Lựa Chọn Vít Me Trong Thiết Kế Máy (phần 2)

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.

Tác giả: Đinh Văn Hòa

Nguồn: https://jp.meviy.misumi-ec.com/info/ja/archives/11487/