Thiết kế chế tạo máy quấn dây diamond cho máy cắt dây

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Thế kỷ XXI đánh dấu sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, ảnh hưởng sâu sắc đến mọi khía cạnh của cuộc sống, đặc biệt là trong lĩnh vực lao động sản xuất Trước đây, lao động chân tay chiếm ưu thế do công nghệ còn lạc hậu, nhưng với sự tiến bộ của xã hội, nhu cầu về số lượng và chất lượng sản phẩm ngày càng cao, lao động chân tay dần được thay thế bằng máy móc Sự chuyển mình này không chỉ giải phóng sức lao động mà còn nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong các ngành công nghiệp nặng và độc hại.

Trong bối cảnh kinh tế thị trường hiện nay, tự động hóa quy trình sản xuất là yếu tố sống còn cho doanh nghiệp Sự thành công hay thất bại của một doanh nghiệp phụ thuộc vào chất lượng sản phẩm và giá thành, hai yếu tố cơ bản được quyết định bởi công nghệ và khả năng tự động hóa Khi sản phẩm được sản xuất tự động, tính ổn định, chất lượng và năng suất sẽ được cải thiện, từ đó giảm giá thành và nâng cao khả năng cạnh tranh.

Ngày nay, máy móc hiện diện khắp nơi, không chỉ trong các nhà máy mà còn trong đời sống hàng ngày Mặc dù nhu cầu của con người là vô hạn và phát sinh trong nhiều hoàn cảnh khác nhau, máy móc chỉ có thể đáp ứng một phần nhu cầu đó trong một giai đoạn nhất định Tuy nhiên, điều này không ngăn cản con người tiếp tục tìm tòi và sáng tạo, mà ngược lại, sự sáng tạo được khuyến khích và lan tỏa rộng rãi, không phân biệt giai cấp, từ trí thức, học sinh - sinh viên cho đến người lao động.

Hiện nay, thị trường cung cấp nhiều loại máy quấn dây tự chế, hoạt động theo các nguyên lý và cơ cấu khác nhau Những thiết bị này, như máy quấn dây điện và máy quấn dây hàn, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu đa dạng của các công ty.

Công ty II-VI Việt Nam đang cần chế tạo máy quấn dây diamond tự động để tích hợp vào máy wire saw, nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất của công ty.

Tại Việt Nam, nghiên cứu và phát triển máy quấn dây tự động, đặc biệt là máy quấn dây tự động diamond, vẫn chưa được chú trọng.

Máy quấn dây tự động đã trải qua nhiều cải tiến và phát triển kể từ khi ra đời, với mỗi loại máy phục vụ cho những công việc cụ thể khác nhau Nguyên lý hoạt động của các máy này hoàn toàn khác biệt, và mỗi loại đều có những ưu nhược điểm riêng Hiện tại, công ty II-VI Việt Nam đang sử dụng máy quấn dây tự động diamond tự chế, dựa trên nguyên lý hoạt động của máy quấn dây hiện có.

2 phay với những ưu điểm như việc quấn dây dễ dàng không bị rối dây, thiết kế đơn giản, dễ tháo lắp

Bên cạnh những ưu điểm đó thì nhược điểm là chưa có bộ đếm đếm số vòng quấn Không điều khiển được vận tốc quấn dây

Dựa trên nhu cầu thực tế, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo máy quấn dây tự động DIAMOND trong máy cắt wire saw” Qua đề tài này, nhóm mong muốn góp phần đáp ứng nhu cầu sản xuất của công ty.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

 Tạo điều kiện tiền đề cho người nghiên cứu phát triển các kỹ năng, vận dụng kiến thức đã học vào cuộc sống

Sản phẩm mới không chỉ thúc đẩy sự phát triển của công ty mà còn là nền tảng cho việc cải tiến và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực liên quan.

 Đáp ứng nhu cầu sử dụng của công ty

 Năng cao năng suất lao động

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

 Tìm hiểu chức năng, nguyên lý,cơ cấu điều khiển và mô hình của máy quấn dây tự động diamond

 Thiết kế mô hình 3D bằng phần mềm Solidworks 2017

 Tính toán và hoàn chỉnh thiết kế máy cho máy quấn dây tự động diamond

 Gia công,lắp ráp mô hình máy quấn dây tự động

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

 Các phương án quấn dây

 Máy quấn dây tự động diamond

Thiết kế, tính toán vả chế tạo mô hình máy quấn dây tự động diamond chỉ sử dụng cho máy cắt dây wire saw

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Phương pháp nghiên cứu là tập hợp các nguyên tắc và quy trình khoa học nhằm tìm ra chân lý khách quan thông qua chứng minh khoa học Để thực hiện nghiên cứu hiệu quả, cần tuân thủ các nguyên tắc cụ thể, từ đó giải quyết các vấn đề một cách có hệ thống.

Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của cơ cấu chuyển động và lựa chọn động cơ phù hợp là rất quan trọng để tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình máy quấn dây tự động Diamond một cách hiệu quả.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể Để thực hiện đề tài này, nhóm sử dụng một số phương pháp sau :

Phương pháp nghiên cứu tài liệu bao gồm việc tham khảo các nguồn văn bản, sách, giáo trình và tài liệu từ các nguồn tin cậy trên internet, cũng như các công trình nghiên cứu Mục tiêu là xác định phương án điều khiển và gia công tối ưu cho máy, từ đó đề xuất các phương án thiết kế kèm theo ưu nhược điểm riêng của từng phương án.

Phương pháp thực nghiệm được áp dụng để kiểm tra khối lượng cuộn dây cấp, từ đó làm cơ sở cho việc tính toán sơ bộ và thiết kế chế tạo các chi tiết máy bằng phần mềm Solidworks 2017.

Phương pháp phân tích là bước quan trọng sau khi đã hoàn tất tính toán sơ bộ và thu thập tài liệu cùng số liệu cần thiết Việc phân tích số liệu và tài liệu liên quan giúp xác định cơ cấu điều khiển tối ưu cho môi trường làm việc với động cơ AC 3 pha và động cơ bước Kết quả của quá trình này sẽ là bản vẽ chế tạo và số lượng chi tiết cần thiết cho gia công.

Nội dung đề tài

Chương 1: Giới thiệu về đề tài

Chương 2 : Trình bày tổng quan nghiên cứu đề tài,bao gồm giới thiệu về máy,kết cấu của máy,các nghiên cứu liên quan

Chương 3 : Trình bày về cơ sở lý thuyết để thực hiện đề tài

Chương 4 : Đưa ra phương hướng và các giải pháp để thiết kế

Chương 5 : Tính toán thiết kế máy, chế tạo mô hình thực nghiệm

Chương 6 : Kết luận và kiến nghị

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu chung

Máy quấn dây hiện có nhiều loại khác nhau, được phân loại theo chức năng, bao gồm: máy quấn dây cáp điện, máy quấn dây hàn (như H8A-VD, W49-VD tại nhà máy que hàn Việt Đức), máy quấn dây cho máy điện quay và máy quấn dây biến áp.

Hình 2 1 Máy quấn dây AM3175 [6]

Hình 2 2 Máy quấn dây điện [6]

2.1.1 Cấu tạo chung của máy quấn dây

Một máy quấn dây có thể chia làm những phần chính sau: phần cơ khí, phần điều khiển tự động, phần động cơ

+ Phần cơ khí gồm: Cơ cấu quấn dây, Cơ cấu rải dây, v.v

+ Phần động cơ điện: Động cơ quấn dây, Động cơ rải dây

+ Phần điều khiển: Điều khiển bằng biến trở và biến tần

2.1.2 Phương pháp phối hợp và điều khiển các cơ cấu trong máy quấn dây Để quấn dây đều, đẹp, không bị đứt ta phải phối hợp việc điều khiển tốc độ động cơ rải dây và động cơ quấn dây Nếu tốc độ động cơ quấn chạy với tốc độ nhanh thì động cơ rải dây cũng phải nhanh Việc rải dây này diễn ra liên tục trong một vòng quấn dây Còn để dây quấn không bị đứt nhưng vẩn đảm bảo độ căng cần thiết thì ta phải có cơ cấu tạo độ căng dây Như vậy các động cơ này phải có sự ràng buộc lẫn nhau.

Kết cấu của máy quấn dây tự động Diamond

Phần khung máy : chịu tải trọng , cứng vững và bộ phận để liên kết

Cơ cấu quấn dây : dùng để sang dây từ cuộn lớn sang cuộn nhỏ

Cơ cấu rải dây : dùng để điều chỉnh sợi dây quấn đều và không bị rối

Ngoài ra, còn có các bộ phận khác và mạch điện cấp nguồn cho động cơ.

Các tồn tại của máy

Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều loại máy quấn dây với đa dạng mẫu mã và kích thước, được thiết kế tối ưu để đạt năng suất cao Mỗi loại máy phục vụ cho những công việc khác nhau, phù hợp với nhu cầu của từng doanh nghiệp Tuy nhiên, việc nhập khẩu máy móc từ nước ngoài vào thị trường nhỏ lẻ tại Việt Nam vẫn gặp phải một số nhược điểm nhất định.

- Chi phí nhập khẩu cao [5]

- Diện tích đặt máy lớn

Từ những yêu cầu về kỹ thuật của máy và cách khắc phục, nhóm đề xuất phương án cải tiến như sau :

- Thiết kế máy quấn dây diamond đơn giản, gọn nhẹ

- Thuận tiện, an toàn khi sử dụng

- Chiếm diện tích đặt máy nhỏ

- Giảm giá thành cho một máy phù hợp với nhu cầu sử dụng

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Khái quát chung về máy quấn dây tự động

Các loại máy quấn dây đều có cấu trúc cơ khí tương tự nhau, với sự khác biệt chủ yếu ở phần điều khiển Tổng quan, máy quấn dây tự động bao gồm hai phần chính: phần điện và phần cơ khí.

Cấu trúc cơ khí của máy quấn dây tự động tương tự như máy CNC, với hệ thống truyền động trục bằng bộ truyền vít me – trượt hoặc bộ truyền đai Đặc điểm nổi bật của truyền động cơ khí trong máy quấn dây là tải trọng tác dụng rất nhỏ, giúp thiết kế trở nên đơn giản và các trục có kết cấu gọn nhẹ Các chi tiết lắp ráp không yêu cầu khả năng chịu lực cao, cho phép sử dụng các linh kiện không cần độ chính xác cao, đây là một ưu điểm lớn của máy quấn dây.

Phần điện của máy quấn dây được chia thành hai khối chính: khối điều khiển và khối chấp hành Khối điều khiển bao gồm các thành phần như vi điều khiển, board kết nối và driver, trong khi khối chấp hành bao gồm động cơ bước, cảm biến nhiệt và động cơ servo (nếu có).

Động cơ bước

Động cơ bước là một loại động cơ đồng bộ, có chức năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành chuyển động góc quay thông qua các xung điện rời rạc liên tiếp.

Động cơ bước bao gồm các bộ phận chính như stato và roto, trong đó roto có thể là nam châm vĩnh cửu hoặc các khối răng bằng vật liệu nhẹ có từ tính trong trường hợp động cơ biến từ Động cơ này được điều khiển bởi bộ điều khiển bên ngoài, cho phép nó giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào và quay đến vị trí mong muốn.

Động cơ bước có thể được áp dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản hoặc vòng kín Tuy nhiên, khi sử dụng động cơ bước trong hệ điều khiển vòng hở, nếu xảy ra quá tải, tất cả các giá trị của động cơ sẽ bị mất và hệ thống cần phải nhận diện lại.

Động cơ bước hoạt động dựa trên các xung điện rời rạc và liên tiếp Khi dòng điện hoặc điện áp được cung cấp cho cuộn dây phần ứng, roto của động cơ sẽ quay một góc xác định, được gọi là bước của động cơ.

Góc bước là góc quay của trục động cơ liên quan đến một xung điều khiển, và nó được xác định bởi cấu trúc của động cơ bước cũng như phương pháp điều khiển được sử dụng.

Tính năng mở máy của động cơ được đặc trưng bởi tần số xung cực đại có thể mở máy mà không làm cho roto mất đồng bộ.[4]

Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện mà phụ thuộc vào thứ tự cấp xung cho các cuộn dây Động cơ bước được phân thành ba loại chính.

- Động cơ bước biến từ trở

- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu

- Động cơ bước hỗn hợp/lai

3.2.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có roto là nam châm vĩnh cửu, stato có nhiều răng trên mỗi răng có quấn các vòng dây Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau.[4]

Hình 3 2 Cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu [4]

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu có 2 cặp cuộn pha được trình bày ở hình:

Ban đầu vị trí của stato và roto đang ở phase A Khi cấp điện cho 2 cuộn dây pha

Khi cuộn dây pha B và cuộn dây D được kích hoạt, chúng sẽ tạo ra cực tính khác nhau Sự khác biệt này giữa cực tính của cuộn dây pha và roto khiến roto di chuyển đến vị trí tương ứng với pha B được kích hoạt.

D ngắt điện cuộn dây A và B được cấp điện thì roto lại chuyển động đến vị trí như hình phase C on.[4]

Hình 3 3 Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu [4]

Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Sđc, góc bước của động cơ này được tính theo công thức sau:

3.2.2 Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau, nhưng các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Góc bước của stato là Ss.[4]

Roto của động cơ bước biến từ trở được làm từ thép non có khả năng dẫn từ tốt, cho phép roto tiếp tục quay tự do khi động cơ mất điện trước khi dừng lại hoàn toàn.

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ được thể hiện như hình:

Hình 3 4 Nguyên lý hoạt động động cơ bước biến từ trở [4]

Khi cấp điện cho pha A, các cuộn dây A được bố trí đối xứng với cực tính giống nhau, một cực là nam (S) và một cực là bắc (N), tạo ra các vòng từ đối xứng.

Khi cấp điện cho pha B, từ trở trong động cơ lớn, tạo ra momen từ tác động lên trục roto, khiến roto quay theo chiều giảm từ trở Roto tiếp tục quay cho đến khi từ trở đạt giá trị nhỏ nhất; khi momen bằng không, trục động cơ dừng lại và roto đạt vị trí cân bằng mới.

Khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc tương tự và roto sẽ ở vị trí như hình c Quá trình này lặp lại, giúp động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A.

 B  C Để động cơ quay ngược chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại.[4]

Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Zr, góc bước của động cơ bước biến từ trở là S ta tính được công thức sau:

3.2.3 Động cơ bước hỗn hợp Động cơ bước hỗn hợp (còn gọi là động ơ bước lai) có đặc trưng cấu trúc của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ Stato và roto có cấu tạo tương tự động cơ bước biến từ trở nhưng số răng của stato và roto không bằng nhau Roto của động cơ bước thường có 2 phần: phần trong là nam châm vĩnh cửu được gắn chặt lên trục động cơ, phần ngoài là 2 đoạn roto được chế tạo từ lá thép non và răng của

2 đoạn roto được đặt lệch nhau.[4]

Hình 3 5 Cấu tạo động cơ bước hỗn hợp [4]

Góc bước của động cơ bước hỗn hợp được tính theo công thức:

Động cơ bước hỗn hợp kết hợp ưu điểm của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở, trong đó S là góc bước của động cơ, Sr là góc giữa hai răng kề nhau, và Zs là số cặp cực trên stato.

Động cơ không đồng bộ 3 pha

3.3.1 Giới thiệu Động cơ điện không đồng bộ ba pha (AC Induction Motor) được sử dụng rất phổ biến ngày nay với vai trò cung cấp sức kéo trong hầu hết các hệ thống máy công nghiệp Công suất của các động cơ không đồng bộ có thể đạt đến 500 kW (tương đương 670 hp) và được thiết kế tuân theo quy chuẩn cụ thể nên có thể thay đổi dễ dàng các nhà cung cấp.[5]

3.3.2 Cấu tạo a) Phần tĩnh: Stato có cấu tạo gồm vỏ máy, lỏi sắt và dây quấn.[5]

Vỏ máy có vai trò quan trọng trong việc cố định lõi sắt và dây quấn, nhưng không được sử dụng làm mạch dẫn từ Thông thường, vỏ máy được chế tạo từ gang, trong khi những máy có công suất lớn khoảng 1000kW thường sử dụng thép tấm hàn để tạo thành vỏ Hình dạng của vỏ máy cũng thay đổi tùy thuộc vào phương pháp làm nguội được áp dụng.

Lõi sắt là bộ phận dẫn từ quan trọng, giúp giảm tổn hao năng lượng do từ trường quay Để tối ưu hóa hiệu suất, lõi sắt thường được chế tạo từ những lá thép kỹ thuật điện được ép lại với nhau.

Dây quấn stator được đặt vào các rãnh của lõi sắt và được cách điện tốt với lõi sắt.[5] b) Phần quay ( roto):

Rotor có 2 loại chính : rotor kiểu dây quấn và rotor kiểu lòng sóc

Rôto của động cơ có dây quấn tương tự như dây quấn của stator, với dây quấn 3 pha thường được đấu hình sao Ba đầu dây quấn được kết nối với vành trượt bằng đồng, cố định ở một đầu trục, cho phép kết nối với mạch điện bên ngoài qua chổi than Đặc điểm nổi bật là khả năng đưa điện trở phụ hoặc suất điện động phụ vào mạch rôto, giúp cải thiện hiệu suất khởi động, điều chỉnh tốc độ và hệ số công suất Khi máy hoạt động bình thường, dây quấn rôto được nối ngắn mạch Tuy nhiên, động cơ này có nhược điểm như giá thành cao, khó sử dụng trong môi trường khắc nghiệt và dễ gây cháy nổ.

Kết cấu của loại dây quấn này khác biệt hoàn toàn so với dây quấn stator Trong mỗi rãnh của lõi sắt rotor, các thanh dãn bằng đồng hoặc nhôm được đặt và kéo dài ra ngoài lõi sắt, sau đó được nối lại ở hai đầu bằng hai vành ngắn mạch làm từ đồng hoặc nhôm, tạo thành một lồng, thường được gọi là lồng sóc Khe hở không khí cũng là một yếu tố quan trọng trong thiết kế này.

Rotor có hình dạng tròn, giúp tạo ra khe hở đều Trong máy điện không đồng bộ, khe hở này rất nhỏ nhằm hạn chế dòng điện từ hóa lấy từ lưới, từ đó nâng cao hệ số công suất của máy.

Máy điện không đồng bộ, đặc biệt là động cơ rotor lồng sóc, là loại máy điện xoay chiều phổ biến với nhiều ưu điểm vượt trội so với động cơ DC Nhờ vào kết cấu đơn giản, hoạt động ổn định, hiệu suất cao và giá thành thấp, động cơ không đồng bộ được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, nông nghiệp và đời sống hàng ngày.

Trong ngành công nghiệp, động cơ không đồng bộ là nguồn động lực phổ biến cho các máy cán thép cỡ vừa và nhỏ, cũng như cho các máy công cụ tại các nhà máy công nghiệp nhẹ.

Trong nông nghiệp, được dùng làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm

Động cơ không đồng bộ ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hàng ngày với nhiều ứng dụng đa dạng, bao gồm quạt gió, động cơ tủ lạnh và máy quay đĩa.

Tóm lại, sự phát triển của ngành sản xuất điện khí hóa và tự động hóa đã mở rộng đáng kể phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ.

3.3.4 Các phương pháp điều khiển động cơ KĐB

So với máy điện một chiều, việc điều khiển máy điện xoay chiều khó khăn hơn do các thông số của nó biến đổi theo thời gian và cấu trúc phức tạp hơn.

Các phương pháp điều khiển phổ biến:

 Điều khiển điện áp stator

 Điều khiển điện trở rôto

 Điều khiển công suất trượt rôto

Đặc tính của dây kim cương

Dây cắt hạt kim cương là loại dây chuyên dụng cho máy cắt kim cương, được cấu tạo từ lõi cáp lụa và được gắn các hạt kim cương (hạt ép hỗn hợp kim cương) với khoảng cách giữa các hạt là 3,5cm.

Hình 3 8 Cấu tạo dây cắt hạt kim cương [12]

- 1: Tổng quát về dây cắt hạt kim cương

- 2: Lõi dây được làm bằng sợi cáp lụa

- 5: Lò xo hoặc nhựa dẻo để giữ khoảng cách hạt kim cương

• Tốc độ quấn điều chỉnh vô cấp từ 0 – 1000 vòng/phút điều khiển bằng Inverter

• Có chế độ rải đảo chiều liên tục , truyền động rải bằng động cơ bước ( stepper motor )

Truyền động vít me – đai ốc trượt

Hình 3 9 Vít me đai ốc [13]

Cơ cấu vít me – đai ốc trượt có những đặc điểm: [2] Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn

Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn

Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn

Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính

Kết cấu vít me – đai ốc trượt:

Dạng ren: Vít me thường có 2 dạng ren chủ yếu là

Ren có hình dạng thang với góc 30 độ, mang lại lợi ích như gia công đơn giản thông qua phay hoặc mài Sử dụng đai ốc bổ đôi giúp việc đóng mở ren trở nên dễ dàng hơn.

Ren có hình dạng vuông chỉ dùng ở những máy cắt ren chính xác và máy tiện hớt lưng.[2]

Vít me nên được chế tạo với hai cổ trục giống nhau để có thể đảo ngược sau thời gian sử dụng, giúp bề mặt làm việc mòn đều ở cả hai bên Ổ đỡ vít me đảm bảo cho trục chuyển động với độ lệch hướng trục và độ hướng kính nhỏ Đai ốc vít me liền được sử dụng trong các cơ cấu có chế độ làm việc ít và không yêu cầu độ chính xác cao, cho phép có độ hở giữa các ren nhất định Ưu điểm của đai ốc liền là thiết kế đơn giản, chi phí thấp và khả năng tự hãm ở mức độ nhất định.

Đai ốc 2 nửa được sử dụng để lắp ráp và tháo rời đai ốc khỏi vít me trong quá trình tiện vít me trên máy tiện vạn năng Để giảm thiểu độ biến dạng của vít me, có thể áp dụng một số phương pháp hiệu quả.

Nâng cao cứng vững của gối đỡ bằng cách dùng bạc với tỷ lệ l/d lớn (với l là chiều dài và d là đường kính trong của gối đỡ)

Không bố trí vít me ở ngoài thân máy mà bố trí phía trong máy nhằm giảm momen lật của bàn máy

Dùng gối đỡ treo phụ cho những vít me quá dài và nặng

3.5.1 Cơ cấu vít me đai ốc bi

Hình 3 10 Vít me đai ốc bi [13]

Cơ cấu vít me đai ốc bi có những đặc điểm sau : [2]

Tổn thất ma sát ít nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90 – 95 %

Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở nhựng vận tốc nhỏ

Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao

Vít me đai ốc bi được ưa chuộng trong các máy móc yêu cầu truyền động thẳng chính xác, như máy khoan, doa tọa độ và máy điều khiển chương trình số Cấu trúc của vít me đai ốc bi mang lại hiệu suất cao và độ chính xác trong quá trình vận hành.

Hình 3 11 Kết cấu vít me đai ốc bi [13]

Giữa các rãnh của đai ốc và vít me, những viên bi được đặt để chuyển đổi ma sát trượt thành ma sát lăn, giúp chúng di chuyển liên tục Máng nghiêng dẫn hướng viên bi từ rãnh cuối về rãnh đầu, tối ưu hóa quá trình chuyển động.

Rãnh của vít me và đai ốc bi được thiết kế dưới dạng cung nửa vòng tròn hoặc rãnh vòm Để điều chỉnh khe hở giữa vít me và đai ốc bi, người ta sử dụng đai ốc kép Sự kết hợp giữa các đai ốc này giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong quá trình vận hành.

Khi thực hiện việc đặt vòng căng 3, việc xiết chặt vít 4 sẽ khiến các rãnh của 2 đai ốc tiếp xúc chặt chẽ với bề mặt bi, giúp loại bỏ khe hở giữa vít me và đai ốc, đồng thời tạo ra lực căng ban đầu cần thiết.

Hình 3 12 Cơ cấu điều chỉnh khe hở vít me-đai ốc bi [13]

Truyền động đai

Bộ truyền đai là một trong những hệ thống truyền động cơ khí lâu đời nhất và vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay Có nhiều loại đai khác nhau như đai thang, đai dẹt, và đai răng, mỗi loại đều có ứng dụng riêng trong các ngành công nghiệp.

So với các bộ truyền khác bộ truyền đai có những ưu điểm như: [1]

Truyền động giữa các trục xa nhau

Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai do đó có thể truyền động với vận tốc cao

Tránh cho cơ cấu không có sự dao động nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải Kết cấu và vận hành đơn giản

Tuy nhiên nó cũng tồn tại những nhược điểm như:

Hiệu suất bộ truyền thấp

Tỷ số truyền thay đổi do sự trượt đàn hồi giữa bánh đai và đai

Kích thước bộ truyền lớn

Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu.

Bộ đếm encoder

Nguyên lý hoạt động của encoder dựa trên một đĩa tròn xoay quanh trục, trên đó có các lỗ (rãnh) Một đèn LED được sử dụng để chiếu sáng lên đĩa; khi đĩa quay, ánh sáng sẽ chỉ xuyên qua các lỗ, còn ở những chỗ không có lỗ, ánh sáng sẽ bị chặn lại Phía bên kia đĩa, một cảm biến thu nhận ánh sáng sẽ ghi nhận tín hiệu có hoặc không có ánh sáng chiếu qua, từ đó đếm số xung tương ứng với số lần ánh sáng bị cắt.

Encoder tạo ra tín hiệu xung vuông, được hình thành từ ánh sáng xuyên qua lỗ Tần số của tín hiệu đầu ra phụ thuộc vào tốc độ quay của tấm tròn.

Thuật toán đo tốc độ động cơ [5]

Do Psoc có đủ các module : Timer 16, couter 8, LCD nên ta chỉ cần lấy các modul đó ra sử dụng

Thuật toán đơn giản mà được dùng rất phổ biến là ngắt thời gian để đếm xung từ encoder cụ thể như sau :

Tạo một module thời gian với timer 16 có thời gian 0.01 giây, kết hợp với module Counter 8 để đếm xung từ 0 đến 255 Module này sẽ đếm tuần tự từ 0 đến 255 và khi đạt đến 255, nó sẽ bắt đầu lại chu kỳ mới.

Sử dụng ngắt timer 16 cho phép chương trình thực hiện ngắt mỗi 0.01 giây Trong hàm ngắt, chúng ta xử lý dữ liệu từ số xung của encoder gửi về vi điều khiển.

Couter chỉ có khả năng đếm từ 0 đến 255, điều này dẫn đến việc nếu trong 0.01 giây mà số xung vượt quá 255, chúng ta cần sử dụng hai giá trị đếm: giá trị đếm mới (newcount) và giá trị đếm cũ (oldcount) để đảm bảo tính chính xác trong việc ghi nhận số liệu.

* Giá trị đếm cũ = Giá trị đếm mới:

* Khởi tạo cho newcount = 255 – giá trị xung đếm

* Nếu mà giá trị oldcount > newcount thì giá trị xung cuối cùng là : count = 255 + newcount – oldcount

* Nếu mà giá trị oldcount < newcount thì giá trị đếm cuối cùng là :count = newcount – oldcount.

Biến tần

Biến tần là thiết bị chuyển đổi điện áp hoặc dòng điện xoay chiều từ tần số này sang tần số khác ở đầu ra.

Bộ biến tần là thiết bị quan trọng trong việc điều khiển vận tốc của động cơ xoay chiều thông qua phương pháp điều khiển tần số, cho phép thay đổi tần số nguồn điện thành tần số biến thiên.

Sơ đồ mạch bên trong của biến tần [4]

Biến tần hoạt động bằng cách chỉnh lưu và lọc nguồn điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha thành nguồn điện một chiều phẳng thông qua bộ chỉnh lưu cầu diode và tụ điện Nhờ đó, hệ số công suất cosphi của biến tần đạt ít nhất 0.96 và không phụ thuộc vào tải Điện áp một chiều này sau đó được biến đổi thành điện áp xoay chiều 3 pha đối xứng thông qua công nghệ IGBT và phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) Với sự phát triển của công nghệ vi xử lý và bán dẫn, tần số chuyển mạch xung có thể đạt đến dải tần số siêu âm, giúp giảm tiếng ồn cho động cơ và tổn thất trên lõi sắt.

Hệ thống điện áp xoay chiều 3 pha cho phép điều chỉnh biên độ và tần số một cách linh hoạt qua bộ điều khiển Theo lý thuyết, có một mối quan hệ nhất định giữa tần số và điện áp tùy thuộc vào chế độ điều khiển Đối với tải có mô men không đổi, tỉ số điện áp - tần số giữ nguyên Tuy nhiên, với tải bơm và quạt, mối quan hệ này là hàm bậc 4, trong đó điện áp là hàm bậc 4 của tần số Điều này dẫn đến đặc tính mô men là hàm bậc hai của tốc độ, phù hợp với yêu cầu của tải bơm/quạt, do mô men cũng là hàm bậc hai của điện áp.

Hiệu suất chuyển đổi nguồn của bộ biến tần rất cao nhờ vào việc sử dụng linh kiện bán dẫn công suất hiện đại Điều này giúp năng lượng tiêu thụ gần như tương đương với năng lượng mà hệ thống yêu cầu.

Biến tần hiện đại đã tích hợp nhiều kiểu điều khiển đa dạng, phù hợp với hầu hết các loại phụ tải Chúng cũng bao gồm bộ PID và tương thích với nhiều chuẩn truyền thông, giúp tối ưu hóa việc điều khiển và giám sát trong hệ thống SCADA.

Lợi ích của việc sử dụng biến tần: [5]

Một trong những lợi ích đáng kể của bộ biến tần là tiết kiệm điện năng, nhờ vào hiệu suất chuyển đổi nguồn cao từ các linh kiện bán dẫn công suất hiện đại Năng lượng tiêu thụ gần như tương đương với năng lượng yêu cầu của hệ thống Theo các tính toán thực tế, đối với động cơ sơ cấp khoảng 100 kW, thời gian hoàn vốn đầu tư cho bộ biến tần chỉ từ 3 đến 6 tháng Hiện nay, nhiều xí nghiệp tại Việt Nam đã áp dụng công nghệ này và ghi nhận kết quả tích cực.

Các bộ biến tần hiện nay được xem là giải pháp tiêu chuẩn cho hệ truyền động của bơm và quạt, nhờ vào khả năng tiết kiệm năng lượng và nâng cao tính năng điều khiển hệ thống.

Với công nghệ điều khiển hiện đại và tính năng kỹ thuật cao, các bộ biến tần đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà đầu tư trong nước, khu vực và toàn cầu nhờ khả năng tối ưu hóa năng lượng.

Các loại tải nên sử dụng biến tần để tiết kiệm điện:

Phụ tải có mô men thay đổi như điều hòa trung tâm, bơm cấp nước và bơm quạt mát thường gặp tình trạng động cơ chạy non tải Khi không thể thay thế động cơ, việc lắp thêm biến tần là giải pháp hiệu quả Hệ truyền động biến tần - động cơ đặc biệt cho phép điều chỉnh tốc độ động cơ một cách linh hoạt thông qua việc thay đổi tần số, mang lại khả năng điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng theo nhu cầu sử dụng.

Sử dụng bộ biến tần bán dẫn mang lại nhiều tính năng thông minh và linh hoạt, bao gồm tự động nhận dạng động cơ, điều khiển qua mạng, và khả năng thiết lập 16 cấp tốc độ Nó giúp khống chế dòng khởi động, đảm bảo quá trình khởi động êm ái và nâng cao độ bền của kết cấu cơ khí Hơn nữa, bộ biến tần này còn giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì, tiết kiệm không gian lắp đặt, cũng như cung cấp các chế độ tiết kiệm năng lượng hiệu quả.

Rơle

Rơle là thiết bị tự động có chức năng khởi động hoặc điều khiển các quá trình bằng cách nhận tín hiệu đầu vào với công suất nhỏ Đặc điểm nổi bật của rơle là khi nhận tín hiệu nhỏ, nó sẽ tạo ra tín hiệu ra lớn hơn và duy trì ở một giá trị cố định.

Rơle thường gồm những bộ phận chính như sau : [4]

Cơ cấu thu : dùng để tiếp nhận tín hiệu vào và biến đổi nó thành một đại lượng vật lý cần thiết và để role hoạt động;

Cơ cấu trung gian : dùng để so sánh với mẫu những đai lượng đã được biến đổi, rồi truyền tín hiệu đến cơ cấu chấp hành;

Cơ cấu chấp hành : phát tín hiệu cho mạch điều khiển

Các đặc tính của role bao gồm các tham số quan trọng, trong đó đặc tính 'vào-ra' thể hiện mối liên hệ giữa đại lượng vào và đại lượng ra Mối liên hệ này được coi là đặc tính cơ bản của role.

Rơle có nhiều loại khác nhau và cũng có thể phân loại theo những nguyên tắc khác nhau

Rơle được phân thành hai loại chính dựa trên mục đích sử dụng: Rơle bảo vệ và Rơle điều khiển Rơle bảo vệ có chức năng bảo vệ các mạch điện khỏi những tác động bất thường như sụt áp và quá tải, trong khi Rơle điều khiển được sử dụng để kết nối các mạch điện, đảm bảo sự liên tục trong quá trình điều khiển.

Dựa vào dạng năng lượng tác động, các role phổ biến trong mạch điện của máy công tác được phân thành hai nhóm chính.

Rơle điện : gồm có role điện từ, role điện từ phân cực, role thời gian, role động cơ, role điện tử, role cảm ứng.[4]

Rơle phi điện : gồm có role nhiệt, role vận tốc.[4]

Dưới đây ta xét một số loai role thường dùng trong máy công tác , bao gồm cả role điều khiển và role bảo vệ

Rơle điện từ hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, trong đó phần nhận tín hiệu là nam châm điện, tạo ra lực hút cho phần ứng, từ đó đóng các tiếp điểm và phát tín hiệu ra ngoài.

Rơle điện từ là thiết bị đơn giản nhưng có lực hút mạnh mẽ, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Có hai loại rơle điện từ: một chiều và xoay chiều, với công suất ra từ vài watt đến hàng ngàn watt Thời gian tác động của rơle này dao động từ 1 đến 100ms.

Bao gồm các bộ phận chính sau:

Lõi thép tĩnh được gắn cố định với thân của rơle điện từ, thường là một khối thép hình trụ tròn đối với các rơle cỡ nhỏ, lồng qua cuộn dây.

Lá thép động được trang bị tiếp điểm động, và khi cuộn hút không có điện, lá thép động sẽ được lò xo hồi vị tách xa khỏi lõi thép tĩnh.

Cuộn dây điện từ (cuộn hút) được lồng vào lõi thép tĩnh có thể làm việc với dòng điện một chiều hoặc xoay chiều.[5]

1- Lò xo; 2- Tiếp điểm; 3- Lõi thép động; 4- Lõi thép tĩnh; 5- Cuộn hút

Khi cuộn hút chưa được cấp điện, lá thép động chỉ chịu lực kéo từ lò so, khiến tiếp điểm động tiếp xúc với tiếp điểm tĩnh phía trên ở trạng thái đóng, trong khi cặp tiếp điểm phía dưới ở trạng thái mở Khi điện được cấp cho cuộn hút, từ thông sinh ra sẽ tạo ra hai cực từ trái dấu, làm cho lõi thép động bị hút về phía lõi thép tĩnh Mô men lực hút này thắng lực kéo của lò so, dẫn đến việc lõi thép động bị hút chặt vào lõi thép tĩnh, làm cho cặp tiếp điểm phía trên mở và cặp phía dưới đóng Như vậy, việc đóng cắt điện cho cuộn hút cho phép thay đổi trạng thái của nhiều tiếp điểm.

Khái quát và công dụng :

Rơle thời gian là thiết bị có chức năng duy trì thời gian cần thiết khi truyền tín hiệu giữa các thiết bị khác nhau.

Có nhiều nguyên tắc tạo trễ trong rơle thời gian:

- Tạo trễ bằng cơ khí

- Tạo trễ điện tử (sử dụng dòng điện cảm ứng tạo thời gian trễ)

- Tạo trễ bằng cơ cấu thủy lực (sử dụng piston thủy lực tạo áp suất phản kháng khi tác động)

- Tạo trễ bằng mạch điện tử

Rơle thời gian bao gồm các thành phần chính như mạch từ của nam châm điện, bộ định thời gian được chế tạo từ linh kiện điện tử, hệ thống tiếp điểm chịu dòng điện nhỏ (5A) và vỏ bảo vệ cho các chân ra tiếp điểm.

Tùy theo yêu cầu sử dụng khi lắp ráp hệ thống mạch điều khiển truyền động, ta có hai loại rơle thời gian: ON DELAY, OFF DELAY

Khi cấp nguồn cho cuộn dây của rơle thời gian ON DELAY, các tiếp điểm tác động không thay đổi trạng thái ngay lập tức, mà có thời gian chuyển đổi không đổi Sau khoảng thời gian đã được định trước, các tiếp điểm này sẽ chuyển sang trạng thái mới và duy trì trạng thái đó.

Khi ngưng cấp nguồn vào cuộn dây, tất cả các tiếp điểm tức thời trở về trạng thái ban đầu

Khi cấp nguồn vào cuộn dây của rơle thời gian OFF DELAY, các tiếp điểm tác động tức thời và duy trì trạng thái này

Khi ngừng cung cấp nguồn cho cuộn dây, tất cả các tiếp điểm không có tính thời gian sẽ ngay lập tức trở về trạng thái ban đầu Sau một khoảng thời gian đã được xác định trước, các tiếp điểm có tính thời gian sẽ dần dần chuyển về trạng thái ban đầu.

Rơle nhiệt là thiết bị điện quan trọng giúp bảo vệ động cơ và mạch điện khỏi tình trạng quá tải Với quán tính nhiệt lớn, rơle nhiệt không phản ứng ngay lập tức với dòng điện mà cần một khoảng thời gian để phát nóng, thường kéo dài từ vài giây đến vài phút.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Phần tử phát nóng 1 được kết nối với mạch động lực thông qua vít 2 và phiến lưỡng kim 3 Vít 6 trên giá nhựa cách điện 5 điều chỉnh mức độ uốn cong của phiến 3 Giá 5 xoay quanh trục 4, và độ cong của phiến lưỡng kim phụ thuộc vào dòng điện chạy qua phần tử phát nóng Khi phiến cong, nó tác động lên vít 6, xoay giá 5 để mở ngàm đòn bẩy 9 Lò xo 8 sẽ đẩy đòn bẩy 9 quay ngược chiều kim đồng hồ, mở tiếp điểm động 11 khỏi tiếp điểm tĩnh 12 Nút nhấn 10 có chức năng reset rơle nhiệt về vị trí ban đầu khi phiến lưỡng kim nguội.

Hình 3 17 Cấu tạo rơle nhiệt

Công-tắc-tơ

Contactor là thiết bị điện có chức năng đóng ngắt tiếp điểm, cho phép điều khiển mạch điện từ xa với tải có điện áp lên tới 500V và dòng điện tối đa 780A.

Cấu tạo: Contactor được cấu tạo gồm các thành phần: nam châm điện, hệ thống dập hồ quang, hệ thông tiếp điểm (tiếp điểm chính, tiếp điểm phụ) [4]

Nam châm điện bao gồm bốn thành phần chính: cuộn dây tạo ra lực hút, lõi sắt, và lò xo giúp đẩy nắp trở về vị trí ban đầu.

Hệ thống dập hồ quang:

Khi chuyển mạch, hồ quang điện sẽ xuất hiện làm các tiếp điểm bị cháy và mòn dần, vì vậy cần hệ thống dập hồ quang.[5]

Hệ thống tiếp điểm của contactor trong tủ điện kết nối với lõi từ di động thông qua bộ phận liên động cơ Các tiếp điểm được phân loại thành hai loại dựa trên khả năng tải dẫn của chúng.

Tiếp điểm chính có khả năng dẫn dòng điện lớn, từ 10A đến hàng nghìn A, ví dụ như 1600A hoặc 2250A Đây là tiếp điểm thường hở, sẽ đóng lại khi nguồn điện được cấp vào mạch từ của contactor trong tủ điện, khiến mạch từ hút lại.

Tiếp điểm phụ: Có khả năng cho dòng điện đi qua các tiếp điểm nhỏ hơn 5A Tiếp điểm phụ có hai trạng thái: Thường đóng và thường hở [5]

Tiếp điểm thường đóng là loại tiếp điểm giữ trạng thái đóng khi cuộn dây nam châm trong contactor không được cấp điện Khi contactor hoạt động, tiếp điểm này sẽ mở ra, trong khi đó tiếp điểm thường hở sẽ có trạng thái ngược lại.

Hệ thống tiếp điểm chính của tủ điện điều khiển thường được lắp đặt trong mạch điện động lực, trong khi các tiếp điểm phụ được sử dụng trong hệ thống mạch điều khiển của Contactor.

Nguyên lý hoạt động của Contactor bắt đầu khi nguồn điện được cấp vào cuộn dây quấn trên lõi từ cố định, tạo ra lực từ hút lõi từ di động, hình thành mạch từ kín và khiến Contactor hoạt động Lúc này, cơ chế liên động giữa lõi từ di động và hệ thống tiếp điểm làm cho tiếp điểm chính đóng lại và tiếp điểm phụ chuyển đổi trạng thái, duy trì tình trạng này Khi ngừng cung cấp nguồn cho cuộn dây, Contactor trở về trạng thái nghỉ và các tiếp điểm quay lại trạng thái ban đầu.

Công tắc hành trình

Công tắc hành trình là thiết bị dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động, có cấu tạo tương tự như công tắc điện thông thường nhưng được trang bị thêm cần tác động Cần này cho phép các bộ phận chuyển động dễ dàng tác động vào, làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong Một điểm khác biệt quan trọng là công tắc hành trình thường không duy trì trạng thái, tức là khi không còn tác động, nó sẽ trở về vị trí ban đầu Trên cần tác động thường có gắn một bánh xe để giảm mài mòn và tăng cường khả năng dẫn động.

Một số loại công tắc hành trình

Hình 3 19 Công tắc hành trình [5]

Biến trở công nghiệp

Biến trở là một loại điện trở có khả năng điều chỉnh giá trị, thường được sử dụng trong các ứng dụng điện tử Các loại biến trở phổ biến bao gồm 1K Ohm, 10K Ohm và 100K Ohm.

Biến trở thường có 3 chân 1,2,3 như hình vẽ sau:

Hình 3 21 Cấu tạo biến trở [5]

Phần màu vàng trên biến trở đóng vai trò là lớp điện trở, trong khi cây kim màu xanh được đặt chặt xuống lớp này Khi dòng điện chạy từ 1 đến 3, nó sẽ đi qua phần màu vàng (được tô đỏ), đây chính là điện trở hiện tại Việc điều chỉnh cây kim sẽ làm thay đổi độ dài của vùng màu đỏ, từ đó tăng hoặc giảm giá trị điện trở.

Nút nhấn

Khí cụ này được sử dụng để điều khiển từ xa việc đóng ngắt các thiết bị điện, thường được lắp đặt trên bảng điều khiển, tủ điện hoặc hộp nút nhấn Khi thực hiện thao tác, cần phải dứt khoát để đảm bảo việc mở hoặc đóng mạch điện diễn ra an toàn và hiệu quả.

Nút nhấn bao gồm hệ thống lò xo, các tiếp điểm thường hở và đóng, cùng với vỏ bảo vệ Khi được tác động, các tiếp điểm sẽ chuyển trạng thái, và khi không có tác động, chúng sẽ trở về trạng thái ban đầu.

Hình 3 22 Cấu tạo nút nhấn [4]

Theo chức năng trạng thái hoạt đỗng của nút nhấn: nút nhấn đơn, nút nhấn kép

Theo hình dạng: loại hở, bảo vệ, loại bảo vệ chống nước và chống bụi, loại bảo vệ khỏi nổ

Theo yêu cầu điều khiển: 1 nút, 2 nút, 3 nút

Theo kết cấu bên trong: có và ko có đèn báo

Kết luận

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản về các thành phần trong kết cấu máy, tạo nền tảng cho việc lựa chọn và thiết kế máy sau này.

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

Yêu cầu của đề tài

Máy quấn dây diamond tự động được phát triển để chuyển đổi dây từ cuộn lớn sang cuộn nhỏ, thay thế phương pháp thủ công Sau khi hoàn thành quá trình quấn, sản phẩm có thể được sử dụng ngay mà không cần phải chạy không một lượt để máy wire saw quấn lại như hiện nay.

Với việc xác định nhiệm vụ chính của máy, nhóm đã đưa ra những yêu cầu kỹ thuật cho máy như sau :

- Máy quấn dây diamond tự động

- Sử dụng mạng lưới điện 220V-AC

- Máy hoạt động liên tục >8h/1 ngày

- Chiếm không gian làm việc S < 1.5 m 2

- Dễ sử dụng, an toàn khi thao tác

- Tốc độ quấn của pulley 200-250 v/ph

Các phương án thiết kế kết cấu máy

Hình 4 1 Mô hình máy quấn dây phương án 1

Hoạt động của cuộn cấp dây thẳng đứng được hỗ trợ bởi ổ đỡ và vòng đệm chữ C Máy sử dụng động cơ AC 3 pha để truyền động, giúp thanh vít me trượt tịnh tiến Đồng thời, động cơ bước được gắn trên vít me và truyền động qua dây đai Dây được dẫn hướng từ cuộn lớn qua ba cặp thanh dẫn và puly đến cuộn cần quấn.

Hình 4 2 Mô hình máy quấn dây phương án 2

Hoạt động của cuộn cấp dây nằm ngang được hỗ trợ bởi hai bát bắt ổ đỡ và vòng đệm chữ C, giúp cuộn dây quấn đều và tải trọng phân bố đồng đều trên bàn Máy sử dụng một động cơ bước để truyền chuyển động cho thanh vít me, kết hợp với một động cơ AC 3 pha truyền động qua dây đai răng Quá trình quấn dây vào cuộn dây được thực hiện nhờ ba cặp thanh dẫn hướng.

So sánh ưu nhược điểm của hai phương án:

Phương án 1 Phương án 2 Ưu điểm Ưu điểm

- Kết cấu cơ khí đơn giản

- Dễ tháo lắp và sửa chữa.

- Khó tháo lắp cuộn cấp dây

Phải chế tạo puly nghiêng Khó chế tạo hơn

- Tốn chi phí làm lõi ở cuộn cấp dây lớn

- Không có cơ cấu căng dây

- Thiếu hệ thống ngắt tự động khi quấn đủ số vòng dây

Lựa chọn phương án

Phương án 2 đã được chọn và thiết kế trong đồ án của chúng em, nhằm khắc phục những nhược điểm của phương án 1, theo bảng so sánh đã nêu.

Trình tự thực hiện

- Tính toán thiết kế khung máy

- Tính toán lựa chọn động cơ AC và động cơ bước

- Tính toán thiết kế truyền động vít me – đai ốc trượt

- Tính toán thiết kế truyền động đai cho puly răng

- Thiết kế, gia công các chi tiết máy

- Lựa chọn, thiết kế mạch điện

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ, ĐIỆN

Mô hình máy quấn dây phương án 2

Tính toán, thiết kế khung máy

Hình 5 1 Khung máy quấn dây tự động

TÊN: KHUNG-MÁY Beam Bodies:

Reference Formulation Properties Document Path/Date

Section Standard-isoA/L Angle (equal)/40x40x3

0.000234863m^2 Length:130.455mm Volume:3.12832e-005m^3 Mass Density:8000kg/m^3 Mass:0.250266kg Weight:2.4526N

C:\Users\Tung\Deskto p\aaaaaaaaaaaa\KHUNG-MÁY.SLDPRT Jul 22 09:17:31 2017

Section Standard- isoA/Tube (square)/40 x

0.000371551m^2 Length:430mm Volume:0.000159767m^3 Mass Density:8000kg/m^3 Mass:1.27814kg Weight:12.5257N

C:\Users\tung\Desktop\ aaaaaaaaaaaa\KHUNG -MÁY.SLDPRT Jul 22 09:17:31 2017

Section Standard- iso/rectangular tube/50 x

C:\Users\Tung\Deskto p\aaaaaaaaaaaa\KHUN G-MÁY.SLDPRT Jul 22 09:17:31 2017

0.000371551m^2 Length:230mm Volume:8.54568e-005m^3 Mass Density:8000kg/m^3 Mass:0.683655kg Weight:6.69982N

0.000234863m^2 Length:130.455mm Volume:3.12825e-005m^3 Mass Density:8000kg/m^3 Mass:0.25026kg Weight:2.45255N

Fixture name Fixture Image Fixture Details

Entities: 6 Joint(s) Type: Fixed Geometry

Load name Load Image Load Details

Name Type Min Max ứng suất kéo Trục dọc và uốn cong

Chuyển vị Kết quả chuyển vị 0.000e+000mm

Hệ số an toàn Tự động 1.029e+003

KHUNG-MÁY-Hệ số an toàn

Vậy lựa chọn thép hộp 40x40x2.6mm

Thanh dẫn hướng

Thanh dẫn hướng cú đường kớnh ỉ 10mm , chiều dài của thanh là 350mm

Hình 5 2 Bản vẽ thanh dẫn hướng

Puly làm bằng nhựa mica có đường kính 20mm Bề rộng rãnh 7mm

Hai thanh dẫn chế tạo bằng thép Ct3

Cơ cấu căng dây bao gồm ba puly được sắp xếp thẳng hàng với chiều cao của các thanh dẫn khác nhau Hệ thống này giúp nắn thẳng dây kim cương, đồng thời đảm bảo quá trình quấn dây chính xác, giảm thiểu sai lệch.

Cơ cấu truyền động

Cơ cấu của hệ thống bao gồm hai động cơ: một động cơ bước và một động cơ AC ba pha Mục tiêu chính của bộ truyền động là tăng tốc độ quấn dây và đảm bảo quá trình rải dây diễn ra đều đặn.

Cơ cấu rải dây

Nguyên lý hoạt động của động cơ bước là khi hoàn thành một vòng quấn, trục vít me sẽ tịnh tiến qua lại để rải dây Sau khi hoàn tất một lớp dây quấn, động cơ rải dây sẽ đảo chiều để bắt đầu lớp dây quấn tiếp theo.

Tính toán và lựa chọn động cơ AC

Các thông số cho trước

- Tốc độ quấn của pulley gắn với cuộn dây quấn : n = 250 vòng/phút

- Đường kính lõi của cuộn cần quấn : Dlõi = 63 mm

- Chiều rộng khuôn quấn : B = 90 mm

- Dây kim cương có đường kính 0,02 mm

- Khối lượng cuộn dây quấn: 3 Kg

Chọn công suất động cơ điện

Ta chọn loại động cơ điện làm việc ở chế độ dài hạn với phụ tãi không đổi

Công thức tính moment xoắn :

T = m.a.r (5.1) Với m : khối lượng của vật (kg) a : gia tốc (m/s 2 ) r : cánh tay đòn (m)

Vì tốc độ động cơ lớn nên ta sử dụng động cơ có giảm tốc xuống 3 lần để có tốc độ 250 vòng/phút

Tốc độ trục động cơ chưa qua giảm tốc là : ndc = 250 x 3 = 750 (vòng/phút) a = 𝑚 1

𝑚 1 +𝑚 (5.2) với m1 : khối lượng của cuộn quấn m : tổng khối lượng của pulley

Thay các giá trị vào công thức (5.1) ⇨ T = 3 x 0,6 x 0,105 = 0,2 N.m

Tính công suất dùng công thức

59 Ƞ : Hiệu suất truyền động Ƞ = ( ƞd.ƞol ) 2 = ( 0,95.0,995 ) 2 = 0,8935 Tính công suất động cơ cần thiết theo công thức

Vậy ta chọn công suất động cơ AC : Ndc = 0,25 kw ( 0.25 HP) , ndc = 680 vòng/phút Động cơ có giảm tốc 3 lần ndau ra = 680

Tính toán chọn động cơ bước

Để chọn động cơ bước phù hợp, cần xem xét các yếu tố như momen tải quy đổi, momen quán tính và số vòng quay tối đa Để đơn giản hóa quá trình tính toán, bạn có thể sử dụng công cụ tính toán động cơ bước có sẵn trên trang orientalmotor.com.

Hình 5 3 Thông số tính toán động cơ Trong đó :

Total mass of load and table: khối lượng của bàn máy và phôi, m = 20 kg

Friction coefficent of guide: hệ số ma sát của thiết bị dẫn hướng Dianmetter: đường kính của trục vít D = 20 mm

Total length: tổng chiều dài của trục vít, L = 300 mm

Efficient: hiệu suất, đối với vít me trượt có hiệu suất là 70 %

Material : vật liệu là thép không gỉ

Safety factor: hệ số an toàn

Mechanism angle: góc nghiêng của cơ cấu

Hình 5 4 Kết quả tính toán động cơ

Như vậy ta có các thông số cần thiết:

Momen quán tính: Jl = 4,4615.10 -6 (kg.cm 2 )

Nrate > Nmax: tốc độ định mức của động cơ lớn hơn tốc độ yêu cầu cầu vít me

Trate >T: momen định mức động cơ lớn hơn momen cần thiết

𝐽 𝑚 ≥ 2: trong đó Jm là momen quán tính định mức của động cơ

Dựa trên các tiêu chí như giá cả và độ chính xác của động cơ, chúng tôi đã chọn động cơ bước mã 42H47HM - 0504A – 18 kết hợp với mạch driver A4988 Động cơ này đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật cần thiết.

Momen quán tính: Jm = 72.10 -4 (g.cm 2 )

Thông số kích thước của motor :

Hình 5 5 Bản vẽ động cơ bước

Tính toán thiết kế trục vít me

Hình 5 7 Bộ truyền vít me trượt

- Chiều dài vít me L = 300 mm

- Bước vít me tv = 3mm

- Tần số cực đại cấp cho cuộn pha : fs = 3000 Hz = 3000xung/s

- Độ dịch chuyển – góc bước ( step angle ) : S = 0,9 0

- Tốc độ quay nhỏ nhất nmin = 1 vòng/phút

Tính tốc độ bước của động cơ theo đơn vị ( bước/vòng )

Tính tốc độ góc quay động cơ theo tần số cấp xung ( vòng/phút ) nmax = w = 𝑓.𝑆.60

360 f : tần số xung cấp cực đại cho pha, xung/s

S : bước góc, tính bằng độ

360 = hệ số chuyển đổi (360s /phút )

60s = hệ số chuyển đổi ( 60s /phút )

Tốc độ chuyển động thẳng lớn nhất ( tốc độ rải dây cực đại )

Vt = tv.wt = 3.450 = 1350mm/phút = 22.5 mm/s

Xác định đường kính bộ truyền

22.5 = 13.3 mm Để dễ dàng cho lắp ráp và chế tạo ta chọn do = 20mm

Tính toán và thiết kế bộ truyền đai răng

Đai răng là loại đai dẹt hình vòng kín, có răng ở mặt trong, giúp ăn khớp với bánh đai để truyền động hiệu quả Bộ truyền đai răng có khả năng truyền công suất lớn với tốc độ cao, êm ái, không trượt và đạt hiệu suất cao mà không cần lực căng ban đầu lớn Đai răng thường được chế tạo từ cao su pha nhựa natrit hoặc cao su Polyuretan, với lớp chịu tải chủ yếu là dây thép, sợi thủy tinh hoặc sợi poliamit.

Do lựa chọn động cơ bước đã được lắp cố định pully MXL nên ta chọn loại đai răng MXL

Xác định môdun theo công thức sau : m= 35√ 𝑝 1

P1 – công suất trên bánh đai chủ động,kW n1 – số vòng quay của bánh đai chủ động,vòng/phút

Với P1 = 𝑛 𝑑𝑐 ƞ ; ƞ = ƞol ; n1 = ndc = 680 vòng/phút

Tra bảng trị số hiệu suất của các loại bộ truyền và ổ, tài liệu [1]

Bảng 5 1 Trị số hiệu suất của các loại bộ truyền và ổ [1]

Ta được Ƞol = 0,995 là hiệu suất bộ truyền ổ

Trị số của m lấy theo tiêu chuẩn ( bảng chiều rộng đai răng b, tài liệu [1]) : chọn m=2 mm

Bảng 5 2 Chiều rộng đai răng b [1]

Xác định chiều rộng đai b b= ψd.m (5.4) Trong đó ψd = 6……9 Ta chọn ψd = 8 ⇨ b = 8.2 = 16 mm

Tỉ số truyền chung xác định theo công thức u chung = 𝑛 𝑑𝑐

Xác định số răng của bánh đai

Số răng Z1 của bánh đai nhỏ được chọn theo bảng 4.29 (Z≥12) nhằm bảo đảm tuổi thọ của đai.Chọn Z1 = 16, vì u = 2,72 nên Z2 = u.Z1 = 44

Xác định sơ bộ khoảng cách trục a a min ≤a≤a max amin = 0.5m(Z1 + Z2 ) +2m = 0.5 x 2 x (16+44) + 2 x 2 = 64 mm amax = 2m(Z1 + Z2 ) = 2 x 2 x (16+44) = 240 mm

Xác định đường kính ngoài của bánh đai

Bánh đai dẫn da1 = m.Z1 - 2𝛿 = 2.16 – 2.0,6 = 30 mm da2 = m.Z2 - 2𝛿 = 2.44 – 2.0,6 = 86 mm

Trong đó 𝛿 = 0,6 mm – khoảng cách từ đáy răng đến đường trung bình của lớp chịu tải ( tra bảng các thông số của đai răng,trang 68,[1])

Bảng 5 3 Các thông số của đai răng [1]

Tính toán thiết kế phần điện

Hệ thống điện là yếu tố thiết yếu để đảm bảo hoạt động liên tục của máy móc Nó cung cấp nguồn điện và điều khiển các thiết bị như động cơ bước, trục vít me, động cơ AC 3 pha và puly, đã được trình bày chi tiết trong chương hai và chương ba.

Khối nguồn Phần điều khiển

Các cơ cấu chấp hành

5.10.1 Sơ đồ khối điều khiển

5.10.2 Nguyên lý hoạt động tủ điện điều khiển

A NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CHUNG

Người vận hành kéo dây từ roller xả vào roller cuốn qua các pulley chỉnh hướng

Cài đặt các thông số như:

- Số vòng dây cần quấn tùy theo kích thước roller quấn

- Chọn chế độ Auto hay Manual

- Bấm nút Start để chạy chương trình

Encoder ENR01 được sử dụng để đếm số vòng quay, từ đó tính toán số vòng dây đã quấn và xác định tốc độ quấn dây Đồng thời, công tắc hành trình LTS01 và LTS02 đảm bảo rằng thiết bị SM01 không vượt quá lộ trình quy định.

Máy hoạt động sẽ hiển thị tín hiệu với đèn xanh, trong khi đèn vàng kèm theo còi hú ngắt quãng báo hiệu quá trình hoàn thành Nếu gặp sự cố, đèn đỏ sẽ sáng kèm theo còi hú liên tục.

B NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC THIẾT BỊ CHÍNH

THIẾT BỊ ĐẶC TÍNH SỐ

LƯỢNG CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

- Phụ thuộc vào số vòng dây cần quấn và thời gian quấn dây để điều khiển tốc độ motor WM01

- Chạy theo biến tần INV01, tốc độ phụ thuộc vào số vòng dây cần quấn và thời gian quấn dây

- Chạy cưỡng bức theo yêu cầu của người vận hành

- Nhấn nút Run motor chạy

THIẾT BỊ ĐẶC TÍNH SỐ

LƯỢNG CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH

Nhấn nút Stop motor dừng

01 Điều khiển stepping Motor SM01

+ Chạy liên động với WM01

- Khi WM01 chạy nhanh SM01 chạy nhanh

- Khi WM01 chạy chậm SM01 chạy chậm + Chạy theo công tắc hành trình

- Khi chạm vào công tắc hành trình LTS01 và LTS02 thì quay theo hướng ngược lại

- Chạy cưỡng bức phụ thuộc vào hai công tắc hành trình LTS01 và LTS02

3 CẢM BIẾN ĐẾM SỐ VÒNG

ENR01 24 VDC 01 Tín hiệu encoder đưa về để đếm số vòng quay của roller quấn dây

LTS01 24 VDC 01 Tín hiệu cảm biến đưa về để đảm bảo motor rải dây SM01 không chạy quá lộ trình

LTS02 24 VDC 01 Tín hiệu cảm biến đưa về để đảm bảo motor rải dây SM01 không chạy quá lộ trình

Driver là bộ phận thiết yếu trong việc điều khiển động cơ bước, đóng vai trò như mạch phân phối xung, cung cấp điện năng cần thiết để động cơ bước hoạt động hiệu quả.

Có 2 loại driver được sử dụng khá nhiều hiện nay là driver A4988 và DRV8825

Hình 5 8 Driver A4988 Hình 5 9 Driver DRV8825 Ở đồ án này, quyết định sử dụng driver A4988 do driver này phổ biến và giá thành rẻ hơn

Driver A4988 có giải điện áp hoạt động từ 8 V – 35 V

Nhiệt độ tối đa 150 0 C Điện thế điều khiển 3.3 V - 5 V

Dòng trung bình (RMS): 1 A, dòng đỉnh: 2 A Độ phân giải khác nhau: đủ bước, nửa bước, 1/4, 1/8, 1/16

Driver A4988 cho phép lựa chọn chế độ vi bước thông qua ba chân MS1, MS2 và MS3 Bằng cách kết nối các chân MS với VCC theo các cách khác nhau, người dùng có thể điều chỉnh và kiểm soát các chế độ vi bước khác nhau.

5.10.3 Sơ đồ mạch điện điều khiển

Mô hình thực nghiệm

Hình 5 11 Mô hình thực tế

- Mua các bộ phận cơ khí không gia công như : puly răng, dây đai, 3 puly, vít me, bulong ở chợ Tạ Uyên

- Mua thép tấm Ct3 để gia công bàn máy và các chi tiết khác như thanh dẫn hướng, bát bắt puly, bắt đỡ cuộn quấn

- Đi chợ nhật tảo mua biến tần, động cơ bước và driver, công tắc hành trình, biến trở, role điện từ để lắp ráp phần điện

 Chọn phương án 2 là để cuộn dây nằm ngang để chế tạo

 Gia công và lắp ráp các chi tiết phần cơ khí hoàn chỉnh

 Lắp ráp và hoàn chỉnh thiết kế phần tủ điện

 Chạy thử và kiểm nghiệm độ an toàn của máy

- Cơ cấu quấn dây cho năng suất 8 phút/ 1 cuộn dây

- Các lớp dây được rải đều và được quấn chắc không rối đạt tính thẩm mỹ cao

- Các cạnh bàn máy được bo có góc lượn không gây nguy hiểm cho công nhân khi vận hành máy

Định dạng
Số trang	107
Dung lượng	4,95 MB