Ở Một bài viết trước, chúng tôi đã nói đến phương pháp “tăng tốc độ quay của trục vít” để đáp ứng bài toán “muốn tăng tốc độ vận chuyển ngay lập tức” với thiết bị vận chuyển sử dụng trục vít me. Trong đó, chúng tôi cũng đã đề cập đến việc phải tính toán “tốc độ nguy hiểm” (tốc độ quay tới hạn) của trục vít me.

XT Mechanical Blog xin chào các bạn.

Trong bài hôm nay, chúng ta sẽ tìm hiểu bài toán “muốn thay đổi cách thức vận hành của thiết bị” (với bộ truyền động là động cơ servo) cùng những điểm cần lưu ý, xem xét và tính toán. Để rút ngắn nhịp điệu sản xuất mà không cần cải tiến lại thiết bị, chúng ta sẽ cần xem xét việc thay đổi cách thức vận hành của thiết bị. Trong trường hợp này, phụ tải động cơ cũng sẽ thay đổi theo. Cụ thể ở đây chúng ta cần phải tính tới đại lượng mô men xoắn tải hiệu dụng của động cơ.

Hình 1. Thiết bị vận chuyển với truyền động trục vít me.

[Hình 1] trên đây là hình ảnh của thiết bị vận chuyển mà chúng ta đã thiết kế xuyên suốt các bài. Trước đó động cơ trên trục X được chọn là loại 200W, tuy nhiên công suất này là khá lớn với bài toán được yêu cầu lần này, nên chúng tôi xin đổi thành loại động cơ 50W. Các thông số kĩ thuật của động cơ được cho trong [Bảng 1] dưới đây.

Bảng 1. Thông số kĩ thuật động cơ servo trục X

Công suất định mức	50	W
Tốc độ quay định mức	3000	min-1
Tốc độ quay cực đại	6000	min-1
Mô men xoắn định mức	0.159	N.m
Mô men xoắn cực đại	0.557	N.m
Mô men quán tính	0.0395	×10-4 kg.m2

Lần này, ta có một số thay đổi so với thiết bị ở những bài toán đầu, các điều kiện về vận chuyển vật cũng đã được thay đổi. Ta sẽ sử dụng thêm một băng chuyền nữa giống với băng chuyền đang sử dụng, theo đó số lượng vật được vận chuyển trên đơn vị thời gian sẽ tăng lên. (Phần băng chuyền màu cam được mô tả trên hình 1). Và để đáp ứng với việc tăng số lượng vật được cung cấp, ta sẽ cần cài đặt thêm một thiết bị vận chuyển nữa, tuy nhiên hiện tại điều này là không thể do có sự hạn chế về không gian bố trí thiết bị. Ngoài ra, ta cũng sẽ tạm không xét tới các biện pháp lâu dài trong trường hợp này. Cách giải quyết trước mắt chúng tôi đưa ra đó là thay đổi thời gian tăng tốc trên trục X từ 0.2 giây xuống còn 0.1 giây. Bằng cách này, có thể làm giảm được nhịp điệu sản xuất, nếu nói xuống còn một nửa thì có lẽ hơi quá, nhưng giảm xuống còn khoảng 60% là hoàn toàn có thể. Số lượng công việc được xử lý mỗi giờ sẽ tăng lên đến khoảng 1.5 lần. Với cách thay đổi này, biểu đồ thời gian cũng sẽ thay đổi theo. Vì thế, ta cần lập lại biểu đồ thời gian và thực hiện tính toán kiểm tra giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng. Trong bài viết này, chúng tôi xin tạm bỏ qua chi tiết bước lập lại biểu đồ thời gian, mà đi thẳng vào trình bày việc tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng.

MỤC LỤC 1. Định nghĩa mô men xoắn tải hiệu dụng 2. Những trường hợp cần phải tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng 3. Tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng. Thay đổi thời gian tăng tốc thì sẽ như thế nào? 4. Cách đọc các giá trị mô men xoắn định mức và cực đại trong catalog động cơ 5. Tổng kết

1. Định nghĩa mô men xoắn tải hiệu dụng

Với thiết bị máy tự động, thông thường cần thực hiện một chu kỳ vận hành xử lý cho mỗi sản phẩm. Thời gian vận hành cần thiết cho chu trình này được gọi là nhịp điệu sản xuất (Takt time). Trong chu kỳ vận hành, động cơ sẽ có lúc quay lúc dừng, hoặc là dù không quay nhưng vẫn sinh ra lực (mô men xoắn) để đỡ vật. Giá trị trung bình của các mô men xoắn mà động cơ tạo ra trong một chu kỳ vận hành được gọi là mô men xoắn tải hiệu dụng. Nếu giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng nhỏ hơn mô men xoắn định mức thì không có vấn đề gì, nhưng trong trường hợp ngược lại thì ta sẽ cần phải lựa chọn lại động cơ cho phù hợp. Ngoài ra, dù có ảnh hưởng từ độ chính xác tính toán, thì thông thường nếu mô men xoắn tải hiệu dụng vượt quá mô men xoắn định mức của động cơ, thì gần như chắc chắn sẽ có báo hiệu lỗi xảy ra và thiết bị sẽ bị dừng lại. Điều này sẽ gây ảnh hướng lớn đến kế hoạch sản xuất, vì vậy cần đặc biệt lưu ý khi tính toán thiết kế.

2. Những trường hợp cần tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng

Việc tính toán giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng mất khá nhiều thời gian nên chúng tôi sẽ không trình bày tất cả các bài toán, mà chỉ tập trung vào một số trường hợp cần lưu ý. Nếu sử dụng những động cơ có công suất lớn hơn hẳn thì đương nhiên không cần tính toán làm gì, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Do đó, với những trường hợp được liệt kê dưới đây, chúng tôi khuyên các bạn nhất định phải tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng.

①  Mô men xoắn tải lớn hơn hoặc bằng 80% mô men xoắn định mức.

② Mô men xoắn tăng tốc lớn hơn hoặc bằng 100% mô men xoắn định mức.

③ Số lần tăng / giảm tốc nhiều.

Nếu gặp phải chỉ cần một trong 3 trường hợp trên thì hãy kiểm tra tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng. Còn nếu gặp tới 2 trong 3 trường hợp, thì khả năng cao là máy sẽ báo lỗi và dừng lại.

3. Tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng

Công thức tính mô men xoắn tải hiệu dụng được cho như sau:

Trong đó, τ – mô men xoắn (N.m), t – thời gian của mỗi giai đoạn (s).

Như vậy, ta có giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng là căn bậc hai của bình quân của bình phương các giá trị mô men xoắn theo từng giai đoạn vận hành của động cơ trong một nhịp điệu sản xuất.

Chúng ta cũng xem một ví dụ đơn giản sau đây.

Hình 2. Biểu đồ thời gian vận hành của động cơ.

[Hình 2] ở trên là biểu đồ thời gian vận hành của động cơ, với thời gian tăng / giảm tốc là 0.2 giây, tốc độ chuyển động 250 mm/s, quãng đường chuyển động 140 mm. Trong trường hợp chuyển động theo phương ngang, động cơ tạo ra mô men xoắn lớn khi tăng / giảm tốc độ. Còn trong khi chuyển động với tốc độ không đổi, gia tốc bằng 0, nên ma sát tác dụng lên thiết bị (có dùng thanh dẫn hướng) là nhỏ, vì thế mô men xoắn (mô men xoắn tải) hầu như không có. Ta sẽ thực hiện tính giá trị mô men xoắn tăng / giảm tốc trong hai giai đoạn tăng tốc và giảm tốc. Chúng ta áp dụng công thức đã được giới thiệu trong bài số 5 “lựa chọn động cơ servo trong thiết kế máy”. Ở bài số 5 dùng là động cơ 200W, tuy nhiên lần này ta dùng động cơ 50W nên chúng ta sẽ tính lại một lần nữa. Vì chỉ có động cơ là thay đổi nên những chỗ có sự thay đổi so với nội dung trong bài số 5 sẽ được chúng tôi bôi đỏ trong công thức dưới đây.

Ta có phần thay đổi chỉ có mô men quán tính của động cơ.

Vì mô men xoắn định mức của động cơ là 0.159 (N.m) nên kết quả thu được ở trên bằng khoảng 55% giá trị mô men xoắn định mức. Với kết quả này tuy rằng không cần thiết phải tính mô men xoắn tải hiệu dụng nhưng để kiểm nghiệm trình tự tính toán ta vẫn sẽ tiếp tục thực hiện tính.

Áp dụng vào công thức tính mô men xoắn tải hiệu dụng ở trên, ta có:

Bạn có thể thấy rằng kết quả trên khá nhỏ so với giá trị mô men xoắn định mức. Trên thực tế, chúng ta sẽ tính toán cho một chu kỳ vận hành, nên cần kiểm tra các giai đoạn chuyển động từ biểu đồ thời gian, và tính tổng cho các giá trị trên một chu kỳ.

Thay đổi thời gian tăng tốc thì sẽ như thế nào?

Bây giờ, chúng ta hãy xét trường hợp khi cho thời gian tăng tốc giảm xuống còn 0.1 giây.

Chúng ta sẽ xét bài toán thiết bị bị dừng lại hoặc thời gian chuyển động với tốc độ không đổi trong một chu kỳ bị rút ngắn trong cách thức vận hành mà có sự thay đổi lớn về mô men xoắn tải hiệu dụng. Khi đó, ta sẽ có điều kiện là quãng đường vận chuyển là ngắn nhất, tức là vật phải được đặt trên băng chuyền ở vị trí gần thiết bị nhất.

Ta sẽ đi tính mô men xoắn tải hiệu dụng lúc này.

Hình 3. Vận hành với quãng đường vận chuyển ngắn nhất.

Quãng đường vận chuyển trong trường hợp này là 400st. Các bạn vui lòng tham khảo bài viết số 7 “Phương pháp viết biểu đồ thời gian trong thiết kế máy” để biết quãng đường vận chuyển.

Xem xét toàn bộ thiết bị ta thấy, trước và sau khi vận chuyển còn bao gồm các thao tác gắp / thả vật. Quá trình gắp / thả vật là giống nhau, nên ta chỉ xét chu kỳ vận hành cần tính mô men xoắn tải hiệu dụng như sau:

Quá trình gắp (Hạ xuống – Gắp vật – Nâng lên) + Vận chuyển (trên trục X)

Ở bước này, hãy nhớ phải xem lại biểu đồ thời gian để xác định chu kỳ của động cơ (trục) cần xét.

Vì quá trình gắp không thay đổi, ta có thể thấy từ biểu đồ thời gian trong [Hình 4] dưới đây rằng quá trình gắp mất 2.5 giây. Vì thời gian tăng / giảm tốc có sự thay đổi nên hãy tính lại thời gian vận chuyển.

Hình 4. Xác định quá trình chuyển động trên biểu đồ thời gian.

*Biểu đồ thời gian trên được lấy từ bài viết số 7.

Biểu đồ thời gian chuyển động với thời gian tăng tốc, tốc độ chuyển động, quãng đường chuyển động được mô tả trong [Hình 5] dưới đây.

Hình 5. Biểu đồ thời gian chuyển động.

Từ đây, ta có thời gian một chu kỳ chuyển động trên trục X là:

Thời gian một chu kỳ = 1.7 + 2.5 = 4.2 (giây)

Mô men xoắn tăng tốc lớn gấp đôi so với khi thời gian tăng / giảm tốc còn là 0.2 giây, nên ta có:

Mô men xoắn tăng tốc (giảm tốc) = 0.087 × 2 = 0.174 (N.m)

Kết quả này vượt quá giá trị mô men xoắn định mức của động cơ (0.159 N.m), nên rơi vào trường hợp ② được nêu ra ở mục 2 phía trên.

Sau khi đã thu thập đủ dữ liệu tính toán, áp dụng vào công thức ở phần trên ta có giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng bằng:

Kết quả thu được là nhỏ so với giá trị mô men xoắn định mức nên trong trường hợp này không có vấn đề gì đáng lo ngại.

Như vậy, dù đây là trường hợp bắt buộc phải tính toán kiểm tra giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng, nhưng nếu xét tới cả các điều kiện khác, kết quả có được cũng có thể là chấp nhận được.

Ở bài toán vừa rồi, thời gian quá trình gắp là khá dài nên mô men tăng tốc sẽ lớn, nhưng thời gian nghỉ cũng dài, nên cho ra kết quả tốt. Nhưng cũng sẽ có những trường hợp cho ra kết quả xấu. Chẳng hạn như, nếu vận chuyển theo phương thẳng đứng với cùng các điều kiện như bài toán trên, thì thành phần thứ tư ở tử số trong công thức căn bậc hai sẽ không còn bằng 0 nữa, do đó giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng sẽ thay đổi khá nhiều.

Vì thế, với các trường hợp đã được chúng tôi lưu ý ở trên, các bạn nhớ nhất định phải tính toán kiểm tra lại giá trị mô men xoắn tải hiệu dụng.

4. Cách đọc các giá trị mô men xoắn định mức và cực đại trong catalog động cơ

[Hình 6] cho thấy biểu đồ đặc tính mô men xoắn của động cơ servo.

Hình 6. Biểu đồ đặc tính mô-men xoắn của động cơ servo

Trong chế độ hoạt động bình thường, động cơ quay ở dải tốc độ không lớn hơn tốc độ định mức. Ở dải tốc độ này, mô men xoắn định mức và mô men xoắn cực đại là không đổi. Ở dải tốc độ vượt quá tốc độ định mức, Có thể vận hành đến tốc độ quay cực đại nhưng mô men xoắn sẽ giảm. Về cơ bản, giá trị mô men xoắn ở tốc độ quay cực đại không được nhà sản xuất tiết lộ. Nói cách khác: "Động cơ có thể quay trên tốc độ định mức, nhưng đừng vận hành ở chế độ này quá nhiều". Về nguyên tắc trong thiết kế, tốc độ quay phải nằm trong dải dưới tốc độ định mức. Tiếp theo ta xem xét tới đại lượng mô men xoắn. Đối với mô men xoắn, hãy nhìn vào trục tung, vùng giữa mô men xoắn định mức và mô men xoắn cực đại là "vùng hoạt động trong thời gian ngắn hạn". Nói một cách định tính thì ở vùng này động cơ quay trong thời gian ngắn thì được, nhưng không quay trong thời gian quá lâu. Ở bài toán hiện tại, mô men xoắn tăng tốc đã vượt quá mô men xoắn định mức. Trong trường hợp này, động cơ hoạt động trong vùng hoạt động ngắn hạn. Tuy nhiên, mô men xoắn tải hiệu dụng thấp hơn mô men xoắn định mức do động cơ có thời gian nghỉ dài (thời gian chờ kẹp). Về cơ bản, điều chúng ta mong muốn là mô men xoắn tăng tốc cũng thấp hơn mô men xoắn định mức. Tuy nhiên khi không còn cách nào khác mà mô men xoắn tăng tốc lớn hơn mô men xoắn định mức thì chỉ nên xem xét sử dụng động cơ ở vùng hoạt động ngắn hạn.

5. Tổng kết

Từ những mục đã đề cập ở trên, nếu tải của động cơ hoặc nhịp điệu sản xuất của thiết bị thay đổi do sự thay đổi trong nhu cầu sản xuất thì cần lưu ý những điểm sau:

• • Tốc độ động cơ có ở dưới tốc độ định mức không? (Được xác định bằng các điều kiện cơ học chẳng hạn như bước ren của vít me)
  • Mô men xoắn tải có nhỏ hơn 80% mô men xoắn định mức không?
  • Mô men xoắn tăng tốc có nhỏ hơn 100% mô men xoắn định mức không?
  • Xác nhận thời gian hoạt động trong một chu kì của động cơ thông qua biểu đồ thời gian?
  • Nếu 2 và 3 không thỏa mãn, hoặc trường hợp có nhiều lần tăng / giảm tốc trong một chu kì, hãy tính mô men xoắn tải hiệu dụng và kiểm tra xem nó có nhỏ hơn mô men xoắn định mức hay không?

Trong thiết kế, có thể mất rất nhiều thời gian để tính toán mô men xoắn tải hiệu dụng, đọc và tạo biểu đồ thời gian. Tuy nhiên chúng ta không thể tránh hoặc bỏ qua những khâu quan trọng như thế này nên hãy cố gắng hết sức mình. Ở bài viết tiếp theo, chúng ta sẽ cùng xem xét đến thiết bị vận chuyển sử dụng dây đai răng và các vấn đề liên quan khi sử dụng nó, các bạn hãy cùng chờ đón nhé. Mọi phản hồi xin để lại ở phần bình luận bên dưới bài viết, xin hẹn gặp lại các bạn ở những bài viết tiếp theo.

Tác giả: Đinh Văn Hòa

Nguồn: https://jp.meviy.misumi-ec.com/info/ja/archives/28448/