Chương 2: Tính toán, thiết kế thiết bị cắt laser

Chia sẻ: Mạc Văn Giang | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:48

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung tài liệu trình bày tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí; Thiết cơ cơ cấu truyền động của thiết bị cắt laser. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung tài liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Chương 2: Tính toán, thiết kế thiết bị cắt laser

Chương 2. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ THIẾT BỊ CẮT LASER 2.1. Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí 2.1.1. Tính toán, thiết kế khung a. Sơ đồ kết cấu máy Từ nguyên lý làm việc của máy cắt laser, xây dựng được sơ đồ lắp như sau: Hình 2.1. Sơ đồ lắp của máy cắt laser b. Chọn kết cấu khung Yêu cầu đối với khung của máy cắt laser phải đảm bảo độ cứng vững cao để lắp các thiết bị trực tiếp trên khung máy, đảm bảo độ chính xác tương quan hình học, tính thẩm mỹ, thuận lợi cho quá trình chế tạo và cuối cùng là đáp ứng được yêu cầu làm việc và đảm bảo các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Các thông số thiết kế của máy bao gồm phần cơ và điện: TT Thông số yêu cầu Giá trị 1 Bước sóng điện từ 445nm 2 Công suất bóng laser 50W 3 Vùng nhiệt độ hoạt động 4 Biến đổi dạng số sang dạng tương tự TTL hoặc analog 5 Điện áp đầu vào 6 Điện áp đầu ra đến 5V 7 Khoảng cách hội tụ Điều chỉnh 8 Chiều sâu khắc 17mm 1
TT Thông số yêu cầu Giá trị 9 Tốc độ khắc 400mm 10 Phạm vi làm việc 600mmx400mmx250mm 11 Tốc độ di chuyển các trục tối đa 0.45m/s 12 Số vòng quay tối đa trên động cơ bước 3000v/p 13 Khối lượng máy tối đa 35.5Kg Lựa chọn phương án kết cấu khung: Khung là kết cấu chịu tải trọng chính cho toàn bộ thiết bị tuy nhiên với máy cắt laser tải trọng trên máy nhỏ, do đó có thế lựa chọn một trong hai phương án thiết kế sau: Phương án 1: Lựa chọn khung thép định hình + Ưu điểm: Thuận lợi cho quá trình gia công kết cấu, phôi có độ chính xác cao, nhẹ. + Nhược điểm: Giá thành phôi cao hơn thép Hình 2.2. Thiết kế sơ bộ mô hình 3D của khung nhôm định hình Phương án 2: Lựa chọn khung thép dập tấm + Ưu điểm: Đảm bảo tính thẩm mỹ vì thuận lợi cho quá trình sơn tĩnh điện và dập liền tấm tạo điều kiện cho việc lắp ráp các phụ kiện trên máy và bảo vệ các thiết bị + Nhược điểm: Không thuận lợi cho việc chế tạo đơn chiếc, loạt nhỏ vì phải gia công khuôn dập, sấn, dẫn tới giá thành tăng cao hơn xo với phương án 1. 2
Căn cứ vào ưu nhược điểm trên, lựa chọn phương án thiết kế kết cấu khung nhôm định hình. Hình 2.3. Thiết kế sơ bộ mô hình 3D của khung thép dập tấm Lựa chọn kích thước kết cấu: Theo tiêu chuẩn, chọn loại thép định hình có ký hiệu: Với phạm vi làm việc của máy là: 600mmx400mmx250mm, đồng thời để lắp ráp các phụ kiện trên máy lựa chọn kích thước khung theo hình vẽ sau: I 425 9 87 I 27 105 TL10:1 20 575 20 294 294 105 643 775 Hình 2.3. Kích thước kết cấu khung nhôm định hình 3
c. Kiểm nghiệm bền cho khung Kích thước, kết cấu khung phải đảm bảo độ bền, độ cứng trong quá trình làm việc, đo đó phải kiểm nghiệm bền Với hệ thanh siêu tĩnh bậc 3 việc tính toán theo phương pháp truyền thống gặp nhiều khó khăn do đó sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn(FEM) để tính toán Xác định tải trọng tác dụng lên khung: + Tải trọng do ngoại lực là trọng lượng của các kết cấu lắp: 245(N) (21) + Tải trọng do trọng lượng bản thân khung + Bỏ qua tải trọng dao động (giá trị nhỏ) do các động cơ bước trong quá trình làm việc sinh ra Tạo các đối tượng hình học (Part or Assembly) Thiết lập môi trường (Simulation/Static) Xác định các thuộc tính vật liệu (Specify materials properties) Chia lưới (Create the mesh) Xác định điều kiện biên vật lý (Define physics boundary conditions) Chạy mô phỏng (Run simulation) Truy xuất kết quả (Postprocess results) Đặc tính vật liệu vật liệu hợp kim nhôm 6063(T5), Hình 2.4. Đặc tính vật liệu nhôm 6063 Kết quả tính toán mô hình được chia thành 218476 phần tử tứ giác với 352911 đỉnh 4
Hình 2.5. Chia lưới mô hình Hình 2.6. Kết quả phân tích ứng suất 5
Hình 2.7. Kết quả phân tích chuyển vị Nhận xét: Ứng suất phát sinh lớn nhất tại vị trí đầu trục x phía không có thanh phụ với giá trị . Kết luận khung đảm bảo điều kiện bền Chuyển vị lớn nhất tại vị trí giữa x phía với giá trị . Kết luận khung đảm bảo điều kiện cứng Kết lận chung khung đã thiết kế đảm bảo các yêu cầu về độ bền. 2.1.2. Thiết cơ cơ cấu truyền động a. Phân tích lựa chọn cơ cấu truyền động Đai dẹt: Ưu điểm: giá thành thấp, chế tạo bánh đai dơn giản, nhược điểm hệ số trượt lớn,nhanh mòn, hệ số kéo nhỏ. Đai thang: Ưu điểm: Hệ số kéo lớn hơn đai rẹt vì mặt làm việc là hai mặt bên, nhược điểm độ chính xác động học không cao, nhanh mòn Đai răng: Ưu điểm: Quá trình làm việc dựa trên nguyên lý ăn khớp của các răng do đó hệ số kéo lớn, độ bền mòn và độ chính xác động học lớn hơn xo với đai dẹt và đai thang. 6
Vít me đai ốc: Ưu điểm: Độ bền lớn, độ chính xác động học tương đối cao(1/100mm), làm việc ổn định, khả năng chịu nén của vít me tốt, giá thành hợp lý, nhược điểm khả năng chịu uốn kém nếu vít me dài Vít me đai ốc bi: Ưu điểm: Độ bền lớn, độ chính xác động học cao(1/1000mm), làm việc ổn định, nhược điểm giá thành đắt. Qua phân tích ở trên và căn cứ vào yêu cầu thực tế về độ chính xác của sản phẩm được gia công trên máy cắt laser, chọn cơ cấu truyền động cho các trục x và y là là bộ truyền đai, cơ cấu truyền động cho trục z là bộ truyền vít me đai ốc. b. Thiết kế bộ truyền đai răng trục x: Sơ đồ tính toán Trôc x Puly ®ai n D©y ®ai f Q=m.g MÆt dÉn h í ng Bé phËn chuyÓn ®éng L Hình 2.8. Sơ đồ thiết kế bộ truyền đai Thông số thiết kế ban đầu: + Vận tốc di chuyển tối đa của các trục x là V=0.45m/s + Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng: u=1 + Số vòng quay tối đa của động cơ bước: n=3000v/p + Khối lượng bộ phận chuyển động: m=3.8kg + Hệ số ma sát trượt giữa hợp kim đồng với hợp kim nhôm: f=0.18 + Tải trọng ổn định (), động cơ đảo chiều Tính toán công suất làm việc của động cơ: 7
Trong đó: + công suất công tác: + Hiệu suất chung của toàn hệ thống: Công suất động làm việc của động cơ là: Chọn động cơ bước: SUMTOR 57HS5630A4 3A1.2Nm56mm Mô đun của bộ truyền đai răng ( theo 4.28Hệ dẫn động cơ khí tập 1) chọn m=4 Chiều rộng dây đai: chọn B=25mm Theo bảng ( theo 4.27Hệ dẫn động cơ khí tập 1) bước của đai: Theo bảng (theo 4.29Hệ dẫn động cơ khí tập 1): Số răng bánh đai chủ động: ; số răng bánh đai bị động: Theo yêu cầu kỹ thuật phạm vi làm việc: 600mm và theo kết cấu khung: Khoảng cách trục sơ bộ Tính sơ bộ số răng của dây đai ( theo 4.28Hệ dẫn động cơ khí tập 1) Vì do đó: Theo tiêu chuẩn chọn: Tính lại khoảng cách trục được: a=622.3mm Bảng các thông số thiết kế bộ truyền đai: TT Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị 1 Loại dây đai 270H075 1 Chiều rộng dây đai B 25mm 2 Số răng dây đai 114 răng 3 Số răng bánh đai chủ động 14 răng 4 Số răng bánh đai bị động 14 răng 5 Bước răng 12. 7 6 Khoảng cách trục a 622.3mm 7 Công suất truyền động 3.02W 8 Số vòng quay tối đa n 3000v/p Nhập các thông số thiết kế lên bộ truyền 8
+ Các thông số hình học(Design) Hình 2.9. Thông số chiều rộng đai và số răng dây đai Hình 2.10. Thông số của bánh đai chủ động 9
Hình 2.11. Thông số của bánh đai bị động Hình 2.12. Kiểm nghiệm bền Kết luận: Bộ truyền đảm bảo độ bền 10
Thông số động lực học của bộ truyền: TT Thông số Ký Giá trị hiệu 1 Mô men xoắn T 0.01N.m 2 Lực kéo của bộ truyền 74.093N 3 Lực ly tâm 73.794N 4 Vận tốc dài v 17.780m/p Hình 2.13. Mô hình cơ bản của bộ truyền Kết quả tính toán: c. Thiết kế bộ truyền đai răng trục y: Sơ đồ tính toán 11
Trôc y Puly ®ai D©y ®ai Q MÆt dÉn h í ng Bé phËn chuyÓn ®éng L Hình 2.14. Sơ đồ thiết kế bộ truyền đai Thông số thiết kế ban đầu: + Vận tốc di chuyển tối đa của các trục y là V=0.5m/s + Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng: u=1 + Số vòng quay tối đa của động cơ bước: n=3000v/p + Khối lượng bộ phận chuyển động: m=5.6kg + Hệ số ma sát trượt giữa hợp kim đồng với hợp kim nhôm: f=0.18 + Tải trọng ổn định (), động cơ đảo chiều Tính toán công suất làm việc của động cơ: Trong đó: + công suất công tác: + Hiệu suất chung của toàn hệ thống: Công suất động làm việc của động cơ là: Chọn động cơ bước: SUMTOR 57HS5630A4 3A1.2Nm56mm Mô đun của bộ truyền đai răng ( theo 4.28Hệ dẫn động cơ khí tập 1) chọn m=4 Chiều rộng dây đai: chọn B=25mm Theo bảng ( theo 4.27Hệ dẫn động cơ khí tập 1) bước của đai: 12
Theo bảng (theo 4.29Hệ dẫn động cơ khí tập 1): Số răng bánh đai chủ động: ; số răng bánh đai bị động: Theo yêu cầu kỹ thuật phạm vi làm việc: 400mm và theo kết cấu khung: Khoảng cách trục sơ bộ Tính sơ bộ số răng của dây đai ( theo 4.28Hệ dẫn động cơ khí tập 1) Vì do đó: Theo tiêu chuẩn chọn: Tính lại khoảng cách trục được: a=546.1mm Bảng các thông số thiết kế bộ truyền đai: TT Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị 1 Loại dây đai 270H075 1 Chiều rộng dây đai B 25mm 2 Số răng dây đai 114 răng 3 Số răng bánh đai chủ động 14 răng 4 Số răng bánh đai bị động 14 răng 5 Bước răng 12.7 6 Khoảng cách trục a 546.1mm 7 Công suất truyền động 2.83W 8 Số vòng quay tối đa n 3000v/p Nhập các thông số thiết kế lên bộ truyền + Các thông số hình học(Design) 13
Hình 2.15. Thông số chiều rộng đai và số răng dây đai 14
Hình 2.16. Thông số của bánh đai chủ động 15
Hình 2.17. Thông số của bánh đai bị động Hình 2.18. Kiểm nghiệm bền Nhận xét: Bộ truyền đảm bảo độ bền Thông số động lực học của bộ truyền: TT Thông số Ký Giá trị hiệu 1 Mô men xoắn T 0.009N.m 2 Lực kéo của bộ truyền 74.085N 3 Lực ly tâm 73.974N 4 Vận tốc dài v 17.780m/p 16
Hình 2.19. Mô hình cơ bản của bộ truyền trục y Với kết quả thiết kế như trên, cuối cùng đưa ra được mô hình kết cấu tổng thể của hệ thống truyền động và tổng thể toàn bộ sản phẩm máy cắt laser như sau: Hình 2.20. Kết cấu hệ dẫn động trục x và y d. Thiết kế bộ truyền trục z Mô hình tính toán 17
Hình 2.21. Mô hình tính toán bộ truyền đai trục z Thông số thiết kế ban đầu: + Vận tốc di chuyển tối đa của trục z là V=0.2m/s + Tỉ số truyền của bộ truyền đai răng: u=1 + Số vòng quay tối đa của động cơ bước: n=3000v/p + Khối lượng bộ phận chuyển động: m=9.4kg + Tải trọng ổn định (), động cơ đảo chiều Tính toán công suất làm việc của động cơ: Trong đó: + công suất công tác: + Hiệu suất chung của toàn hệ thống: Công suất động làm việc của động cơ là: 18
Chọn động cơ bước: SUMTOR 57HS5630A4 3A1.2Nm56mm Mô đun của bộ truyền đai răng ( theo 4.28Hệ dẫn động cơ khí tập 1) chọn m=7 Chiều rộng dây đai: chọn B=50.8mm Theo bảng ( theo 4.27Hệ dẫn động cơ khí tập 1) bước của đai: Theo bảng (theo 4.29Hệ dẫn động cơ khí tập 1): Số răng bánh đai chủ động: ; số răng bánh đai bị động: Theo yêu cầu kỹ thuật phạm vi làm việc: 250mm và theo kết cấu khung: Khoảng cách trục sơ bộ Tính sơ bộ số răng của dây đai ( theo 4.28Hệ dẫn động cơ khí tập 1) Vì do đó: Theo tiêu chuẩn chọn: Tính lại khoảng cách trục được: Bảng các thông số thiết kế bộ truyền đai: TT Thông số thiết kế Ký hiệu Giá trị 1 Loại dây đai 270H075 1 Chiều rộng dây đai B 50.8mm 2 Số răng dây đai 102 răng 3 Số răng bánh đai chủ động 28 răng 4 Số răng các bánh đai bị động 28 răng 5 Bước răng 21.99 Khoảng cách trục theo trục x 674.6mm 6 Khoảng cách trục theo trục y 290.5mm 7 Công suất truyền động 18.44W 8 Số vòng quay tối đa n 3000v/p Nhập các thông số thiết kế lên bộ truyền + Các thông số hình học(Design) 19
Hình 2.21. Thông số chiều rộng đai và số răng dây đai Hình 2.22. Thông số của bánh đai chủ động 20