nghiệm xác định đặc tính của đệm khí
Kết cấu đệm khí được chọn cho mô hình thực nghiệm có các thông số kết cấu theo như mô hình tính toán lý thuyết đã trình bày:
3.2.1 Xác đị nh đặ c tính ch ị u t ả i F
Thiết lập quan hệ giữa tải trọng F và khe hở z
Sử dụng xi lanh khí nén để gia tải, đầu píttông tiếp xúc với điểm giữa của đệm khí qua viên bi, giúp đệm khí tự điều chỉnh và giữ cố định tại vị trí đo Đồng hồ so 0,001mm được đặt trên bề mặt đệm khí để xác định khe hở z, với z=0 khi áp suất nguồn bằng không Áp suất cấp vào xi lanh được điều chỉnh để thay đổi các mức tải.
Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của xi lanh, bao gồm lực tải (Q), đường kính trong của xi lanh (d) và áp suất cấp vào xi lanh (p), được lấy ra sau khi đã ổn áp Mỗi mức tải khác nhau sẽ tương ứng với một giá trị khe hở (z) nhất định, được đo bằng mm.
Hình 3.11: Sơ đồ đo khe hở phụ thuộc tải và áp nguồn
Hình 3.12: Thực nghiệm xác định quan hệ giữa tải và khe hở
Gia tải bằng cách tăng áp suất cấp vào xilanh-pitton có đường kính pitton
3,2 cm từng giỏ trị 0,1kg/cm 2 , đo giỏ trị khe hở z(àm) sau mỗi lần gia tải
Bảng 3.1: Số liệu đo quan hệ tải- khe hở với các áp nguồn khác nhau Áp suất cấp vào xilanh- pitton kg/cm 2
Giá trị khe hở trung bỡnh ztb(àm) cỏc lần đo khi áp nguồn
Giá trị khe hở trung bỡnh ztb(àm) cỏc lần đo khi áp nguồn P0=3kg/cm 2
Giá trị khe hở trung bỡnh ztb(àm) các lần đo khi áp nguồn P0=4kg/cm 2
Từ bảng số liệu ta vẽ được biểu đồ quan hệ giữa tải và khe hở
Hình 3.13: Các đường thực nghiệm quan hệ tải và khe hở
- Qua biểu đồ thực nghiệm ta thấy áp suất vào tăng thì lực tải lớn
- Lực tải càng nhỏ thì khe hở đệm khí càng lớn
Với p= 4at khe hở z ≤ 10àm lực nõng F≥ 300N p= 2at khe hở z ≤ 10àm lực nõng F≥ 150N p= 4at khe hở z ≤ 10àm lực nõng F≥ 300N p= 4at khe hở z ≥ 10àm lực nõng F≥ 100N
3.2.2 Xác đị nh độ c ứ ng c ủ a đệ m khí đ ã th ử nghi ệ m:
Dựa trên các đường thực nghiệm thể hiện mối quan hệ giữa tải và khe hở, có thể nhận thấy rằng các đường cong có độ dốc lớn trong khoảng khe hở từ 5 đến 20 micromet, sau đó độ dốc giảm nhanh chóng khi khe hở lớn hơn 20 micromet.
Trong miền làm việc của đệm khớ với khe hở z= 10ữ20àm, ta cú độ cứng như sau:
= ∆ = ∆ Độ cứng k1= 5 N/àm tức là khi tải trọng tăng 5N thỡ khe hở sẽ giảm 1 àm
Dựa trên các thông số kết cấu của đệm khí đã được thí nghiệm và các áp nguồn khác nhau, theo lý thuyết điểm uốn, đệm khí hoạt động trong miền khe hở nhỏ (z
