Tài liệu thuyết minh đồ án dẫn hướng CNC pptx

Trong sản xuất hàng loạt và hàng khối từ lâu người ta đã áp dụngphương pháp gia công tự động với việc tự động hóa quá trình điều khiển bằng các vấu tỳ,bằng mẫu chép hình, bằng cam trên t

PHẦN I – GIỚI THIỆU CHUNG

1- TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ (MÁY CNC)

1.1 - Giới thiệu chung về máy công cụ CNC

Ở các máy cắt thông thường, việc điều khiển các chuyển động cũng như thay đổi vậntốc của các bộ phận máy đều phải thực hiện bằng tay,thời gian phụ thường khá lớn Do đókhông thể nâng cao năng suất lao động Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự độnghóa quá trình điều khiển Trong sản xuất hàng loạt và hàng khối từ lâu người ta đã áp dụngphương pháp gia công tự động với việc tự động hóa quá trình điều khiển bằng các vấu tỳ,bằng mẫu chép hình, bằng cam trên trục phân phối…Đặc điểm của các loại máy này là rútngắn được thời gian phụ , nhưng thời gian chuẩn bị sản xuất khá dài , chỉ phù hợp với sảnxuất khối lượng lớn, không phù hợp với sản xuất lượng nhỏ và mặt hàng thay đổi thườngxuyên Yêu cầu tìm ra một phương pháp điều khiển mới được đặt ra

Với sự ra đời của phương pháp điều khiển theo chương trình số đã giải quyết được vấn

đề này Đặc điểm quan trọng của việc tự động hóa quá trình gia công trên các máy công cụđiều khiển bằng chương trình số (máy NC và máy CNC) là đảm bảo cho máy có tính vạnnăng cao Điều đó cho phép gia công nhều loại chi tiết, phù hợp với sản xuất loạt nhỏ vàloạt vừa (chế tạo trên 70% sản phẩm của ngành chế tạo máy)

Các máy công cụ điều khiển bằng chương trình số – máy NC (numerical control) là máyđược tự động điều khiển toàn bộ hoạt động hay một vài hoạt động, trong đó các hành độngđiều khiển được sản sinh trên cơ sở cung cấp dữ liệu dạng lệnh Các lệnh này hợp thànhchương trình làm việc, các lệnh này được ghi lên một cơ cấu mang chương trình ( băng đột

lỗ, băng từ hoặc bộ nhớ máy tính….) Các thế hệ đầu, máy NC sử dụng các cáp logic hệthống, Phương pháp điều khiển theo điểm hoặc đoạn thẳng, vì vậy mà cũng chỉ gia côngđược các chi tiết đơn giản như lỗ hay các đường thẳng song song với các chuyển đông màmáy có Các thế hệ sau, với sự phát triển của khoa học – kỹ thuật và công nghệ máy tính,công nghệ phần mềm , các máy NC đã được cài đặt các cụm vi tính , các bộ vi xử lý và việc

điều khiển lúc này là phần lớn hay hoàn toàn Phương pháp điều khiển theo đường biên, tức

là có mối qua hệ hàm số giữa các chuyển động theo các hướng tọa độ Các máy NC nàyđược gọi là máy CNC (computer numerical control)

Hiện nay các máy này đã đươc sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất, đặc biệt là ởcác nước có nền công phiệp phát triển

1.2 - Đặc trưng cơ bản của máy CNC

Tính năng tự động cao : máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thờigian phụ, do mức độ tự động được nâng lên vượt bậc Tùy từng mức độ tự động, máyCNC có thể thực hiện cùng lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thaydao, hiệu chỉnh sai số dụng cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự độnghiệu chỉnh sai lệc vị trí tương đối giữa đối tượng và chi tiết…

Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của máy có thể thay đổi dễ dàng, nhanhchóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn thời gian chuẩn bịsản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ Bất cứlúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết có chương trình, do đókhông cần sản xuất các chi tiết dự trữ mà chỉ cần lưu trữ chương trình của chi tiết đó.Máy CNC có thể gia công được các chi tiết nhỏ và vừa, có khả năng đáp ứng khicông nghệ thay đổi, và đặc biệt việc lập trình gia công cho máy không nhất thiết phảithực hiện trên máy mà có thể thực hiện trên các máy tính

Tính tập trung nguyên công cao: Đa số máy CNC có thể thực hiện phần lớn cácnguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chi tiết, vì thế các máyCNC có phát triển và phối hợp với nhau thành các trung tâm gia công CNC

Tính chính xác và đảm bảo chất lượng chi tiết cao: giảm được hư hỏng sai sót củacon người, có khả năng gia công hàng loạt với độ chính xác cao và lặp lại, đây là đặcđiểm ưu việt của máy CNC

Gia công các biên dạng phức tạp : Máy CNC có khả năng gia công nhanh và chínhxác cả những biên dạng phức tạp mà các máy công cụ thông thường không thể giacông được, ví dụ như là các bề mặt 3 chiều.

Tính hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao: có chế độ cắt được lựa chọn tối ưu cũng như làcác điều kiện của quá trình gia công như bôi trơn và làm mát… được tốt hơn hẳn sovới quá trình gia công trên máy thông thường nên tuổi thọ của dao tăng lên, tiết kiệmdụng cụ cắt, đồ gá, các phụ tùng các Giảm lượng phế phẩm và tiết kiệm người công,đồng thời giảm thời gian sản xuất, tăng thời gian sử dụng của máy…

Bên cạnh các ưu điểm trên, các máy CNC cũng có những hạn chế nhất định như chiphí ban đầu cho cho việc mua máy và lắp đặt rất lớn Hệ thống cơ khí và hệ thốngđiện cũng như các hệ thống các trên máy rất phức tạp, do đó quá trình bảo dưỡngkhó khăn và tốn kém Và sử dụng máy CNC để gia công các chi tiết đơn giản làmhiệu quả kinh tế thấp

1.3 Mô hình khái quát máy CNC

Máy gồm 2 phần chính: phần điều khiển và phần chấp hành:

1.3.1 : Phần điều khiển gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển

+ Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu (các lệnh) để điều khiển máy, được

mã hóa dưới dạng chữ cái , chữ số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, dấutrừ, Tập lệnh (chương trình) này được ghi lên các cơ cấu mang chương trình dướidạng mã như băng đục lỗ hay bộ nhớ máy tính…

+ Các cơ cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phépbiến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấuchấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của các cơ cấu chấp hành thông qua cáccảm biến…

Đây là thiết bị điện - điện tử rất phức tạp , đóng vai trò cốt yếu trong hệ thống điều khiểncủa máy NC

1.3.2 Phần chấp hành: Gồm các cơ cấu gia công kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề

tự động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn….Cũng như các máy cắt gọt kimloại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiêt Tùy theo khảnăng công nghệ của máy mà máy có thể có: thân máy, bàn máy, trục chính, ……các kết cấuđược thiết kế với các đặc điểm đáp ứng được yêu cầu trong quá trình điều khiển tự động củamáy, ví dụ như phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thảiphoi và bôi trơn…

1.4 – Các phương pháp điều khiển

Một số phương pháp điều khiển máy CNC hiện nay là:

Điều khiển điểm (điều khiển vị trí) : được dùng để gia công lỗ bằng các phương phápnhư khoan, khoét, doa…

Điều khiển đường : dùng trong các máy để gia công các chi tiết mà dụng cụ căt thựhiện lượng chay dao song song với 1 trục tọa độ của máy, thường áp dụng trên cácmáy phay, máy điện đơn giản.

Điều khiển theo đường viền: cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trụ 1 lúc, để cóthể gia công các chi tiết có biên dạng phúc tạp

Hình ảnh minh họa

Điều khiển đường

2 - GIỚI THIỆU VỀ MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC ( Computeriered Numberical Control)

Máy phay điều khiển số CNC hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong các phân xưởng

cơ khí chế tạo khuôn mẫu ở nước ta Các máy phay CNC được sử dụng đều được nhập khẩu

từ nước ngoài, do đó chủng loại và kiểu máy rất khác rất khác nhau tùy thuộc vào hãng sảnxuất Để mở rộng khả năng công nghệ thì trong thực tế hiện nay người ta thương kết hợpmáy phay CNC với mấy khoan để tạo thành trung tâm gia công CNC Các trung tâm giacông thường có 3 trục chuyển động của dao, để tăng khả năng gia công của máy đối với cácbiên dạng chi tiết phức tạp, máy có thể có 5 trục chuyển động chay dao và trang bị bàn máyquay

2.1- SƠ ĐỒ KẾT CẤU ĐỘNG HỌC CỦA MÁY PHAY CNC

Hình 1: kết cấu động học của máy phay đứng CNC

Hình 1 là kết cấu động học của máy phay đứng CNC, bao gồm ác bộ phận cơ bản sau: Cụmtrục chính, hệ thống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC

 Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt Trục chínhđược dẫn động bởi một động cơ servo trục chính (trục Z) điều khiển được , đượcđiều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, có khả năng cho ra tốc độ quay bấtkhì trong giới hạn thiết kế của máy Hệ thống truyền động và cụm trục chính đượctích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phụ vụ cho việc thay đổi rốc độ quay trongthời gian ngắn nhất Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm biến đo và phảnhồi về bộ điều khiển CNC Trên trục chính có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụng cụ tựđộng bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm tự động hóa hoàn toàn quá trình thay dao

động cơ servo trục Z thông qua bộ truyền vitmr đai ốc bi, được điều khiển và điềuchỉnh bởi bộ điều khiển CNC kín, có phản hồi.

 Hệ thống thay dao của máy phayCNC được tự động hóa hoàn toàn , thông thường

nó là các ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép Vị trí thay dao của cụm trục chính là

vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằm không xảy ra hiện tượng va đập với cácchi tiết và các bộ phận khác của máy trong quá trình thay dao Hiện nay, các nhà sảnxuất trung tâm gia công cơ khí CNC còn đưa ra một hệ thống thay dao đơn giản hơn

đó là ổ chứa dao tự hành, vừa có chức năng chứa dao, vừa có chức năng thay dao tựđộng

 Bàn máy của máy phay CNC thông thường có hai khả năng chuyển động theo 2 trục

X và Y , được dẫn động nhờ các động cơ servo, thông qua bộ truyền động vitme bi,được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởi bộ điều khiển CNC kín có phản hồi

 Bộ điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình điều khiển sốđược nạp vào bộ điều khiển , tiến hành xử lý thông tin và phát lệnh điều khiển các cơcấu chấp hành Các lệnh điều khiển được phân nhánh thành 2 lệnh hệ cơ bản đó là :

hệ lệnh đường đi và hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển quá trình thình thành hìnhdáng hình học của chi tiết

2.2 - CÁC CƠ CẤU ĐẶC TRƯNG CỦA MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN SỐ.

a, hệ thống kẹp và tháo dụng cụ tự động của máy phay CNC

Hệ thống kẹp và tháo dụng cụ của máy phay CNC được tích hợp trên trục chính với nguồnnăng lượng tháo dụng cụ là khí nén và khép chặt bằng hệ thống lò xo đĩa

Trình tự tháo lỏng dụng cụ được thực hiện như sau: khí nén đi vào phía trên xylanh đẩypiston chuyển động đi xuống , thông qua trục kẹp ép lò xo đĩa làm mỏ kẹp mở ra và đẩydụng cụ ra khỏi trục chính , đồng thời khí nén được thổi qua tâm trục kẹp làm sạch bề mặt

gá kẹp

Trình tự kẹp chặt dụng cụ được thực hiện như sau: dụng cụ được cài đặt đúng vị trí trongtrục chính, khí nén được đưa vào phía dưới của xylanh đẩy piston đi lên, hệ thống lò xo đĩađẩy trục kẹp đi lên, kéo hệ thống mỏ kẹp chuyển động đi theo lên trên, khi nó gặp gờ chặn

Sơ đồ hệ thống kẹp và tháo dụng cụ tự động

b/ Hệ thống đường dẫn hướng trong máy phay CNC

Trong các máy phay CNC đường dẫn hướng được ưu tiên sử dụng các cặp ma sát lăn đượcModun hóa và tiêu chuẩn hóa nhằm tăng khả năng dịch chỉnh nhỏ, chính xác, tránh đượchiện tượng trượt kiểu bước nhảy

c/ Hệ thống thay dao tự động của máy phay CNC

Trong các máy phay điều khiển số và các trung tâm gia công có khí hiện nay thì hệ thốngthay dao có hai dạng cơ bản là : ổ chứa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép và ổ chứa dao

tự hành

 Dạng thứ nhất: Hệ thống thay dao có ổ chứ dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép, khichương trình điều khiển số NC gọi một dụng cụ mới thì bộ điều khiển CNC điềukhiển ổ chứa dao quay , đưa dụng cụ được gọi vào vị trí sẵn sàng thay dao đồng thờiđiều khiển cụm trục chính chuyển động lùi về vị trí thay dao, tay kẹp dụng cụ quay

90o đồng thời kẹp cả hai dụng cụ trên trục chính và trên ổ chứa dao, quá trình tháo 2dao thực hiện bởi sự phối hợp của hệ thống tháo lỏng dụng cụ khi tay kẹp đi xuống,sau đó tay kẹp quay 180o đổi vị trí hai dụng cụ, rồi chuyển động đi lên đưa 2 dụng cụvào ổ trục chính và ổ chứa dao

 Dạng thứ hai: ổ chứa dao tự hành, khi chương trình điều khiển số gọi một dụng cụ thì

bộ điều khiển CNC điều khiển cụm trục chính chuyển động về mặt phẳng thay dao,đồng thời ở chứa dao chuyển động tịnh tiến hướng vào cụm trục chính kẹp dụng cụcần được thay trên trục chính Hệ

thống kẹp dụng cụ trong trục chính

được điều khiển tháo lỏng, trục chính

chuyển động đi lên tháo hoàn toàn

dụng cụ khỏi cụm trục chính Ổ chứa

dao quay, đưa dụng cụ được gọi bởi

chương trình NC vào vị trí thay dao

nằm dưới trục chính, khi đó trục chính

chuyển động đi xuống kẹp chặt dụng

cụ và ổ chứa dao tịnh tiến lùi về vị trí

ban đầu

 Hình ảnh minh họa :

d/ Hệ thống gá kẹp chi tiết gia công

Trên máy phay điều khiển só thông thường sử dụngcác thiết bị kẹp như :

+ Thiết bị kẹp cơ khí (gồm đòn kẹp, gối đỡ, bulông kẹp đầu chữ T)

+ Êtô : êtô kẹp bằng tay và êtô thủy lực có lực kẹp điều chỉnh được (có tự định tâm hoặc không tự định tâm)

+ Bàn Quay có 2 vị trí gá kẹp+ Gá kẹp modun

Trên các trung tâm gia công hiện đại kết hợp việc sửdụng rôbốt để tự động hóa các quá trình gá đặt, kẹpchặt cũng như tháo chi tiết sau khi gia công Điểmkhông của máy phay điều khiển số M thường đượccác nhà sản xuất đặt trước thông thường là điểm phíatrên, bên trái, khí trước của gá kẹp và là điểm cốđịnh Điểm không của chi tiết W thì do người dùng quy định , ưu tiên điểm phía trên, bêntrái , mặt trước của chi tiết

PHẦN II – THÔNG SỐ CHẾ ĐỘ CẮT THỬ NGHIỆM VÀ CÁC LỰA CHỌN SƠ BỘ

1 SỐ LIỆU CHO TRƯỚC

+ Loại máy CNC : máy phay

+ Chế độ cắt thử nghiệm: phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, D = 80mm, JIS, S45C, grade 4040,

v = 100 m/phút, t = 1,2 mm, F = 900 mm/phút

+ Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công : M = 300 kg

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1 = 18 m/phút = 0,3 m/s

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực : V2 = 15 m/phút = 0,25 m/s

+ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a = 0,4g m/s2 = 3.92 m/s2

+ Thời gian hoạt động : 05 đến 07 năm

+ Cho trước các kết cấu của các cụm bàn máy X, Y để gắn vitme bi và ray dẫn hướng:

http://www.mediafire.com/?bwfr2l5xel69kj5

+ Cho trước tài liệu hướng dẫn cuae hãng sản xuất vitme và ray dẫn hướng

+ Cho trước tài liệu của các hãng sản xuất động cơ

2 – TÍNH TOÁN LỰC CẮT ỨNG VƠI CHẾ ĐỘ CẮT THỬ NGHIỆM

 Tốc độ quay tối đa trong quá trình gia công của trục chính Z

1000 100 1000

3983,14 80

 Tính toán lực trên website http://www.coroguide.com được kết quả như sau:

Tính toán trên ta được MC = 83 (N.m)

 Các thành phần lực cắt khi gia công chi tiết ở chế độ phay mặt đầu:

a, Lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vitme

Các máy phay CNC có tốc độ quay của vitme không lớn hay tốc độ dịch chuyển của bànmáy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao khi giacông trên máy CNC thì hệ thống dẫn hướng yêu cầu độ chính xác cao Do đó lựa chọn kiểulắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động 2 bàn là kiểu lắp 1 đầ lắp chặt và 1 đầu di động (fix-support):

Với kiểu lắp ghép này, hai hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép f và  nhận các gia trị là :

Các công thức tính lực dọc trục:

 Khi tăng tốc về bên trái : F1   mg ma f  

 Khi chạy đều về bên trái : F2   mg  f

 Khi gia công về bên trái : F3  Fm   ( ma F  mz)  f

 Khi giảm tốc về bên trái : F4   mg ma   f

 Khi tăng tốc về bên phải : F5   mg ma f  

 Khi chạy đều về bên phải : F6   mg f 

 Khi gia công về bên phải : F7  Fm    ma F  mz  f

 Khi giảm tốc về bên phải : F8   mg ma f  

- m là tổng khối lượng ứng với mỗi bàn máy tác dụng lên vitme

c, lựa chọn tốc độ quaylớn nhất của động cơ dẫn động khi làm việc và bước vitme

- Tốc độ quay lớn nhất của động cơ khi làm việc: n = 2000 (vòng/phút)

- Bước vitme l được xác định theo công thức:

max

max

1000 18 1000

9 ( ) 2000

Chọn sơ bộ bước vitme l   10 ( mm )

II – TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CHO BÀN MÁY X

1 - Tính toán và lựa chọn vitme

1.1- Tính toán tải dọc trục

Khối lượng chi tiết gia công lớn nhất là M = 300 kg

Khối lượng bàn máy X (cho trước) MX = 140 kg

 Khối lượng tổng cộng ứng với bàn máy X : mX = M + MX = 300 + 140 = 440 kgThay số liệu vào các biểu thức tính toán lực dọc trục ta được bảng số liệu lực dọctrục tác dụng lên trục X

f s là hệ số bền tĩnh, với máy công cụ f s=1,5 ÷ 3 , chọn f s=2

f w là hệ số tải động, lựa chọn theo bảng sau:

 Vitme lựa chọn phải có tải trọng động C a3509 (kgf)

1.3- Lựa chọn vitme và kiểm tra sơ bộ, lựa chọn ổ đỡ

 Lựa chọn kiểu bi và vitme:

Máy phay CNC yêu cầu hệ thống dẫn động có độ cứng vững cao , độ hao phí không quáquan trọng, do đó lựa chọn bi kiểu lưu chuyển bi ngoài, kiểu FDWC, số bi B.2 hoặc B.3Kết cấu như hình vẽ

Tra cứu datasheet của hãng PMI ta lựa chọn được vitme với các thông số sau:

Vậy lựa chọn vitme 30 – 10B2-FWDC

+ Đường kính vitme D = 32 mm

+ Bước vitme l = 10 mm

+ Tải trọng tĩnh : C0 = 10880 kgf

+ Tải trọng động: Ca = 4660 kgf

+ Đường kính lõi ren của trục vitme : d     r 32 1, 4 6,35(mm)

 Kiểm tra sơ bộ:

C L

+ Tốc độ quay cho phép

7 2

1 0 dr

n f

L

L là chiều dài sơ bộ của vitme, dựa vào bản vẽ kết cấu bàn máy cho trước

ta xác định được chiều dài sơ bộ vitme L = 1110 mm

Tính toán và lựa chọn ổ bo trên http://www.skf.com ta được kết quả:

1.4 - Momen quán tính và momen tác phát động cho trục X

a Momen quán tính

- Momen quán tính khối:

Ta có tốc độ dịch chuyển của bàn máy X là không lớn, tốc độ lớn nhất khi gia công là

15 m/s và tốc độ dịch chuyển lớn nhất khi không gia công là 18 m/s trong khi gia tốc củabàn máy là rất lớn, a  0,4    g 4 / m s 2

,vì vậy thời gian tăng tốc rất ngắn, Ở đây chỉ tínhcho gian đoạn chạy đều, chiếm phần lớn thời gian gia công,

F F

T r

N m J

Do vậy trục vitme đảm bảo an toàn

2 - Tính toán và lựa chọn động cơ

2.1 - các thông số đầu vào

- Tốc độ quay lớn nhất của động cơ : nmax2000 (vòng/phút)

- Khối lượng của phần đầu dịch chuyển : m =440 kg

- Góc nghiêng của trục động cơ và trục vitme α = 0 (do sử dụng phương pháp nối trục)