Tài liệu Đồ án thiết kế hệ thống thay dao cho máy CNC docx

Xây dựng sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động,trình bày sơ lược về quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự độngcó thể tham khảo đồ án CĐT1 và lấy công thức tính toán từ đó 2..

Đồ án Thiết kế hệ thống thay dao cho

máy CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN MÔN HỌC:THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Mã HP:ME4336

Giáo viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện:

Lớp :

MSSV:

I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế mô đun cấp dao cho hệ thống thay dao tự động

II Số liệu cho trước :

1.Hệ thống thay dao cho máy phay đứng

2.Hệ thống tháo và kẹp dao: dùng xi lanh chuyển đổi khí nén – thủy lực

3.Loại thay dao (TP): KTM (Không tay máy)

4.Nguồn lực di chuyển cụm chứa dao chạy đến trục chính (PO 1 ): KN(Khí nén)

5.Nguồn lực quay cụm chứa dao(PO 2 ):ĐC(Động cơ điện)

6.Số lượng ổ chứa dao : N =16

7.Loại côn gắn chuôi dao :BT40

8.Khối lượng một con dao:M=7 Kg

9.Đường kính lớn nhất của một con dao : D max = 80 mm

10.Thời gian thay dao gần nhất : T 1 = 3 s

11.Thời gian thay dao xa nhất : T 2 = 7s

III Nội dung:

1 Xây dựng sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động,trình bày sơ lược về quy trình thiết

kế hệ thống thay dao tự động(có thể tham khảo đồ án CĐT1 và lấy công thức tính toán từ đó)

2 Xây dựng sơ đồ khối thuật toán điều khiển trả dao / lấy dao

3 Bản vẽ sơ đồ điều khiển điện,khí nén(hoặc thủy lực) phù hợp với yêu cầu của đầu bài

4 Mô phỏng hoạt động của hệ thống thay dao tự động bằng phần mềm máy tính (tự chọn phần mềm)

5 Lập trình PLC trên 1 hệ thống điều khiển CNC cụ thể (không bắt buộc)

Hà Nội ,ngày … tháng … năm 2012

Giáo viên hướng dẫn

Mục lục

Contents

LỜI NÓI ĐẦU .3

1.1.Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động: 4

1.1.1.Khái niệm sơ đồ động: 4

1.1.2.Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động : 4

1.2.Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao: 5

1.2.1.Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động: 5

1.2.2.Tính toán Đĩa tích dao : 6

1.2.2.1 Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao : 6

1.2.2.2 Tính toán cơ cấu Man cho Tang chứa dao 12

1.2.2.3 Tính toán và lựa chọn ổ lăn 20

1.2.2.4 Tính toán trục đỡ Tang 23

1.2.3 Tính toán hệ thống dẫn động cho cơ cấu thay dao 24

PHẦN 2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN TRẢ DAO/ LẤY DAO 27

2.1.Khái niệm sơ đồ khối thuật toán : 27

2.2 Sơ đồ khối thuật toán trả dao/lấy dao(thay dao) 30

PHẦN 3: BẢN VẼ SƠ ĐỒ ĐIỆN ,KHÍ NÉN PHÙ HỢP VỚI YÊU 38

1.Sơ đồ điện điều khiển 38

2.Sơ đồ khí nén 39

PHẦN 4.MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG BẰNG PHẦN MÊM SOLIDWORKS 41

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển rất nhanh,mang lại nhưng lợi ích cho con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tinh thần.Để nâng cao đời sống nhân dân

và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới,Đảng và nhà nước ta đã đề ra những mục tiêu đưaa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa.Để thự hiện điều

đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển đó là ngành Cơ khí nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuấ ra các thiết bị công cụ(máy móc,robot…) của mọi ngành kình tế quốc dân.Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khí cần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn đáp ứng được yêu cầu của công nghệ tiên tiến,công nghệ tự động hóa theo dây chuyền trong sản xuất

Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong

chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử.Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của môn học như : Chi tiết máy,Vẽ kĩ thuật,Cơ học kĩ

thuật,Nguyên lỹ máy,Sức bền vật liệu,…Đồng thời cũng giúp chúng em học thêm một số phần mềm cần thiết cho việc thiết kế ,mô phỏng cần thiết như Catia, ngoài ra giúp

chúng em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ án tốt nghiệp sau này

Dù đã có cố gắng hoàn thành đồ án này với cường độ làm việc cao,cùng sự hướng dẫn nhiệt tình và cụ thể của các thầy trong bộ môn,nhưng do hiểu biết còn hạn chế cộng với chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án này không tránh khỏi được khả năng thiếu sót và bất cập.Vì vậy em rất mong sự sữa chữa và góp ý của các quý thầy cô

để em rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức cho mình

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô trong Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Thanh Sơn đã giúp em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Đức

1.1.Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động:

1.1.1.Khái niệm sơ đồ động:

Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền,các cơ cấu

liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động,xác định những chuyển động cần thiết của máy.Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay của động cơ điện,đường kính bánh đai,số răng của bánh răng ,số đầu mối của trục vít,số răng của bánh vít

1.1.2.Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động :

Từ định nghĩa sơ đồ động như trên và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thống thay dao CNC ,cùng với các hình vẽ quy ước ta xây dựng nên sơ đồ động của toàn

hệ thống thay dao tự động bằng Cad như sau :

1.2.Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao:

1.2.1.Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động:

Các dữ liệu đầu vào

N: số lượng dao của ổ chứa dao N=16

Dmax:đường kính lớn nhất của dao Dmax= 80mm BT40: loại chuôi dao

M: khối lượng 1 con dao m=7kg

Dtrc: đường kính trục chính Dtrc=120mm H: hành trình vào lấy dụng cụ của trục chính H=130mm

Tính toán hệ dẫn động cho cơ cấu thay dao Tính toán Đĩa tích dao

Xác định các thông số hình học của Đĩa

tích dao

a) Bán kính từ tâm dao đến tâm Đĩa tích

dao R0

b) Khoảng cách giữa các dao gần nhau

trong Đĩa tích dao

c) Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào

thay dao

d) Lựa chọn cơ cấu kẹp trên Đĩa

e) Tính toán các thông số hình học của Đĩa

Tính toán trục dẫn hướng

Tính toán và lựa chọn xy lanh khí nén a) Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

b) Tính toán hệ dẫn động khí nén

Tính toán cơ cấu Malte cho Đĩa tích dao

a) Tính toán các thông số hình học của

Malte

b) Tính toán động học của Malte

c) Tính toán động lực học của Malte

d) Tính toán và lựa chọn động cơ

Tính toán trục đỡ Đĩa tích dao

Tính toán và lựa chọn ổ lăn

a) Lựa chọn loại ổ lăn

b) Chọn sơ bộ kích thước ổ

c) Tính và kiểm nghiệm khả năng tải

của ổ

d) Lựa chọn ổ bi lăn

1.2.2.Tính toán Đĩa tích dao :

1.2.2.1 Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao :

Các thông số ban đầu:

- Tính toán hệ thống với số lượng dao N = 16 dao

- Đường kính lớn nhất của dao: max= 80 mm {Lấy theo đường kính lớn nhất của dao phay mặt đầu}

- Chuôi dao BT40

- Đường kính của trục chính: max= 120 mm

- Hành trình của trục chính trong quá trình vào thay đổi dụng cụ Ltd= 130 mm

Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần tính toán cho cơ cấu sao cho kết cấu của hệ thống phải gọn nhẹ,phải có độ chính xác cao,không xảy ra va đập khi trục chính vào thay dụng cụ

Để Tang chứa dao chứa đủ 16 dao mà vẫn đảm bảo cho quá trình thay dao không xảy ra sự cố thì trước tiên ta đi tính toán bán kính từ tâm dao đến tâm trục ổ chứa dao :

Hình 1 Sơ đồ tính toán kích thước hình học của Tang

a Bán kính từ tâm của dao đến tâm của Tang chứa dao R0 được xác định :

Để giữa các dao có Rmax có khoảng các ta lấy R0 = 300 (mm)

Khi đó chu vi của vòng tròn chứa dao la:

C = 2..R0 = 2.3,14.300 = 1884 (mm)

b.Xác định khoảng cách giữa các dao gần nhau trong Tang :

Khoảng cách giữa hai tâm của dao có thể xác định gần đúng :

Hình 2 Sơ đồ trục chính tham gia vào thay dụng cụ

Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần kiểm tra xem khi trục chính vào thay dao số 1 có bị va chạm với các đài dao số 2 và đài dao số 16 hay không

Đường kính lớn nhất của trục chính :max= 120(mm)

Đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT40 là:C = 44,45(mm)

Khoảng cách giữa tâm các đài dao L = 117.75(mm)

Ta đi xác định khoảng cách từ tâm đài dao số 1 đến độ côn của các đài dao số 2

2   Vậy thoả mãn điều kiện

d.Lựa chọn cơ cấu kẹp dao trên Tang

Để trục chính tham gia vào thay dao được chính xác thì dao cần có một vị trí xác định trên Tang chứa dao.Vậy ta cần hạn chế 5 bậc tự do của dao trên Tang

Để kẹp dao lên Tang ta có thể dùng hệ thống kẹp dao của hệ thống thay dao

tự động của trung tâm gia công CNC_V30.Hệ thống kẹp dao gồm :Tay kẹp trái,Tay kẹp phải,Chốt định vị và một loxo tạo ra lực kẹp dao

Hình 3 Các thông số của tay kẹt

Các thông số hình học tấm định vị

h : chiều dày kẹp dao : h = 23 (mm)

L : khe hơ cần tính để tránh va đập giưa các tay kẹp

N : số dao kẹp Tang có thể chứa

o 2

o 1

VÞ trÝ cuèi

Kiểm tra khi tay kẹp mở

Khi thay dao tay kẹp sẽ xoay quanh điểm O1một góc  = 5o vậy lượng mở thêm của tay kẹp ứng với bề dầy nhất là :

Lk 83.tg 83.tg5o 7,26 < 27.3 (mm)

Vậy các tay kẹp không bị va chạm vào nhau trong quá trình thay dao

e.Tính toán các thông số hình học của Tang

-Tính bán kính vòng ngoài của Tang R 1 :

R1 = R0 – h – Rmaxd

Trong đó :

R0 : bán kính từ tâm dao đến đường tâm Tang R0= 250 (mm)

h : Lượng nhô ra của tấm định vị so với Tang h = 16 (mm)

Rmaxd: bán kính lớn nhất của đài dao Rmaxd= 31.5

2

632

- Bán kính vòng trong của Tang R 2 :

Để có không gian cho tay kẹp di chuyển va lắp ghép lò xo để tạo ra lực kẹp ta cần phải xác định bán kính vòng trong của Tang R2

R2< R1 - Lk –L

L : khoảng cách từ chốt tay kẹp đến vòng tròn ngoài của Tang L = 16 (mm)

Lk : Chiều dài chuôi tay kẹp Lk= 58 (mm)

R2< 250 –58 – 16 = 176 (mm)

Lấy R2= 175 (mm)

- Tính kích thước chiều cao Tang

Chiều cao của đài dao h =125,4 mm

Với chiều cao của dao ta có thể lấy chiều cao của Tang gần bằng chiều cao của dao.Ta lấy H = 120 mm

 Vậy kết cấu hình học của đĩa Man :

1.2.2.2 Tính toán cơ cấu Man cho Tang chứa dao

a Tính toán các thông số hình học của cơ cấu Man

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :

Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1 Chuyển động gián đoạn của đĩa O1chính là chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị trí thay dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8, ,16,18,10

Với hệ thống thay dao gồm có 16 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh là : Z = 16

Với kết cấu của đài Tang mang dao ta đi tính toán cơ cấu Man với bán kính của đĩa là R = 147 (mm)

Hình 6 Sơ đồ tính toán cơ cấu Man

Điều kiện bắt buộc để chống va đập là :

 +  = 180o

Trong đó góc  được xác định theo số rãnh của đĩa Man là Z = 16 rãnh:

o o

o

180 2

180

 



Khi thiết kế góc 2T thực tế nhận được là tích số của góc 2 đã cho trước với tỷ

số truyền động i của cơ cấu Man :

2T = 2..i

ở đây 2T là góc quay thực tế

Khi quay góc 2T sau một thời gian tT thì thời gian của cơ cấu Man tm sau một góc 2 có thể tính :

t

o m

Khi cần Man quay với tốc độ đều  = const thì thời gian quay đúng một vòng là:

n

T  60 giây Trong đó n : số vòng quay/phút của cần chính là số vòng quay của động cơ bước

Ta có :

Z

Z T

Z T Z

Z

2

2

Z

n 2.30 (vòng/phút) Các thông số hình học của cơ cấu Man được xác định :

Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L :

879 , 149 25

, 11 cos

Lấy h = 36 (mm)

Bán kính quỹ đạo cần :

Rc = L.sin = 150.sin11,25o.= 29,26 (mm)

b Tính toán động học của cơ cấu Man

Xác định góc  của đĩa Man khi cần quay được một góc  :

sin

Vậy Tốc độ của đĩa Man có thể viết :

)(cos

cos1

sin 2 1

) sin (cos

) 195 , 0 (cos 195 , 0

2 2

2

.)cos

21(

sin)1

2 2 2

2

.)sincos

sin21(

sin.cos

sin21(

cos

2 2

12

4

1cos

2 2

.sin





d (rad/s) Vậy khi cần Man quay đều với vận tốc góc  thì đĩa Man sẽ quay không đều với vận tốc góc đ và có gia tốc là đ,và có vận tốc lớn nhất khi  = 0o và gia tốc lớn nhất khi  = 52,3169o khi đó  = 9,95o

Với thời gian thay dao hệ thống là : 3/7 (s)

Txl = 1 (s) thời gian hành trình xylanh vào thay dụng cụ

Ttr = 0,5 (s) thời gian truyền tín hiệu

Ttrc = 1 (s) thời gian hành trình trục chính vào thay dụng cụ

Tt = tm+to= 0.5 (s) thời gian thay đồi một vị trí của Tang

Ta đi tính gia tốc góc và vận tốc góc cho đia Man

18

14 2 16

2 16 2

t

o m

5 0



o t t

 tm = 0,22(s) ; to = 0,28(s)

Số vòng/phút của cần được xác định :

119.3 0,22

30 16

14 t

30 Z

2 Z n

3.119.14,330

,11.49,12

12

4

1cos

2 2

,12.)25,11sin3169

,52cos25,11sin21

(

3169,52sin.25,11cos.25,11

2 2

03,325

,11sin1

49,12.25,11

Hình 7 Biểu đồ sự phụ thuộc vận tốc góc và gia tốc góc của đĩa man vào góc ứ

c Tính toán động lực học của cơ cấu Man

Khối lượng của Tang chứa dụng cụ :

GT= GĐ+16.GK+16.GD+G

Trong đó:

GĐ: khối lượng của đĩa man là : 39 (kg)

GK: khối lượng của cơ cấu kẹp dao :GK= 2.GT+GC

GG= 2.0,35 + 0,1 = 0,8 (kg)

GD: khối lượng của một đài dao : 7 (kg)

G : khối lượng của các chi tíêt phụ lấy = 10 (kg)

GT= 39 + 16.0,8 + 16.7 + 10 = 173,8 (kg)

Xét các lực tác dụng lên đĩa Man trong quá trình làm việc

Vậy trọng lượng của Tang chứa dụng cụ là :

PT = G.g = 173.8.9,81 = 1704.978 (N)

Hình 8 Sơ đồ tính động lực học cơ cấu Man

Sơ đồ phân bố lực trên cơ cấu Man

Trong đó :

Pđ : Lực do cần khi quay tác dụng lên rãnh của đĩa Man

Pms: Lực masát tạ ổ côn do trọng lượng của Tang tạo ra

Pms= PT.f = 1704.9.0,02 = 34.098 N

f = 0,02 Hệ số ma sát của ổ đũa côn đỡ chặn

P : Lực của cần

Ro: Bán kính trung bình của ổ côn = 95 mm

Phương trình cân bằng momen với đĩa Man ứng với lúc đĩa Man có gia tốc lớn nhất :

J : Mômen quán tính do khối lượng của một dụng cụ với đương tâm của Tang

J = Jdc + d2.Gdc = 8,1.103 + 3002.8 = 728.1.103 (kg.mm2)

=728,1.10-3 (kg.m2 )

g : gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2

d : khoảng cách từ tâm dụng cụ đến tâm của Tang chứa dao là 300 mm

max= 36,24 rad/s2 gia tốc góc lớn nhất của đĩa Man khi  = 52,3169o

1 134 cos

.

55 , 9

3 , 119 2 , 5448 10

55

d Tính toán và lựa chọn động cơ

Công suất động cơ được xác định theo công suất của cần

4 , 69 98 0

N dc (W) (Chọn động cơ có công suất 70 W)

Số vòng quay của động cơ

nđc = 119,3 vòng/phút

1.2.2.3 Tính toán và lựa chọn ổ lăn

Với kết cấu của hệ thống thay dao ta dùng một ô lăn dạng ổ bi đỡ một dãy và một ổ lăn dạng ổ đũa côn ổ bi chỉ chịu tác dụng của lực hướng tâm,còn ổ côn chịu tác dụng của lực hướng tâm và lực dọc trục ở đây lực hướng tâm không lơn lắm so

với lực dọc trục nên ta chỉ tính toán cho ổ côn còn ổ bi ta lấy theo kích thước của ổ côn

Hình 9 Sơ đồ bố trí ổ lăn trên hệ thống thay dao

a Lựa chọn loại ổ lăn :

Với kết cấu của cơ cấu chứa dao ta thấy ổ lăn chỉ phải chịu tác dụng của lực dọc trục,còn lực hướng khá nhỏ nên ta có thể bỏ qua.Vậy ta dùng ổ đũa côn đỡ chặn

b Chọn sơ bộ kích thước ổ :

Với kết câu của Tang chứa dao ta lựa chọn ổ đũa côn cỡ đặc biệt nhẹ 2007114 ( theo GOST 333-71 ) với các thông số : đường kính trong d1= 75 mm ; đường kính ngoài D = 115 mm , khả năng tải động C = 120 kN , khả năng tải tĩnh Co= 108,8

kN

c Tính kiểm nghiệm khả năng tải của ổ :

ổ chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của Tang và dụng cụ được gá đặt trên Tang Với hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, Tang quay với vận tốc

lớn nhất là  = 3,5 rad/s,số vòng quay n = 8,6 vòng/phút,với mỗi lần hoạt động Tang chi quay 1 đến 2 vòng , nên ta chỉ kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh cho ổ

Ta lựa chọn ổ bi đỡ một dãy loại 115 (theo GOST 8338-75) với các thông số của

Ta đi kiểm nghiệm độ bền của trục :

Trục đỡ Tang chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do khối lượng của Tang và dụng cụ là PT = 1862(N) Vậy ta chỉ đi kiểm nghiệm độ bền kéo của trục

Hình 11 Sơ đồ bố trí lực trên trục đỡ Tang

Vật liệu của trục là thép CT5 có giới hạn bền là b = 550 MPa , giới hạn chảy là

,023

,53

10

k

Vậy trục thoả mãn điều kiện bền

Biến dạng dài của trục l được tính theo công thức :

5 4

3

10.2,223,53.10.2

8,12.10.1862

L =128 mm : chiều dài trục

E = 2.104 kN/cm2 : môđun đàn hồi của thép

1.2.3 Tính toán hệ thống dẫn động cho cơ cấu thay dao

Tính toán trục dẫn hướng

Để dẫn hướng cho Tang chứa dụng cụ thực hiện quá trình thay dao, ta dùng hai trục lắp trên thân đơ để dẫn hướng Sơ đồ bố trí 2 trục dẫn hướng trên hệ thống thay dao: