THIẾT KẾ CƠ KHÍ CƠ CẤU CẤP BÌA TỰ ĐỘNG
Trình tự công việc tiến hành
Phân tích ưu nhược điểm của các phương án thiết kế là bước đầu tiên, tiếp theo là tính toán và mô phỏng thiết kế bằng phần mềm SolidWorks Sau khi xuất bản các bản vẽ gia công, tiến hành gia công và thực hiện thử nghiệm trước khi lắp đặt tại nhà máy KingJim Việt Nam.
Việc thiết kế phần cơ khí là yếu tố quan trọng trong đề tài, ảnh hưởng lớn đến tính ổn định hoạt động của cơ cấu trong thời gian dài Dựa trên yêu cầu của đề tài, thiết kế được thực hiện qua việc phân tích các ưu và nhược điểm của từng bộ phận, từ đó đưa ra phương pháp thiết kế tối ưu nhất Nội dung này sẽ tập trung vào các vấn đề như tính toán thiết kế khung, thiết kế cơ cấu truyền động để nâng bìa, và thiết kế bộ phận chuyển bìa sang băng tải trong hệ thống.
Cơ cấu cấp bìa tự động cần hoạt động liên tục trong thời gian dài, vì vậy khung cơ cấu, cơ cấu truyền động và bộ phận chuyển bìa sang băng tải là những phần quan trọng nhất, dựa vào tình hình sản xuất thực tế của nhà máy.
Lựa chọn phương án thiết kế cơ khí
Sau khi khảo sát tình hình thực tế tại nhà máy, chúng tôi đã đưa ra một số kết cấu và mô hình cơ bản Dựa trên những kết quả đó, chúng tôi tiến hành khảo sát ý kiến từ những người xung quanh và tham khảo tài liệu từ sách báo, cùng với sự hướng dẫn của giáo viên Ở chương tiếp theo, chúng tôi sẽ đi sâu vào việc xây dựng, thiết kế và phát triển kết cấu cơ khí của hệ thống.
2.2.1 Phương án thiết kế phần khung máy
Cơ cấu hoạt động liên tục trong nhà máy đòi hỏi khung phải có độ cứng vững cao và ổn định, tránh rung lắc trong quá trình hoạt động Nhằm đảm bảo điều này, nhóm đã đề xuất các phương án lựa chọn vật liệu chế tạo khung phù hợp.
Phương án 1 Sử dụng các thanh nhôm định hình
10 Ƣu điểm: Giá thành rẻ, thời gian lắp ghép nhanh, rút ngắn thời gian chế tạo
Nhƣợc điểm: Nhôm có trọng lƣợng nhẹ nên không thích hợp làm khung cơ cấu cần ổn định cao, không bị rung lắc khi hoạt động
Phương án 2 Sử dụng thép tấm
Hình 2.2 Thép tấm Ưu điểm: Dễ cắt chỉnh tùy ý theo các hình dạng và kích thước khác nhau phù hợp với yêu cầu
Nhƣợc điểm: Độ cứng vững không cao nên không thích hợp cho việc làm khung đỡ cơ cấu Nếu sử dụng thép dày quá thì tốn kém
Phương án 3.Sử dụng thép chữ U
11 Ƣu điểm: Đảm bảo độ cững vững, giá thành rẻ hơn so với thép tấm dày
Nhƣợc điểm: mất thời gian gia công chế tạo
Phương án 4: Sử dụng Inox
Hình 2.4Thanh inox Ƣu điểm: Đảm bảo độ cứng vững, khả năng chống mài mòn và bền với thời gian Nhƣợc điểm: Giá thành cao, khó gia công
2.2.2 Phương án thiết kế phần nâng bìa
Lựa chọn phương án thiết kế
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất ba phương án ứng dụng cho hệ thống cấp bìa tự động, nhằm đáp ứng yêu cầu hoạt động liên tục với khả năng nâng 200 bìa, chu kỳ cấp bìa 5 giây mỗi bìa và tổng khối lượng 60 kg Sau khi đánh giá, nhóm sẽ lựa chọn phương án phù hợp nhất.
Sử dụng xylanh khí nén để nâng bìa là một giải pháp hiệu quả Hệ thống xylanh sẽ nâng các tấm bìa lên trước khi chúng được đưa đến vị trí dán Các xylanh này có khả năng nâng chồng bìa với khối lượng lớn, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
>`kg do đó cần chọn nguồn khí nén và xylanh thích hợp
Hệ thống Xylanh trong phương án 1 có ưu điểm là dễ dàng điều khiển và thuận tiện trong việc gia công chế tạo khung đỡ Bên cạnh đó, việc sử dụng băng tải giúp chuyển bìa đến vị trí dán một cách nhanh chóng và liên tục.
Khuyết điểm: Độ ổn định thấp, các máy bơm của xylanh hoạt động gây ra tiếng ồn Phương án 2:
Bộ truyền vít me được sử dụng để nâng bìa, với cơ cấu vít me được thiết kế đặc biệt nhằm nâng các tấm bìa lên Sau khi nâng, một cơ cấu khác sẽ chuyển bìa đến vị trí dán.
Phương án 2 mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm khả năng chế tạo dễ dàng phần giá đỡ cho vít me và thực hiện các chuyển động với độ chính xác cao Hệ thống băng tải giúp chuyển bìa đến vị trí dán một cách nhanh chóng và liên tục.
Nhƣợc điểm: Việc sử dụng bộ truyền vít me có hiệu suất thấp và chóng mòn
Sử dụng bộ truyền xích trong việc nâng bìa Phần chuyển bìa vào vị trí dán sử dụng 1 Xylanh đẩy từng bìa qua hệ thống băng chuyền
Phương án 3 sử dụng bộ truyền xích đơn giản mang lại nhiều ưu điểm, như dễ dàng chế tạo khung đỡ và khả năng truyền động cho hai trục xa nhau, giúp nâng được chồng bìa cao Ngoài ra, bộ truyền xích có chi phí thấp, trong khi băng tải chuyển bìa đến vị trí dán một cách nhanh chóng và liên tục.
Nhƣợc điểm: Bộ truyền xích gây tiếng ồn, có sự va đập khi chuyển động
Sau khi xem xét các phương án thiết kế và đánh giá ưu nhược điểm của từng phương án, nhóm nghiên cứu đã quyết định chọn phương án 3 để phát triển cơ cấu cấp bìa tự động.
2.2.3 Phương án truyền động cho cơ cấu cấp bìa tự động
Việc nâng hạ bìa có thể sử dụng các phương án sau:
Sử dụng bộ truyền đai mang lại nhiều ưu điểm như bảo vệ khi quá tải nhờ hiện tượng trượt trơn, bảo vệ khi bộ phận công tác vượt quá giới hạn hành trình Ngoài ra, giải pháp này có chi phí thấp và phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu lực vòng nhỏ Bộ truyền đai hoạt động êm ái, không gây ồn và có khả năng truyền động giữa các trục ở khoảng cách xa.
Nhƣợc điểm: Tỉ số truyền không ổn định, lực tác dụng lên trục và ổ trục lớn do căng đai
Phương án 2 là sử dụng bộ truyền xích, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội Bộ truyền xích có khả năng truyền chuyển động giữa các trục xa nhau mà không gặp trượt, tỉ số truyền luôn ổn định và hiệu suất cao từ 0,96 đến 0,98 Kích thước của bộ truyền cũng rất nhỏ gọn, đồng thời lực tác dụng lên trục thấp hơn do không cần lực căng ban đầu Đặc biệt, chỉ với một xích, có thể truyền chuyển động từ trục dẫn tới nhiều trục bị dẫn khác nhau, và chi phí cho bộ truyền xích cũng rất hợp lý.
Nhƣợc điểm: có sự va đập, tiếng ồn khi làm việc, răng và mắt xích sẽ bị mòn nếu không đƣợc bôi trơn
Phương án 3 sử dụng bộ truyền bánh răng với nhiều ưu điểm nổi bật như khả năng tải lớn, tỉ số truyền ổn định, hiệu suất cao từ 0,97 đến 0,99, khả năng làm việc với vận tốc lớn, cùng với tuổi thọ và độ tin cậy cao.
Nhƣợc điểm: chế tạo phức tạp dẫn đến giá thành khá cao, đòi hỏi độ chính xác cao và gây ra tiếng ồn khi hoạt động
Phương án 4 đề xuất sử dụng bộ truyền trục vít bánh vít, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật Bộ truyền này có tỉ số truyền lớn, hoạt động êm ái và ít gây ồn Ngoài ra, nó còn có khả năng tự hãm và độ chính xác động học cao, giúp nâng cao hiệu suất làm việc.
Nhƣợc điểm: Hiệu suất thấp (0,7-0,8), đồng thời sinh nhiệt nhiều nên phải có biện pháp thoát nhiệt
15 a) Bộ truyền đai b) Bộ truyền xích c) Bộ truyền bánh răng d) Bộ truyền trục vít-bánh vít
Hình 2.8 (a) Truyền động bánh đai,(b)truyền động xích, (c)truyền động bánh răng, (d) truyền động trục vít-bánh vít
Sau khi phân tích những ưu điểm và nhược điểm các phương án trên, nhóm thực hiện sử dụng thép chữ U làm khung cơ cấu
Các thanh thép chữ U được hàn lại cùng với các thanh giằng tạo thành bộ khung cơ cấu cứng vững Sau khi phân tích ưu nhược điểm của từng bộ truyền, nhóm quyết định sử dụng bộ truyền xích và bộ truyền trục vít-bánh vít để truyền động cho phần nâng bìa Ngoài ra, bộ xích cũng được sử dụng để gắn tấm đỡ cho phần nâng bìa.
Thiết kế phần khung cơ cấu
Để khung máy đƣợc cứng vững nhóm sử dụng thép chữ U có Hmm, B= 45, bề dày t5.5 mm
Hình 2.9 Thông số thép chữ U
Các thanh thép chữ U sẽ đƣợc hàn ghép lại để tạo thành vách máy của khung cơ cấu cấp bìa tự động
Hình 2.10 Vách máy phần khung cơ cấu
Các thông số kích thước đo và tính toán như hình:
Hình 2.11 Thông số kích thước của vách khung cơ cấu cấp bìa tự động
Hai vách khung cơ cấu cấp bìa tự động đƣợc ghép nối với nhau nhờ các thanh thép vuông tạo thành bộ khung vững chắc
Hình 2.12 Bộ khung cơ cấp cấp bìa tự động
Thiết kế bộ phận chuyển bìa vào vị trí dán
Để chuyển bìa vào vị trí dán, cần thiết lập một cơ cấu phù hợp Sau khi nghiên cứu, nhóm đã đề xuất các phương án thiết kế khả thi.
Sử dụng băng tải và xi lanh để di chuyển bìa đến vị trí dán Xi lanh sẽ đẩy từng bìa qua băng tải, sau đó băng tải sẽ đưa bìa đến vị trí dán trong nhà máy.
Hình 2.13 Phương án chuyển bìa 1 Ƣu điểm: Chi phí thấp, dễ điều khiển
Nhƣợc điểm: cần tạo ma sát đủ lớn để kéo tấm bìa qua vị trí dán
Sử dụng xylanh không trục kết hợp với giác hút chân không để di chuyển bìa đến vị trí dán Các giác hút chân không sẽ hút bìa, trong khi xylanh không trục đảm nhiệm việc chuyển bìa đến đúng vị trí dán.
Hình 2.14 Phương án chuyển bìa 2
19 Ƣu điểm: Dể điều khiển, cơ cấu chuyển bìa gọn
Nhược điểm của hệ thống là tốc độ vận chuyển bìa phụ thuộc vào nguồn khí nén Nếu nguồn khí nén không ổn định, điều này sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của cơ cấu.
Sử dụng servo kết hợp với bộ truyền đai và các giác hút chân không để chuyển bìa đến vị trí dán Các giác hút chân không sẽ hút từng tấm bìa và điều khiển servo di chuyển chúng đến vị trí cần dán.
Hình 2.15 Phương án chuyển bìa 3 Ƣu điểm: Chuyển bìa chính xác, nhanh Cơ cấu chuyển bìa gọn
Nhược điểm: Chi phí cho động cơ servo tương đối cao
Kết luận, nhóm đã quyết định chọn phương án 1 sau khi phân tích kỹ lưỡng ưu nhược điểm của từng phương án dựa trên yêu cầu về độ chính xác và tốc độ cấp bìa Để giải quyết vấn đề thiết kế băng tải chuyển bìa, nhóm đã nghiên cứu và đề xuất sử dụng rulo và băng tải phụ nhằm tăng cường lực ma sát, giúp quá trình chuyển bìa diễn ra dễ dàng hơn.
Hình 2.16 Bộ phận chuyển bìa
Thiết kế một xylanh đẩy bìa qua băng tải Xylanh này đƣợc thiết kế sao cho mỗi lần đẩy đƣợc từng bìa qua băng tải
Khi bìa được nâng lên, xylanh sẽ đẩy ra, tạo ra lực ma sát giữa rulo và băng chuyền, khiến các bìa được kéo ra ngoài và chuyển đến hệ thống băng tải bên kia.
Ngày nay, các hệ thống vận chuyển thường sử dụng rulo để nâng đỡ và vận chuyển hàng hóa Trong hệ thống băng chuyền, rulo giữ vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ băng tải, ngăn chặn tình trạng võng và cho phép mở rộng chiều dài băng tải một cách dễ dàng Hệ thống băng rulo cũng được lắp đặt để vận chuyển hàng thùng và linh kiện hiệu quả.
Trong hệ thống cấp bìa tự động, thiết kế các rulo đảm bảo ma sát giữa rulo, băng chuyền và bìa đủ lớn để kéo bìa đến vị trí dán một cách hiệu quả.
Hình 2.19 Bìa đƣợc chuyển nhờ lực ma sát giữa bìa và băng chuyền
Lựa chọn động cơ cho cơ cấu cấp bìa tự động
Căn cứ vào chức năng của từng loại động cơ, có hai yêu cầu chính cho động cơ trong hệ thống Động cơ truyền động nâng bìa được sử dụng để tạo ra moment nâng bìa, nằm ở mặt bên ngoài của khung cơ cấu, và được tích hợp bộ truyền thích hợp nhằm tăng moment quay, đảm bảo hoạt động ổn định và lâu dài trong môi trường sản xuất công nghiệp Trong khi đó, động cơ truyền động chuyển bìa có nhiệm vụ tạo ra moment để chuyển bìa vào vị trí dán, được lắp đặt ở mặt trong của khung cơ cấu và hoạt động liên tục.
Khi thiết kế, cần tính toán các thông số cho cơ cấu cấp bìa và lựa chọn linh kiện có sẵn trên thị trường, giúp đơn giản hóa quy trình mà không cần gia công mới Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm.
- Chi phí sản xuất thấp
- Thời gian hoàn thành cơ cấu sẽ đƣợc rút ngắn
Tính toán lựa chọn động cơ:
Hình 2.20 Sơ đồ nguyên lý hoạt động cơ cấu nâng bìa
Theo yêu cầu thì phải nâng đƣợc khoảng 200 bìa giấy nên Ft>`0 (N), vận tốc tối đa khi nâng là 0.5m/s
Hiệu suất của bộ truyền: =tv.x.(ol)^3=0.8
Công suất toàn phần của động cơ: Pdc=Pct/=0.3/0.8=0.375 (kW)
Dựa vào điều kiện thực tế thì ta chọn Pdc =0.55(kW)
Thời gian làm việc: 8 giờ/ngày
Số vòng quay trục nâng bìa: 𝑛 = 60000𝑣
Tỉ số truyền chung: uch=uxutv=nđc/nct
Chọn động cơ có công suất Pđc=0.55 kW với số vòng quay và tỷ số truyền đƣợc cho trong bảng 2.1 Động cơ Số vòng quay động cơ, nđc
Tỉ số truyền chung, uch
Bộ truyền trục vít, utv
10 Bảng 2.1 Động cơ và phân bố tỉ số truyền
Với các tỉ số truyền trên bảng ta chọn động cơ 4AA63B2Y3 có Pđc=0.55 kW với số vòng quay là 2745 vòng/phút, tỉ số truyền chung uch, ux=1, utv
Mặt khác, để tăng momen xoắn khi nâng bìa, sử dụng động cơ có hộp giảm tốc với tỉ lệ 1:20
Hình 2.21Động cơ nâng bìa
24 Đối với phần chuyển bìa vào vị trí dán, sử dụng hệ thống băng chuyền với cơ cấu truyền động theo nguyên lý sau:
Hình 2.22 Sơ đồ nguyên lý cơ cấu truyền động băng tải chuyển bìa vào vị trí dán
Ta có : Tổng tải trọng khối hàng trên băng chuyền: W=0.3kg
Hiệu suất của bộ truyền: =br.x.(ol)^3=0.87 2.2
Công suất toàn phần của động cơ: Pdc=Pct/=0.02/0.87=0.02 (kW) 2.3
Thời gian làm việc: 8 giờ/ngày
Dòng điện sử dụng cho hệ thống là 3 pha, 380V, 50Hz Nhằm đảm bảo an toàn và chống quá tải trong quá trình hoạt động, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn động cơ có hộp số với công suất định mức Pđc là 0.4 kW và tốc độ nđc (vòng/phút).
Tính toán bộ truyền xích
Các thông số đầu vào:
- Công suất động cơ PU0W,
- Số vòng quay n= 90 vòng/phút
Thông số xích:Xích con lăn
Loại xích rulo và chốt đơn
Dải bước xích: 4.76 - 76.20 mm Đường kính rulo: 2.48 - 47.63 mm
Khoảng cách má trong: 2.38 - 47.35 mm Đường kính chốt: 1.62 - 23.81 mm
Chiều dài chốt (Max): 6.90 – 103.00 mm
Chiều sâu lòng xích: 4.30 - 72.39 mm
Chiều dày má: 0.60 - 9.50 mm Độ bền kéo giới hạn min: 1.8 – 510.3 KN (409 - 115977 LB)
Cường độ kéo trung bình: 2.0 – 622.5 KN
Bảng 2.2 Bảng thông số xích Xích con lăn đƣợc lựa chọn có thông số
Bước xích Pc.7mm, đường kính rulo 8.51 mm, đường kính chốt 4.45mm Lựa chọn thông số cho bánh xích:
- Bánh dẫn: Số răng: 20 răng
- Bánh bị dẫn: Số răng: 20 răng
- Đường kính (được tính từ đỉnh răng): 88 (cm)
Xác định tỉ số truyền cho bộ truyền động:
Z2=uZ1 với điều kiện Z2
