ĐỒ án tốt NGHIỆP THIẾT kế và CHẾ tạo mô HÌNH TRUNG tâm GIA CÔNG CNC 2

GIỚI THIỆU

Tổng quan

Ngày nay, ngành công nghiệp gia công chính xác đã có những bước tiến vượt bậc nhờ vào sự phát triển của khoa học công nghệ, đặc biệt là sự xuất hiện của nhiều loại máy CNC hiện đại Những máy móc này không chỉ nâng cao độ chính xác trong gia công mà còn tăng năng suất và hiệu quả sản xuất.

Máy CNC 4 trục và 5 trục, cùng với các trung tâm gia công CNC, có khả năng gia công các bộ phận phức tạp với độ chính xác cao, từ đó nâng cao năng suất lao động hiệu quả.

Máy CNC đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật cơ khí, giúp tăng cường tự động hóa sản xuất và giảm thiểu nhân công Sau khi được lập trình, nhiều máy CNC có khả năng tự động gia công mà không cần can thiệp của con người, tiết kiệm nguồn lực cho các công việc khác Các máy CNC hiện đại không chỉ giảm thiểu sai sót mà còn tính toán thời gian gia công, giúp người lao động không có tay nghề cao dễ dàng vận hành hơn so với máy gia công truyền thống.

MáyVMC 650 CNC Hình 1.2: Máy tiện CNC Proton 660

Hình 1.3: Máy CNC 4 trục RMX 2100 Hình 1.4: Máy CNC 5 trục tốc độ cao

Máy móc CNC ngày càng hiện đại nhưng chi phí vận hành cũng tăng cao Vì vậy, nhiều kỹ sư đã tự nghiên cứu và chế tạo các máy CNC nhỏ gọn, tiết kiệm chi phí, vẫn đảm bảo hiệu quả trong gia công và sản xuất.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ gia công CNC, việc tích hợp nhiều khả năng gia công trong một máy để tiết kiệm thời gian và nâng cao năng suất trở nên vô cùng cần thiết Do đó, việc thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC là một yêu cầu cấp bách nhằm đáp ứng nhu cầu hiện tại.

1.2 Ý nghĩa khoa hoạc và thực tiễn

Nghiên cứu và sản xuất mô hình trung tâm gia công CNC sẽ kích thích sự sáng tạo và khả năng áp dụng kiến thức của sinh viên, giúp họ đề xuất các giải pháp mới trong thiết kế và chế tạo trung tâm gia công CNC.

Thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC yêu cầu sinh viên có kiến thức vững về cơ khí, điện tử và tin học Đây là cơ hội để sinh viên khám phá, tự học và nâng cao hiểu biết về công nghệ trung tâm gia công CNC hiện đại, từ đó phát triển những mô hình phù hợp với khả năng và nhu cầu thực tiễn.

Mô hình trung tâm gia công CNC mà nhóm hoàn thành đã giúp nắm vững kiến thức và kỹ năng cơ bản về phay và tiện CNC Sản phẩm này có thể được sử dụng cho mục đích giảng dạy hoặc gia công các chi tiết có độ cứng vừa phải.

1.3 Mục tiêu nghiên cứu Để hiểu rõ kiến thức về cấu trúc, các nguyên tắc vận hành, điều khiển và lập trình mô hình trung tâm gia công CNC tự chế tạo. Áp dụng kiến thức đã học để thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC. Lập trình, điều khiển để xử lý sản phẩm có độ cứng vừa phải như nhôm, mica,…

Sản phẩm có đủ các tính năng để phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu.

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mô hình trung tâm gia công CNC

Hệ điều hành Mach 3 ( phần mềm điều khiển Mach3)

Phần mềm thiết kế Solidworks

Phần mềm lập trình gia công MasterCam. Động cơ và phương pháp truyền động.

Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh mô hình trung tâm gia công CNC.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Đảm bảo các yêu cầu đặt ra dưới đây:

+ Đối với phay: X 200mm Y 150mm Z 150mm A 0 o

X 100mm Dung sai: < 0.02 (mm) Thời gian thực hiện: 3 tháng Tốc độ quay trục chính tối đa:

+ Trục mâm cặp tiện S < 1000 (vòng/phút)

Tốc độ cắt tối đa:

+ Khi tiện F = 150 (mm/phút) Máy sử dụng hệ thống tưới nguội bằng nước pha với dầu nguội.

Có khả năng tự xét chuẩn chiều dài dao.

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận:

Dựa trên kiến thức nền tảng, cần nghiên cứu sâu hơn về nguyên lý và phương thức hoạt động của mô hình trung tâm gia công CNC để thực hiện thiết kế và chế tạo hiệu quả.

- Sau đó, tiến hành tổng hợp, đánh giá giải quyết các hạn chế gặp phải.

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể:

- Tìm hiểu, nghiên cứu kết cấu trung tâm gia công CNC.

- Xây dựng mô hình và thực nghiệm: chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC, vận hành thử, chế biến sản phẩm.

1.6 Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.6.1 Nghiên cứu của nước ngoài:

Ý tưởng về điều khiển máy CNC bằng các lệnh nhớ đã xuất hiện từ thế kỷ XIV Hiện nay, máy công cụ CNC (Computer Numerical Control) đã được cải tiến đáng kể, cho phép gia công hoàn chỉnh chi tiết với số lần gá đặt tối thiểu Đặc biệt, máy CNC có khả năng gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp một cách chính xác và hiệu quả.

- Đối với máy phay CNC 5 trục, các thiết kế thường rất đa dạng về hình dáng, thiết kế và vật liệu chế tạo, thông thường gồm 3 loại chính:

 Loại Head - Head: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí trên trục chính, thông thường là trục A - C

Hình 1.5 Máy CNC 5 trục loại HEAD HEAD

Loại Head - Table bao gồm ba trục X, Y, Z, cùng với một trục xoay được lắp đặt trên trục chính, trong khi trục còn lại được đặt trên bàn máy Thông thường, trục B được gắn trên trục chính, trong khi trục A hoặc C nằm trên bàn máy.

Hình 1.6 Máy CNC 5 trục loại HEAD TABLE

 Loại Table - Table: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí hoàn toàn dưới bàn máy Thông thường là trục A và C.

Hình 1.7 Máy CNC 5 trục loại TABLE TABLE

Máy tiện CNC thường được trang bị hai trục chính là Z và X Trục Z có nhiệm vụ giữ mâm cặp mang phôi, trong khi trục X chứa ổ dao với các dụng cụ tiện Các ổ dao này có khả năng chứa nhiều loại dao tiện khác nhau, giúp tăng cường hiệu suất và linh hoạt trong quá trình gia công.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com thiết kế ằm bên phải hoặc bên trái so với mâm cặp để phù hợp với mục đích sử dụng.

Hình 1.8 Kết cấu và các trục của máy tiện CNC 2 trục 1.6.2 Nghiên cứu ở Việt Nam:

Hiện nay, nhiều nhà máy cơ khí tại Việt Nam đang đầu tư vào dây chuyền sản xuất với thiết bị chủ yếu là máy CNC Công nghệ CNC, mặc dù mới được giới thiệu, đã nhanh chóng khẳng định vị thế vững chắc và dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp và nhà máy trong tương lai Công nghệ này mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt phù hợp với điều kiện sản xuất hiện tại Do đó, thúc đẩy ứng dụng công nghệ CNC là cần thiết cho các cơ sở sản xuất và ngành công nghiệp máy xây dựng.

Hiện nay, nhiều trường đại học và cao đẳng tại Việt Nam đang phát triển các mô hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy, như máy phay CNC của Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt plasma và máy khoan mạch in của Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, cùng với mô hình máy khắc của Đại học Bách khoa Đà Nẵng Mặc dù nước ta đã có nhiều cơ sở gia công CNC nhập khẩu để sản xuất các chi tiết chính xác và phức tạp, nhưng giá thành cao và thiếu hụt chuyên gia trong lĩnh vực này khiến việc tự thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC vẫn chưa được phát triển mạnh mẽ.

Mục tiêu nghiên cứu

Để nắm vững kiến thức về cấu trúc và nguyên tắc vận hành của máy CNC tự chế, cần áp dụng các kiến thức đã học để thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC Đồng thời, việc lập trình và điều khiển máy cũng rất quan trọng để xử lý các sản phẩm có độ cứng vừa phải như nhôm và mica.

Sản phẩm có đủ các tính năng để phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mô hình trung tâm gia công CNC

Hệ điều hành Mach 3 ( phần mềm điều khiển Mach3)

Phần mềm thiết kế Solidworks

Phần mềm lập trình gia công MasterCam. Động cơ và phương pháp truyền động.

Nghiên cứu và chế tạo hoàn chỉnh mô hình trung tâm gia công CNC.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Đảm bảo các yêu cầu đặt ra dưới đây:

+ Đối với phay: X 200mm Y 150mm Z 150mm A 0 o

X 100mm Dung sai: < 0.02 (mm) Thời gian thực hiện: 3 tháng Tốc độ quay trục chính tối đa:

+ Trục mâm cặp tiện S < 1000 (vòng/phút)

Tốc độ cắt tối đa:

+ Khi tiện F = 150 (mm/phút) Máy sử dụng hệ thống tưới nguội bằng nước pha với dầu nguội.

Có khả năng tự xét chuẩn chiều dài dao.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận:

Dựa trên kiến thức nền tảng, việc tìm hiểu thêm về nguyên lý và phương thức hoạt động của mô hình trung tâm gia công CNC là rất quan trọng để tiến hành thiết kế và chế tạo hiệu quả.

- Sau đó, tiến hành tổng hợp, đánh giá giải quyết các hạn chế gặp phải.

1.5.2 Phương pháp nghiên cứu cụ thể:

- Tìm hiểu, nghiên cứu kết cấu trung tâm gia công CNC.

- Xây dựng mô hình và thực nghiệm: chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC, vận hành thử, chế biến sản phẩm.

Các nghiên cứu trong và ngoài nước

1.6.1 Nghiên cứu của nước ngoài:

Ý tưởng về điều khiển máy CNC bằng lệnh nhớ đã xuất hiện từ thế kỷ XIV Hiện nay, máy công cụ CNC (Computer Numerical Control) đã được cải tiến đáng kể, cho phép gia công hoàn chỉnh chi tiết chỉ trên một máy với số lần gá đặt tối thiểu Đặc biệt, máy CNC có khả năng gia công các chi tiết với hình dạng phức tạp một cách hiệu quả.

- Đối với máy phay CNC 5 trục, các thiết kế thường rất đa dạng về hình dáng, thiết kế và vật liệu chế tạo, thông thường gồm 3 loại chính:

 Loại Head - Head: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí trên trục chính, thông thường là trục A - C

Hình 1.5 Máy CNC 5 trục loại HEAD HEAD

Loại Head - Table bao gồm 3 trục X, Y, Z, cùng với 1 trục xoay được lắp đặt trên trục chính và một trục khác trên bàn máy Thông thường, trục B được bố trí trên trục chính, trong khi trục A hoặc C được đặt trên bàn máy.

Hình 1.6 Máy CNC 5 trục loại HEAD TABLE

 Loại Table - Table: ngoài 3 trục X Y Z, 2 trục xoay còn lại được bố trí hoàn toàn dưới bàn máy Thông thường là trục A và C.

Hình 1.7 Máy CNC 5 trục loại TABLE TABLE

Máy tiện CNC thường được trang bị hai trục chính là Z và X Trục Z giữ mâm cặp để gắn phôi, trong khi trục X chứa ổ dao với các dao tiện Các ổ dao này có vai trò quan trọng trong quá trình gia công.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com thiết kế ằm bên phải hoặc bên trái so với mâm cặp để phù hợp với mục đích sử dụng.

Hình 1.8 Kết cấu và các trục của máy tiện CNC 2 trục 1.6.2 Nghiên cứu ở Việt Nam:

Hiện nay, nhiều nhà máy cơ khí tại Việt Nam đang đầu tư vào dây chuyền sản xuất với thiết bị chủ yếu là máy CNC Công nghệ CNC, mặc dù mới được giới thiệu trong thời gian ngắn, đã nhanh chóng khẳng định vị thế vững chắc và dự kiến sẽ được áp dụng rộng rãi trong các doanh nghiệp, hội thảo và nhà máy trong những năm tới Sự phát triển này mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc biệt trong bối cảnh sản xuất hiện tại của Việt Nam Do đó, việc thúc đẩy ứng dụng công nghệ CNC là cần thiết cho các cơ sở sản xuất và ngành công nghiệp máy xây dựng.

Hiện nay, một số trường đại học và cao đẳng tại Việt Nam như Trường Đại học Bách khoa TP.HCM, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã phát triển các mô hình máy CNC phục vụ cho giảng dạy, bao gồm máy phay CNC, máy tiện CNC, máy cắt plasma và máy khoan mạch in Mặc dù nhiều cơ sở đã nhập khẩu trung tâm gia công CNC để sản xuất các chi tiết có độ chính xác cao, nhưng do chi phí cao và thiếu hụt chuyên gia, việc tự thiết kế và chế tạo mô hình trung tâm gia công CNC trong nước vẫn chưa được phát triển mạnh mẽ.

CƠ SỞ LÍ THUYẾT

Lịch sử phát triển máy CNC

CNC (Điều khiển số bằng máy tính) là thuật ngữ chỉ hoạt động của các máy công cụ như phay, tiện, cắt dây và đột dập, được điều khiển bởi máy tính Các loại máy CNC phổ biến bao gồm máy tiện, máy phay, máy cắt dây điện, máy khắc laser và máy cắt tia nước Những thiết bị này thường được sử dụng trong các nhà máy cơ khí chính xác, xưởng cơ khí, trường kỹ thuật và viện nghiên cứu Để hiểu rõ hơn về máy CNC, cần tìm hiểu về nguồn gốc và lịch sử hình thành của nó qua các cột mốc quan trọng.

- Năm 1808 Toseph và M Jacquard đã dùng bìa tôn đục lỗ để điều khiển các máy dệt (bìa đục lỗ là vật mang tin).

- Năm 1938 Claude Shannon bảo vệ luận án tiến sĩ ở Viện công nghệ MÍT

(Mỹ) với nội dung tính toán chuyển giao dữ liệu dạng nhị phân.

- Năm 1946 tiến sĩ John W Mauchly đã cung cấp máy tính số điện tử đầu tiên có tên ENIAC cho quân đội Mỹ.

- Năm 1954 Bendix mua bản quyền của Pasons và chế tạo ra bộ điều khiển

NC hoàn chỉnh đầu tiên có sử dụng các bóng điện tử.

- Năm 1954, phát triển ngôn ngữ biểu trưng được gọi là ngôn ngữ lập trình tự động APT.

- Năm 1957, không quân Mỹ đã trang bị những máy NC đầu tiên ở xưởng.

- Năm 1960, kỹ thật bán dẫn thay thế cho hệ thống điều khiển xung rơle, đèn điện tử.

- Năm 1965, giải pháp thay dụng cụ tự động ATC (Automatic Tool Changer).

- Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC ra đời có độ tin cậy cao hơn.

- Năm 1972, hệ điều khiển NC (Numeric control – trung tâm điều khiển số) đầu tiên có lắp đặt máy tính nhỏ.

Năm 1979, khối liên hoàn CAD/CAM-CNC đã được hình thành, đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành gia công cơ khí chính xác Hiện nay, gia công CNC trở thành một trong những ngành chủ đạo, phản ánh đặc trưng chung của nền kinh tế sản xuất hiện đại trên toàn cầu.

Ngành công nghiệp này đã đạt được nhiều thành tựu đáng kể trong thời gian qua, cho thấy sự phát triển mạnh mẽ và tiềm năng lớn Thành công này không phải là điều ngẫu nhiên mà là kết quả của những nỗ lực không ngừng nghỉ và sự đổi mới sáng tạo trong lĩnh vực.

Tải luận văn mới tại skknchat123@gmail.com không thể bỏ qua vai trò quan trọng của các máy móc hạ tầng cơ sở tiên tiến, đặc biệt là trung tâm gia công CNC.

Trung tâm gia công CNC

2.2.1 Khái niệm về trung tâm gia công CNC

Trung tâm gia công CNC là một loại máy được sử dụng phổ biến hơn cả Nó là tổ hợp của hàng loạt các tính năng cần thiết như:

Với trung tâm gia công CNC, chúng ta có thể tích hợp nhiều chức năng kỹ thuật quan trọng vào một máy, thay vì sử dụng nhiều loại máy riêng lẻ cho từng nhiệm vụ.

2.2.2 Cấu tạo chung của máy CNC

Máy CNC thông thường gồm 2 phần chính là phần điều khiển và phần chấp hành.

Hình 2.1 Sơ đồ cấu tạo cơ bản của máy CNC Phần điều khiển:

Chương trình điều khiển là tập hợp tín hiệu dùng để điều khiển máy tính, được mã hóa bằng chữ, số và các ký hiệu như cộng, trừ, dấu chấm Chương trình này được viết theo cấu trúc mã chương trình, chẳng hạn như mã nhị phân trong bộ nhớ máy tính.

Cơ chế điều khiển nhận tín hiệu từ mạch điều khiển và thực hiện các phép biến đổi cần thiết để tạo ra tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của hệ thống truyền tải Hiệu năng của hệ thống được kiểm tra thông qua các tín hiệu từ bộ cảm biến tiếp xúc ngược Các thành phần chính bao gồm đầu đọc, bộ giải mã, đầu dò, bộ xử lý tín hiệu, nội suy, so sánh, bộ khuếch đại, điều khiển hành trình, đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị đầu vào tín hiệu.

Mô hình trung tâm gia công CNC bao gồm các thành phần quan trọng như bàn máy, thân máy, trục vít me, ổ bi, bàn xoay AC, các trục chính, turret tiện và spindle, tất cả đều được thiết kế tỉ mỉ để đảm bảo hiệu suất tối ưu trong quá trình gia công.

 Phần thân và đế của máy:

Thông hường được chế tạo từ gang do có khả năng chịu nén gấp 10 lần thép, đảm bảo độ cứng vững cần thiết Bên trong máy, hệ thống điều khiển, động cơ trục chính và nhiều hệ thống khác hoạt động đồng bộ Ngoài ra, thiết bị chống rung cũng là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất hoạt động.

Mục đích: Đảm bảo tính chính xác khi gia công Hỗ trợ trong việc ổn định và cân bằng máy.

Bàn làm việc là nơi gá đặt các chi tiết gia công hoặc đồ gá.

Hầu hết các bàn máy của loại máy CNC 4 trục và 5 trục có khả năng xoay được Nó làm tăng tính vạn năng của máy CNC

Phải có độ ổn định, độ cứng vững và độ cân bằng để gá đặt các chi tiết một cách chính xác nhất.

Là nơi để lắp đặt các loại dao phay, chuyển động xoay tròn của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi.

Các dạng điều khiển trục chính: thông qua đại, bánh răng hoặc điều khiển trực tiếp.

Trong các hệ thống máy móc, thanh trượt đóng vai trò quan trọng trong việc hướng dẫn chuyển động Trong số nhiều loại thanh trượt khác nhau, thanh trượt bi là loại chủ yếu được sử dụng trong máy CNC.

Hình 2.2 Thanh trượt và con trượt bi

Có hai loại vít me phổ biến: vít me tiếp xúc mặt (vít me thường) và vít me dạng bi Trong các máy CNC, vít me dạng bi thường được sử dụng để giảm thiểu ma sát trong quá trình chuyển động.

Hình 2.3 Vít me – đai ốc bi

Vitme dạng bi bao gồm các thành phần chính như trục vitme, đai ốc, bi và rãnh hồi bi Bề mặt ren của trục vitme được tôi cứng, hoạt động trên các viên bi đỡ, giúp thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn Nhờ vào cấu trúc này, ma sát được giảm thiểu, nâng cao hiệu suất của vitme đai ốc bi lên trên 90%.

Trung tâm gia công CNC được phân chia làm 3 loại:

Trung tâm gia công CNC đứng (VMC) là loại máy có trục chính nằm theo phương thẳng đứng so với bàn làm việc, thường được sử dụng cho các công việc gia công cần đưa dao từ trên xuống.

Ví dụ, gia công hốc và mặt khuôn, các chi tiết có kích thước lớn.

Hình 2.4 Trung tâm gia công đứng CNC Mazak VCN 530C-SG

+ Trung tâm gia công CNC ngang (HMC): Được sử dụng cho các chi tiết có hình khối nơi có thể đi dao vào mọi mặt của khối.

Hình 2.5 Trung tâm gia công ngang Mazak Orbitec 20

Trung tâm gia công CNC đa năng (UMC) sở hữu đầu làm việc có khả năng xoay trục chính ở bất kỳ góc độ nào, cho phép gia công linh hoạt giữa các vị trí ngang và đứng Điều này đặc biệt hữu ích trong việc chế tạo các hình dạng phức tạp như cánh tuabin và các bề mặt cong, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình sản xuất.

Hình 2.6 Trung tâm gia công đa năng PUMA MX 2600/3100

Hệ tọa độ của máy công cụ CNC

Các trục tọa độ X, Y, Z của máy CNC đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chiều dài chuyển động của các cơ cấu máy và dụng cụ cắt.

Hình 2.7 Hệ trục tọa độ của máy CNC

Chiều dương của các trục X, Y, Z được xác định theo quy tắc bàn tay phải, trong đó ngón cái chỉ chiều dương trục X, ngón giữa chỉ chiều dương trục Z, và ngón tay trỏ chỉ chiều dương trục Y Các trục quay tương ứng với các trục X, Y.

Z được kí hiệu bằng các chữ A, B, C Chiều quay dương là chiều quay theo chiều của kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dương của các trục X, Y, Z.

Nhìn chung ở các máy trục Z luôn song song với trục chính của máy.

Máy tiện có trục Z song song với trục chính, với chiều dương chạy từ mâm cặp tới dụng cụ, tức là di chuyển ra xa khỏi chi tiết gia công được kẹp trên mâm cặp Nói một cách khác, chiều dương của trục Z di chuyển từ trái sang phải.

Máy khoan đứng, máy phay đứng, máy khoan cần: trục Z song song với các trục chính và có chiều dương hướng từ bàn máy lên phía trục chính.

Máy bào, máy xung điện: trục Z vuông góc với bàn máy và có chiều dương từ bàn máy lên phía trên.

Các máy phay thường có nhiều trục chính, trong đó trục Z được xác định là trục song song với đường tâm của trục chính và vuông góc với bàn máy Trục chính có đường tâm vuông góc với bàn máy được chọn làm trục Z, với chiều dương của trục Z hướng từ bàn máy tới trục chính.

Hình 2.8 Quy tắc bàn tay phải 2.3.2 Trục X

Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thông thường nó được xác định theo phương nằm ngang Chiều của trục X được xác định theo quy tắc bàn tay phải (ngón cái chỉ chiều dương trục X).

Máy phay đứng, máy khoan đứng: nếu đứng ngoài nhìn vào trục chính thì chiều dương của trục X hướng về bên phải.

Máy khoan cần: nếu đứng ở vị trí điều khiển máy ta có chiều dương của trục X hướng vào trụ máy.

Máy phay ngang có trục chính mà khi nhìn từ bên ngoài, chiều dương của trục X sẽ hướng về bên trái Ngược lại, nếu đứng ở phía trục chính và nhìn vào chi tiết, chiều dương của trục X sẽ hướng về bên phải.

Máy tiện có trục X vuông góc với trục chính, với chiều dương hướng về phía bàn kẹp dao Nếu bàn kẹp dao đặt ở phía trước trục chính, chiều dương của trục X sẽ hướng vào người thợ Ngược lại, nếu bàn kẹp dao nằm ở phía sau trục chính, chiều dương sẽ đi ra khỏi người thợ.

Máy bào: trục X nằm song song với mặt định vị chi tiết trên bàn máy và chiều dương hướng từ bàn máy tới thân máy.

Trục Y được xác định sau khi các trục Z, X đã được xác định theo quy tắc bàn tay phải Ngón tay trỏ chỉ chiều dương trục Y.

Trên các máy CNC, ngoài các trục chính X, Y, Z, còn có các trục phụ U, V, W song song với chúng, trong đó U tương ứng với X, V với Y, và W với Z Nếu có thêm các trục khác song song với tọa độ chính, chúng sẽ được kí hiệu là P, Q, R, với P song song với X, Q với Y, và R với Z.

V, W được gọi là các trục thứ hai, còn các trục P, Q, R được gọi là các trục thứ ba (hình 2.9).

Hình 2.9 Hệ tọa độ của máy CNC khi chi tiết chuyển động thay cho dụng cụ cắt

Khi chi tiết gia công và bàn máy di chuyển thay cho dụng cụ cắt, các chuyển động được ký hiệu là X’, Y’, Z’ cho chuyển động tịnh tiến và A’, B’, C’ cho chuyển động quay Những chuyển động này diễn ra ngược chiều với chuyển động của dụng cụ cắt.

Các điểm chuẩn

Các điểm chuẩn cần được xác định trong vùng làm việc của máy.

4.1 Điểm chuẩn của máy M (điểm gốc O của máy) Điểm gốc O của máy (điểm chuẩn M của máy) là điểm góc của hệ tọa độ máy Điểm

Điểm M được quy định bởi nhà chế tạo dựa trên kết cấu từng loại máy, là giới hạn của vùng làm việc Trong vùng này, các cơ cấu máy có thể di chuyển theo chiều dương của tọa độ Đối với máy phay, điểm M thường nằm ở giới hạn di chuyển của bàn máy Điểm chuẩn M (điểm O) của máy khoan và máy phay đứng được thể hiện trong hình 2.10.

Điểm W của chi tiết là gốc tọa độ và vị trí của nó phụ thuộc vào sự lựa chọn của người lập trình Đối với các chi tiết tiện, điểm W thường nằm trên đường tâm của chi tiết hoặc ở mặt đầu bên trái hoặc bên phải Hình 2.11c minh họa điểm W nằm ở mặt đầu bên trái của chi tiết.

TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Đối với các chi tiết phay chọn điểm W tại điểm góc ngoài đường viền chi tiết (hình 2.12a).

Khi gia công các bề mặt chi tiết có thể chọn nhiều tọa độ khác nhau với các điểm gốc

W 1 và các hệ tọa độ phụ W 2 , W 3 , W 3 , W 4 và W 5 (hình 2.12b).

Hình 2.11 Hệ tọa độ và các điểm chuẩn

Hình 2.12 Một điểm W (a) và nhiều điểm W (b) 2.4.2 Điểm chuẩn của dao (P)

Các dao tiện và dao khoan có điểm chuẩn là đỉnh dao, trong khi dao khoét, dao doa và dao phay sử dụng điểm P là tâm của mặt đầu dao Điểm P đóng vai trò quan trọng trong việc tính toán quỹ đạo chuyển động của dao.

Điểm chuẩn của dao T và điểm gá dao N rất quan trọng trong việc xác định hệ trục tọa độ của dao Điểm T thường được xác định dựa trên cách gá dao trên máy, và trong nhiều trường hợp, điểm T sẽ trùng với điểm gá dao N.

Hình 2.14 Điểm của giá dao T và điểm gá dao N 2.4.4 Điểm điều chỉnh dao E

Khi gia công ta phải sử dụng nhiều dao, như vậy các kích thước của chúng phải được xác định bằng cơ cấu điều chỉnh dao.

Mục đích của việc điều chỉnh dao là để có thông tin chính xác cho hệ thống điều khiển về kích thước dao (hình 2.15).

Hình 2.15 Điểm điều chỉnh dao E Khi dao được lắp vào giá dao thì điểm E và điểm N trùng nhau.

2.4.5 Điểm gá đặt (hay điểm tỳ) A Điểm A là điểm tỳ của bề mặt chi tiết lên đồ định vị của đồ gá Điểm A có thể trùng với điểm W của chi tiết (hình 2.16) hoặc có thể lựa chọn tùy ý trên mặt định vị của chi tiết gia công.

Điểm O của chương trình, hay chính xác hơn là điểm P của dụng cụ cắt, là vị trí quan trọng trước khi gia công Cần xác định điểm O một cách chính xác để khi thay dao, không bị ảnh hưởng bởi chi tiết hoặc đồ gá.

Khi nghiên cứu các hệ trục tọa độ người ta còn dùng các điểm chuẩn khác như điểm

F, điểm K để xác định các kích thước liên quan.

Khái quát về hệ thống thay dao tự động

Hệ thống thay dao tự động trong máy phay CNC đóng vai trò quan trọng trong việc thay đổi công cụ cắt gọt trong quá trình gia công Đặc biệt đối với các chi tiết phức tạp, hệ thống này không chỉ nâng cao độ chính xác mà còn tiết kiệm thời gian gia công hiệu quả.

Hiện nay, trong ngành công nghiệp, có nhiều hệ thống thay dao tự động với thiết kế đa dạng và phong phú Tuy nhiên, về nguyên lý hoạt động, tất cả các hệ thống này đều tương đồng nhau.

2.5.2 Các bộ phận chính Để hệ thống thay dao tự động có thể hoạt động thì cần có các bộ phận thiết yếu:

- Dụng cụ kẹp dao (BT, collect, ).

Tùy vào kết cấu sẽ có thêm nhiều chi tiết phụ trợ đi kèm

Hình 2.17 Cấu tạo Spindle ATC

Hình 2.18 Ổ chứa dao và cán kẹp dao 2.5.3 Nguyên lý hoạt động

Khi chương trình gia công đến lệnh thay dao, bộ phận điều khiển dừng các chuyển động của dao trên trục X và Y, đồng thời ngừng động cơ trục chính Động cơ quay trục chính đến vị trí thay dụng cụ đã xác định, đảm bảo vị trí chốt của dao trên trục chính khớp với chốt của đài dao Sau khi trục chính dừng quay, bộ điều khiển điều chỉnh trục Z để đưa ụ trục chính xuống vị trí thay dao, nơi đài dao nằm ngang với cổ dao Đài dao quay để tay kẹp dụng cụ đến vị trí thay dao, chuẩn bị kẹp dụng cụ vào trục chính Ú thay dao di chuyển từ trái sang phải, hai tay kẹp mở ra và giữ chặt dao lò xo nén Bộ điều khiển sau đó phát lệnh cho thanh kéo trong ụ trục chính đi xuống để nhả kẹp, trong khi đầu trục chính đi lên để trả dao về vị trí đã nhớ Cuối cùng, bộ điều khiển điều khiển động cơ đài dao quay để đưa dao cần thay đến đúng vị trí, và đầu trục chính tiến xuống để nhận dao mới.

Tải luận văn mới tại địa chỉ skknchat123@gmail.com Quá trình thay thanh kéo và kẹp chặt dao mới diễn ra khi ụ thay dao tiến từ phải qua trái, hoàn tất quy trình thay thế dao tự động.

Tùy thuộc vào loại và lĩnh vực ứng dụng, các cụm thay dao có khả năng lấy và đặt nhiều dao khác nhau vào vị trí làm việc theo chương trình NC Trong gia công, có nhiều loại ổ dao phù hợp với từng lĩnh vực, trong đó phổ biến nhất là đài dao trên máy tiện và mâm dao trên máy phay Ổ dao dạng trống cũng được sử dụng rộng rãi trên máy phay để tối ưu hóa quy trình gia công.

Hình 2.20 Mâm dao và đài dao

Mâm dao CNC bao gồm nhiều loại như ổ dao chuỗi, ổ dao vòng, ổ dao dạng nấm và ổ dao phẳng Số lượng đài dao trên máy CNC có thể dao động từ 8 đến nhiều hơn, tùy thuộc vào loại và kích thước của máy.

Trong các trung tâm gia công lớn, có thể sử dụng đồng thời 3 đài dao với tổng cộng 16 vị trí dao Khi số lượng dao vượt quá 48, các mâm dao thuộc nhiều loại khác nhau được áp dụng, cho phép sử dụng lên tới 100 dao hoặc thậm chí nhiều hơn.

Hình 2.21 Mâm dao dạng xích Mâm dao dạng xích:

Bộ kẹp có độ bền cao, ít hư hỏng và chống ăn mòn.

Chuỗi được hỗ trợ ở cả hai bên; hoạt động rất ổn định.

Cơ chế đảo ngược dao sử dụng thiết kế đường cong cam đảm bảo chuyển động ngược của dao trơn tru.

Mâm dao có kết cấu cứng vững, cho phép thay dao tốc độ cao và các dao nặng một cách dễ dàng Hệ thống chuyển động khay dao được thiết kế với cam thùng, đảm bảo hoạt động trơn tru, yên tĩnh và chính xác.

Mâm dao dạng nấm có độ bền kẹp ổn định, đảm bảo tiếp xúc tuyệt vời với các loại dao Thiết kế này giúp bảo vệ trục chính và khay dao, đặc biệt khi thực hiện việc thay thế dao không phù hợp.

Mâm dao có thể được lắp đặt theo kiểu cố định hoặc di động, hoạt động nhờ vào động cơ chính xác, cho phép thay dao một cách chính xác và đảm bảo chuyển động mượt mà, yên tĩnh và chính xác.

Nguồn điều khiển mâm dao có thể sử dụng động cơ servo hoặc động cơ điện Mâm dao phẳng mang lại độ bền kẹp ổn định và đảm bảo tiếp xúc tuyệt vời với các dao, đồng thời bảo vệ trục chính và khay dao trong quá trình thay dao không đúng cách.

Xích dẫn hướng kèm ray hỗ trợ cho cả hai bên, chuyển động trơn tru và định vị chính xác.

Thiết kế kẹp dao đặc biệt cho phép mâm dao được sử dụng trong các thay dao ngang.

Giá đỡ dao có khả năng tương thích với các hệ thống lựa chọn dao khí nén, hệ thống quay thủy lực và nhiều cụm thay dao hiện có trên thị trường.

Nguồn điều khiển mâm dao có thể là động cơ servo và động cơ điện.

2.5.5 Một số kiểu thay giao hiện nay

Trên các máy CNC hiện đại ứng dụng rất nhiều kiểu thay dao khác nhau như thay dao bằng tay gắp, thay dao bằng cơ cấu thẳng,

Hình 2.22 Thay dao bằng tay gắp

Hình 2.23 Cơ cấu tay gắp thay dao

Cơ cấu thay dao dạng đĩa xoay mang lại ưu điểm thay dao nhanh chóng và chính xác, có khả năng kết hợp với đài dao dạng đĩa hoặc dạng xích để tăng cường dung lượng chứa dao Tuy nhiên, nhược điểm của nó là thiết kế phức tạp, khó chế tạo và điều khiển.

Hình 2.24 Cơ cấu đĩa xoay

Cơ cấu thay dao dạng đĩa, thường được sử dụng trong các máy robodrill, kết hợp giữa cam và spindle servo, cho phép thay dao nhanh chóng và chính xác mà không cần hệ thống khí nén hay thủy lực Tuy nhiên, nhược điểm của nó là khó chế tạo và điều khiển.

Cơ cấu thay dao thẳng sử dụng đầu trục chính để di chuyển đến vị trí chứa dao, giúp thực hiện các thao tác thay dao một cách đơn giản Ưu điểm của cơ cấu này là dễ chế tạo và dễ điều khiển Tuy nhiên, nhược điểm là số lượng dao chứa hạn chế và tốc độ thay dao chậm.

Hình 2.25 Cơ cấu thay dao thẳng

Hình 2.26 Cơ cấu thay dao thẳng đối với Spindle có thể xoay ngoang

THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

Thiết kế các chi tiết

3.1.1 Thiết kế truyền động trục X.

Trục X của máy được thiết kế, lắp đặt nằm riêng độc lập, trục X chịu trách nhiệm mang theo mâm cặp, hệ thống truyền động trục A cùng bệ thay dao cho hệ thống thay dao tự động của động cơ phay truyền Trong đó măm cặp là bộ phận kẹp phôi, chịu tác dụng lực lớn trong quá trình gia công nên yêu cầu độ cứng vững cao, đồng thời trục X có

Tải xuống TIEU LUAN MOI tại skknchat123@gmail.com để khám phá hành trình dịch chuyển lớn Việc lựa chọn hệ thống truyền động tích hợp không chỉ mang lại sự ổn định và cứng vững mà còn giúp chống rung động hiệu quả, đảm bảo an toàn cho hệ thống và nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công.

Hình 3.1 Thiết kế cụm trục X

Quá trình thiết kế tập trung vào việc sử dụng máy đơn giản nhất, vì vậy việc chọn hệ thống truyền động tích hợp giúp đơn giản hóa lắp ráp, dễ dàng sửa chữa và thuận tiện trong thao tác.

X bằng cách kéo đai sử dụng Puly và đai răng có tỷ truyền 1:2.

3.1.2 Thiết kế truyền động trục Y 1 , Y 2 và C

Hình 3.2 Thiết kế hệ thống trục Y

Mô hình gia công tích hợp cả chu trình tiện và phay sử dụng hệ thống trục Y với hai trục: Y1 hỗ trợ trục Z của hệ thống phay và Y2 cho hệ thống turret dao tiện Thiết kế truyền động cho trục Y1 được tối ưu hóa để nâng cao hiệu suất gia công.

Trục Y là bộ phận nằm phía dưới trục Z, chịu trách nhiệm truyền động di chuyển trục

Trục Z chịu toàn bộ lực tác dụng và là trục có tải trọng lớn nhất trong hệ thống Được thiết kế với cơ cấu dẫn hướng đơn giản bằng ray trượt và truyền động thông qua vít me đai ốc bi, trục Z được gia cố bằng hai gối đỡ và tấm đế, giúp nâng cao khoảng hành trình Tấm đế và các gối đỡ được gia công với lỗ bắt ốc chìm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt trục Z.

Hình 3.3 Thiết kế truyền động trục Y

Thiết kế truyền động trục Y 2 :

Trục Y 2 đỡ cụm turret và chịu trách nhiệm truyền động cho cụm turret dao tiện phía trên.

Hình 3.4 Thiết kế hoàn chỉnh trục Y 2

Cụm turret tiện cần được lắp ray trượt trực tiếp lên mặt phẳng để tối ưu khả năng chịu lực khi gia công chịu tác động lớn Để đảm bảo turret tiện ngang tâm với tâm của mâm cặp, cần đôn cao tấm đỡ bằng cách sử dụng 2 tấm nhôm 16 đã gia công lỗ ốc để cố định Việc lắp vít me theo kiểu Fixed-Free sẽ giúp đơn giản hóa quá trình lắp đặt.

Hình 3.5 Thiết kế truyền động trục Y 2

Thiết kế truyền động trục C cho turret tiện nhằm giữ cứng trục khi sử dụng khớp nối răng Trong quá trình thay dao, hệ thống sử dụng một xilanh để đẩy trục turret và ba lò xo hồi để đưa trục trở lại vị trí ban đầu, đồng thời đảm bảo phần ăn khớp của khớp nối được ép cứng Trục turret được truyền động bằng cặp puly với tỷ số truyền 1:2.

Hình 3.6 Thiết kế truyền động trục C

3.1.3 Thiết kế truyền động trục Z

Trục Z đóng vai trò quan trọng trong việc truyền động cho cụm trục B, bao gồm hợp số giảm tốc và spindle theo phương thẳng đứng Do động cơ trục chính phải chịu lực lớn trong quá trình gia công, nên thân trục Z được chế tạo từ vật liệu nhôm hợp kim, đảm bảo độ cứng vững cao và không bị biến dạng dưới tải trọng nặng Bên trong trục Z có khoảng rỗng để lắp đặt vít me và các bộ phận truyền động.

Hình 3.7 Cơ cấu Z hoàn chỉnh

Để đảm bảo trục Z có khả năng kéo tải trọng lớn, các gối đỡ vít me cần được lắp đặt chắc chắn Việc sử dụng kiểu lắp Fixed-Support sẽ tăng cường độ ổn định của vít me trong quá trình quay.

Hình 3.8 Cơ cấu truyền động trục Z

3.1.4 Thiết kế truyền động trục A

Trục A có vai trò quan trọng trong việc xoay phôi gia công theo các gốc xoay xác định và thực hiện chu trình tiện Khi trục măm cặp xoay, nó phải chịu lực cắt lớn theo hướng tâm, do đó, để đảm bảo độ ổn định và an toàn trong quá trình gia công, cần sử dụng ba ổ bi Trong đó, hai ổ được lắp ở đầu gần măm cặp để chịu lực chính, và một ổ được lắp ở đuôi trục măm cặp nhằm triệt tiêu độ đảo của trục.

Hình 3.9 Cơ cấu truyền động trục A

Do không gian chứa trục A tương đối hẹp nên thiết kế lắp động cơ kéo nằm bên ngoài vỏ, sử dụng puly truyền động tỉ số truyền 1:2

3.1.5 Thiết kế truyền động trục B

Trục B đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ và xoay trục chính, giúp gia công các bề mặt khó Do phải chịu lực cắt lớn trong quá trình gia công, trục B cần có độ cứng vững cao để đảm bảo hiệu suất và chất lượng công việc.

Trục B yêu cầu một momen giữ lớn để chống lại lực cắt có thể làm xoay toàn bộ cụm trục chính Để đạt được hiệu quả này, việc sử dụng truyền động thông qua hộp số là cần thiết thay vì truyền động trực tiếp từ trục.

Động cơ bước được sử dụng trong không gian hạn chế của trục Z, vì vậy hộp số Harmonic được chọn thay vì hộp số bánh răng hành tinh thông thường Hộp số Harmonic không chỉ tiết kiệm không gian mà còn cung cấp tỷ số truyền cao hơn, giúp tối ưu hóa momen giữ cho động cơ.

Hình 3.11 Truyền động thông qua hộp số Harmonic

Hình 3.12 Thiết kế tổng thể của máy.

Thiết kế tổng thể của máy bao gồm hai phần đế của trục Y 1 và Y 2 liên kết với thân trục X nằm đối diện nhau Trục A cùng với phần mâm cặp được lắp đặt trên con trượt của trục X, trong khi thân trục Z được cố định trên phần đế truyền động của trục Y Động cơ trục chính được kết nối với cụm trục B thông qua hộp số, và hộp số này được lắp cố định vào tấm đế truyền động.

Lựa chọn phương án truyền động

Cấu trúc máy cần đạt độ cứng vững tối ưu để đảm bảo an toàn trong quá trình gia công các kim loại mềm như đồng và nhôm Đồng thời, các chi tiết truyền động cơ khí phải có độ chính xác cao, đảm bảo dung sai gia công ở mức ± 0.01mm.

Có 2 loại vít me thông dụng: Vít me đai ốc dạng thường và vít me đai ốc bi.

- Vit me đai ốc dạng thường:

Hình 3.13 Vit me đai ốc.

Vít me đai ốc nổi bật với độ chính xác truyền động cao và tỷ số truyền lớn, mang lại khả năng truyền động êm ái và lực truyền mạnh mẽ Tuy nhiên, việc sử dụng đai ốc cũng tạo ra ma sát lớn, dẫn đến hiệu năng truyền động thấp, khiến chúng ít được áp dụng rộng rãi trong thực tế.

- Vít me đai ốc bi:

Vít me đai ốc bi có cấu tạo tương tự như vít me đai ốc thông thường, nhưng sử dụng đai ốc dẫn hướng bằng các viên bi tròn giúp giảm thiểu ma sát, đạt hiệu suất cao từ 90 – 95% Sản phẩm này hầu như không có khe hở trong mối ghép và có khả năng tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững theo hướng trục.

Hình 3.14 Vít me đai ốc bi

Vít me đai ốc bi được ưa chuộng trong các thiết bị yêu cầu truyền động thẳng chính xác, như máy khoan, doa tọa độ và các máy điều khiển chương trình số, nhờ vào những ưu điểm nổi bật của chúng.

Nhóm đã quyết định chọn loại vít me dạng bi do khả năng làm việc hiệu quả, với độ ma sát thấp và ổn định Loại vít này mang lại hiệu suất truyền động cao và gần như không bị ảnh hưởng bởi tốc độ.

Hình 3.15 Mối quan hệ giữa ma sát và tốc độ của 2 dạng vít me

Biểu đồ cho thấy rằng vít me đai ốc bi khởi động trục vít dạng bi nhanh hơn nhiều so với vít me đai ốc thông thường Do đó, vít me đai ốc dạng bi là lựa chọn tối ưu nhất cho các ứng dụng cần hiệu suất cao.

3.2.2 Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng

Cấu tạo thanh trượt vuông mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như giảm ma sát lăn, giúp quá trình dẫn hướng tuyến tính trở nên dễ dàng hơn Thanh trượt này có độ cứng cao, khả năng chịu tải tốt và tuổi thọ dài, hiếm khi bị mài mòn Ngoài ra, nó còn có khả năng chống rung hiệu quả, đồng thời dễ dàng trong việc bảo trì và sửa chữa.

Nhược điểm: Chi phí cao.

Để thuận tiện cho việc gia công và lắp đặt, có thể sử dụng các bộ phận sẵn có trong cấu trúc dẫn hướng như ổ trượt và thanh ray.

Hình 3.17 Thanh trượt tròn Ưu điểm: Thanh trượt, con trượt tròn có độ chính xác cao mà lại có giá thành phải chăng

Nhược điểm: chịu tải không tốt , độ chính xác và cứng vững không ổn định

Nhược điểm của phương pháp này là quá trình gia công rãnh mang cá rất phức tạp, và trong quá trình gia công, phoi có thể rơi vào bề mặt trượt giữa các rãnh, gây ra ma sát mài mòn Sau một thời gian sử dụng, việc thay thế các nêm trở nên cần thiết, nhưng việc bảo trì và sửa chữa lại khá khó khăn Mặc dù vậy, ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là giá thành rẻ.

Để đáp ứng yêu cầu thiết kế về khả năng chịu tải cao, đồng thời nâng cao tính tiện lợi và đơn giản hóa quy trình gia công lắp đặt, nhóm đã quyết định sử dụng cơ cấu thanh trượt vuông.

3.2.3 Cơ cấu truyền động tích hợp vitme và ray trượt.

Ngoài các loại cơ cấu dẫn hướng và truyền động truyền thống, thị trường còn cung cấp các sản phẩm tích hợp cả hai chức năng này, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cho người sử dụng.

LM Guide Actuator Model KR

LM Guide + Ball Screw = Integral-structure Actuator

Hình 3.19 Cấu tạo của LM Guide Actuator Model KR

Cơ cấu truyền động tích hợp dẫn hướng có các đặc điểm:

- Tăng độ cứng vững chống moment xoắn tốt.

- Các sản phẩm đa dạng trên thị trường với nhiều loại kích cỡ khác nhau (Giảm thời gian thiết kế và lắp đặt).

- Dễ bảo trì, bảo dưỡng, tiết kiệm không gian.

- Có thể được sử dụng trong mọi hướng lắp đặt.

Khi thiết kế mô hình trung tâm gia công CNC, việc lựa chọn dẫn động và dẫn hướng là rất quan trọng để tiết kiệm không gian và thời gian Để đảm bảo độ cứng vững và hoạt động êm ái, bên cạnh các cơ cấu truyền động dẫn hướng thông thường, nhóm đã sử dụng cụm cơ cấu truyền động tích hợp vitme và thanh ray trượt Cụ thể, bộ vít me thanh ray trượt của hãng THK, Model Kr, đã được áp dụng cho trục.

X Vì trục X chịu trách nhiệm truyền động cho trục A chứa mâm cặp kẹp phôi gia công nên phải chịu tải lớn và có hành trình làm việc lớn nhất trong các trục.

Lựa chọn phần điện

Động cơ trục chính (động cơ phay) là bộ phận quan trọng ảnh hưởng đến khả năng gia công và chất lượng sản phẩm Đặc biệt, trong các mô hình CNC tích hợp chức năng thay dao tự động, động cơ trục chính cần có khả năng kẹp và nhả dao trong quá trình gia công Động cơ trục chính được chia thành hai loại: động cơ một chiều (DC) và động cơ ba pha Đối với máy gia công CNC nhỏ, động cơ một chiều (DC) là lựa chọn phù hợp nhờ vào moment khởi động lớn và khả năng điều khiển chiều, tốc độ dễ dàng Tuy nhiên, động cơ DC có dải điều kiện tốc độ hẹp và yêu cầu nguồn cấp riêng, do đó thường chỉ được áp dụng cho máy CNC công suất nhỏ hoặc mô hình.

- Động cơ một chiều có chổi than

Hình 3.20 Động cơ không chổi than Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ điều khiển

Nhược điểm: ồn, nóng khi hoạt động, tuổi thọ động cơ không cao

- Động cơ một chiều không chổi than

Hình 3.21 Động cơ một chiều có chổi than Ưu điểm: cho phép điều khiển tốc độ và mômen động cơ dễ dàng, chính xác hơn, hoạt động êm ái.

Động cơ xoay chiều (AC) có nhiều ưu điểm như đa dạng về chủng loại và khả năng điều khiển nhiều mức tốc độ thông qua biến tần Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của nó là giá thành khá đắt Việc sử dụng động cơ xoay chiều cũng mang lại lợi ích khi có thể sử dụng trực tiếp nguồn điện 220V sẵn có.

Hình 3.22 Động cơ servo xoay chiều không chổi than BTD4 0860 Động cơ xoay chiều chiều gồm 2 loại:

- Động cơ một xoay chiều lồng lồng sốc không đồng bộ, dùng biến biến tần để điều khiển, có kích thước lớn.

Động cơ Servo tốc độ cao có hồi tiếp cho phép điều khiển chính xác tốc độ, với khả năng thay đổi tốc độ liên tục và đáp ứng nhanh chóng Nó duy trì momen ổn định trong nhiều dải tốc độ, tuy nhiên, giá thành của nó khá cao.

Sau khi phân tích các lựa chọn, nhóm đã quyết định chọn Spindle NSK Nakanishi NR50-5100 ATC để đáp ứng nhu cầu thay dao trong gia công và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế Sản phẩm này sử dụng đầu kẹp dao CHR collet được thiết kế đặc biệt, cho phép kẹp và nhả dao trực tiếp trên động cơ, mang lại sự linh hoạt và dễ dàng trong việc thay thế dụng cụ Việc thay đổi dụng cụ cắt được thực hiện tự động thông qua cung cấp khí nén áp lực cao cho trục chính Động cơ của spindle này được trang bị 3 vòng bi chính xác cao, trong đó có 1 vòng bi bằng sứ, đảm bảo khả năng gia công chính xác và tốc độ cao.

Hình 3.23 Spindle NSK Nakanishi NR50-5100 ATC.

- Tốc độ quay tối đa cho phép: 50.000 vòng /phútμ. Độ sai lệch của trục chính: trong khoảng 1 m.-

- Áp suất khí để đóng mở Collet: 80 ~ 87 PSI

- Sử dụng nguồn điện: DC-24V

Động cơ trục chính, hay còn gọi là động cơ tiện, đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công tiện với yêu cầu đạt tốc độ quay nhất định và lực kéo cao Để đáp ứng nhu cầu chuyển động xoay góc chính xác của trục A, động cơ Servo thường được xem xét Tuy nhiên, nhóm quyết định lựa chọn động cơ bước do tính kinh tế và khả năng cung cấp chuyển động xoay với độ chính xác cao, đặc biệt khi đề tài chỉ dừng lại ở mức độ mô hình với tốc độ dưới 1000 vòng/phút.

Do nhu cầu momen xoắn cao nên nhóm quyết định chọn động cơ bước 86BYGH250 Thông số động cơ: °

- Điện áp định mức: DC 18V

Động cơ cho các trục X, Y, Z và các cụm truyền động khác trong máy CNC đòi hỏi độ chính xác cao Hai loại động cơ phổ biến được sử dụng là động cơ bước và động cơ servo Mỗi loại động cơ có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và dưới đây là bảng so sánh chi tiết giữa hai loại động cơ này.

Giá thành (Động cơ + driver) Độ phân giải

Bảng 3.1 So sánh 2 động cơ

Do yêu cầu độ chính xác cao cho các động cơ truyền động trong máy CNC, việc sử dụng động cơ Servo sẽ tốn kém và phức tạp hơn so với động cơ bước Với 6 động cơ cần thiết và mục đích của mô hình, động cơ bước vẫn đáp ứng được nhu cầu truyền động với sai lệch cho phép và dễ dàng điều khiển hơn Vì vậy, nhóm quyết định chọn động cơ bước để truyền động cho các trục của máy, cụ thể là 3 động cơ StepSyn 103H7822-0440, 1 động cơ StepSyn 103H7124-1145, 1 động cơ StepSyn 103H7123-0740, và 1 động cơ Guzik S1701B.

3.2.2 Lựa chọn phần mềm điều khiển

Hệ thống điều khiển là một thành phần thiết yếu của máy CNC, có chức năng chuyển đổi các lệnh G-code thành xung điều khiển cho động cơ, thông qua quá trình nội suy bằng phần mềm.

Phần mềm điều khiển máy CNC cần có khả năng giao tiếp với mạch điều khiển và nhận diện G-code để thực hiện nội suy Đối với các nội suy 2D đơn giản như đường thẳng và đường tròn, người chế tạo có thể tự phát triển phần mềm Tuy nhiên, để gia công các bề mặt cong và hình dạng phức tạp 3D, việc lập trình phần mềm trở nên phức tạp và khó khăn Do đó, sử dụng phần mềm điều khiển chuyên nghiệp từ bên thứ ba là giải pháp tối ưu cho các yêu cầu này.

Phần mềm Mach 3 là lựa chọn phổ biến cho các máy CNC tự chế, đảm nhận vai trò quan trọng trong việc điều khiển máy thực hiện các công việc theo yêu cầu của người gia công Nhiệm vụ chính của Mach 3 là điều khiển chuyển động của trục chính để gia công bề mặt vật liệu, thực hiện theo lập trình đã được cài đặt trước.

TÍNH TOÁN KIỂM NGHIỆM MÔ HÌNH TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

Tính toán thanh trượt - con trượt bi

Việc chọn thanh trượt cho hệ thống máy móc là quá trình phức tạp, cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố như độ chính xác, khả năng chịu tải và thời gian phục vụ Đồng thời, cần đảm bảo tính kinh tế trong lựa chọn để đáp ứng yêu cầu hoạt động hiệu quả của hệ thống.

Dưới đây là lưu đồ lựa chọn thanh trượt bi cho hệ thống, dựa trên tài liệu của công ty THK, chuyên sản xuất vít me và thanh trượt Quá trình chọn lựa thanh trượt bi cho mô hình trung tâm gia công CNC được thực hiện theo sơ đồ này, tuy nhiên, do yêu cầu kỹ thuật không quá khắt khe, một số bước trong quy trình sẽ được đơn giản hóa.

Hình 4.1 Quy trình chọn thanh trượt bi

Thanh trượt bi có nhiều kiểu lắp đặt khác nhau tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, nhưng nên ưu tiên các kiểu lắp đơn giản phù hợp với thiết kế và theo quy định trong catalogue của nhà sản xuất.

Hình 4.2 Một số kiểu lắp đặt thanh trượt

Khi lắp đặt thanh trượt, cần chú ý đến số lượng thanh trượt trên một mặt phẳng để đảm bảo tính cứng vững và tối ưu hóa thông số kỹ thuật do nhà sản xuất cung cấp Việc này giúp đảm bảo độ chính xác và giảm thiểu sai lệch do khe hở trong quá trình chuyển động tịnh tiến.

Để lựa chọn loại thanh trượt phù hợp, cần xem xét số lượng thanh trượt yêu cầu trong một mặt phẳng Dựa vào nhu cầu sử dụng, người dùng có thể tham khảo kích thước và khả năng chịu tải thông qua bảng thông số kỹ thuật của nhà sản xuất.

Tiếp theo, xét đến khả năng chịu tải, lực và moment tác dụng lên thanh trượt.

Hình 4.4 Các lực và momen xoắn tác động lên con trượt

Vị trí của dãy bi trong khối trượt ảnh hưởng đến khả năng chịu tải ở các hướng, từ đó quyết định kiểu lắp đặt thanh trượt Thanh trượt bi với 4 dãy có khả năng chịu tải đồng đều, cho phép lắp theo kiểu H (nằm ngang), R (ngược lại H) và K (kiểu lắp Wall mount) Ngược lại, thanh trượt kiểu Radial, với các dãy bi bố trí trên cung tròn, cho hiệu suất chịu lực tối ưu khi lắp đặt theo kiểu này.

Hình 4.5 Các kiểu rãnh bi trong con trượt

Nhằm đơn giản hóa thiết kế và giảm chi phí, nhóm đã quyết định lắp thanh trượt theo phương ngang (H) và sử dụng thanh trượt kiểu Radial Thiết kế này phù hợp với việc chịu tải trọng chính, chủ yếu là tải trọng trọng lực theo phương thẳng đứng.

Để tính toán khả năng chịu tải trọng của thanh trượt, khi thanh trượt chịu tải trọng tương ứng với các giá trị M A, M B, M C, ta có thể xác định lực tác dụng lên khối trượt theo công thức P = K*M, trong đó K là các hệ số tra bảng tương ứng với từng loại thanh trượt Bài toán cụ thể cần tính lực tác dụng khi tải chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc.

Hình 4.6 Lực và momen xoắn tác dụng lên trục

Dựa trên mô hình, phương thức lắp, loại con trượt, ray trượt và số lượng ray và con trượt trên ba trục X, Y và Y2 là giống nhau Tuy nhiên, ray và con trượt bi của trục Y phải chịu tải lớn hơn so với trục X và trục Y2 của turret, vì vậy chỉ cần tính toán sơ bộ khả năng chịu tải và tuổi thọ gần đúng cho trục Y và trục Z.

Tính toán ray trượt trục Y

Tính toán lực tác dụng lên ray trượt trục Y theo sơ đồ phân bố lực bên dưới:

Hình 4.7 Lực tác dụng lên con trượt khi chuyển động Thông số đầu vào:

Bảng 4.1 Thông số của con trượt bi hãng THK

 Con trượt sử dụng có mã THK SSR 15XW (C= 14.7 kN, C 0 = 16.5 kN)

 Khối lượng tác dụng lên ray: m= 10,5 (kg)

 Vận tốc chạy khi không gia công: v= 0,1 (m/s)

 Gia tốc khi chuyển động tới: α 1 = 5 (m/s 2 )

 Gia tốc khi chuyển động lui: α 2 = 5 (m/s 2 )

 Hành trình dịch chuyển: l s = 300 (mm)

Hình 4.8 Biểu đồ vận tốc và thời gian khi con trượt truyền động

Với: Khoảng cách giữa tâm 2 con trượt trên cùng 1 ray: l 1 0,06 m, Khoảng cách giữa 2 ray trượt: l 2 =0.16 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Y theo phương Z: l 3 = 0,25 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Y theo phương X: l 4 = 0,053 m

 Lực tác dụng khi chuyển động đều:

Lực tác dụng khi chuyển động tăng tốc tới:

Tải trọng đảo hướng tâm:

Lực tác dụng khi giảm tốc chuyển động tới:

Lực tác dụng khi tăng tốc chuyển động lui:

Lực tác dụng khi giảm tốc chuyển động lui:

Khi chuyển động tăng tốc tới:

Khi chuyển động giảm tốc tới:

Khi chuyển động tăng tốc lùi:

Khi chuyển động giảm tốc lùi:

Lực trung bình tác dụng lên ray:

Tính toán hệ số an toàn

Theo như kết quả tính toán trên, lực lớn nhất tác dụng lên ray trượt là 135,1 N vậy hệ số an toàn được tính theo công thức sau:

Theo thông số của nhà sản xuất khuyến nghị f s >2,7 => Thỏa điều kiện an toàn.

Tính toán tuổi thọ ray trượt

Với hệ số tải f w =1,5 ; tải trọng động C,7 kN

 Tuổi thọ sử dụng của ray trượt dưới điều kiện làm việc trên là 18,9 km

Tính toán ray trượt trục Z

Tính toán lực tác dụng lên ray trượt trục Z theo sơ đồ phân bố lực bên dưới:

Hình 4.9 Lực tác dụng lên ray trượt trục Z

Bảng 4.2 Thông số con trượt trích Catalog hãng THK Ray trượt cần tính có mã THK SSR15XTB

 Khối lượng tác dụng lên ray: m= 4 kg

 Gia tốc khi chuyển động lên: α 1 = 5 (m/s 2 )

 Gia tốc khi chuyển động xuống: α 2 = 5 (m/s 2 )

Hình 4.10 Biểu đồ vận tốc và thời gian khi con trượt truyền động

 Với: Khoảng cách giữa tâm 2 con trượt trên cùng 1 ray: l 1 = 0,06 m, Khoảng cách giữa 2 ray trượt: l 2 = 0.136 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Z theo phương Y: l 3 = 0,1 m

Khoảng cách từ tâm vít me đến trọng tâm của khối lượng đặt lên ray Y theo phương X: l 4 = 0 m

Lực tác dụng khi chuyển động đều:

Lực tác dụng khi chuyển động tăng tốc đi xuống:

Lực tác dụng khi chuyển động giảm tốc đi xuống:

Lực tác dụng khi chuyển động tăng tốc đi lên:

Lực tác dụng khi chuyển động giảm tốc đi lên:

Khi chuyển động tăng tốc xuống:

Khi chuyển động giảm tốc xuống:

Khi chuyển động tăng tốc lên:

Khi chuyển động giảm tốc lên:

Lực trung bình tác dụng lên ray:

Tính toán hệ số an toàn

Theo như kết quả tính toán trên, lực lớn nhất tác dụng lên ray trượt là 135,1 N vậy hệ số an toàn được tính theo công thức sau:

Theo thông số của nhà sản xuất khuyến nghị f s >2,7 => Thỏa điều kiện an toàn.

Tính toán tuổi thọ ray trượt

Với hệ số tải f w =1,5 ; tải trọng động C,7 kN

Tuổi thọ sử dụng của ray trượt dưới điều kiện làm việc trên là 13,5 km

4.2.2 Tính toán vít me – đai ốc bi: Để đảm bảo khả năng làm việc và độ an toàn cho thanh vít me khi làm việc bằng cách kiểm tra độ cứng vững của vít me thông qua các thông số độ uốn dọc trục, khả năng chịu kéo và tốc độ quay tối đa cho phép Trong đó:

Lực có khả năng gây uốn dọc trục cho vít me bi:

Lực kéo - nén gây nguy hiểm:

Tốc độ quay tối đa cho phép:

Với: ŋ 2 : hệ số phụ thuộc cách lắp vít me (kiểu lắp fixed-support có ŋ 2 ) d 1 : đường kính trong của vít me (mm) l a : chiều dài thanh vít me (mm)

Hệ số phụ thuộc vào cách lắp đặt vít me, đặc biệt là các vít me có kiểu lắp fixed-support Việc áp dụng các công thức trên giúp kiểm tra hiệu quả cho các vít me sử dụng trên các trục.

Tính toán kiểm nghiệm vitme – đai ốc bi các trục

Lực có khả năng gây uốn dọc trục cho vít me bi:

Lực kéo - nén gây nguy hiểm:

Tốc độ quay tối đa cho phép:

Tất cả các trục truyền động vít me đều sử dụng động cơ bước Stepsyn kích thước

60, có momen xoắn tối đa M= 2,7 N/m, ta tính được lực kéo tối đa của động cơ:

Lực kéo tối đa động cơ tạo ra:

Trong đó: p là bước răng của vít me, vít me có bước lớn nhất được sử dụng trên máy là 5mm.

Các lực tác dụng cần thiết để phá hủy vít me lớn hơn nhiều so với lực tối đa mà động cơ bước có thể tạo ra Hơn nữa, tốc độ quay của động cơ luôn được giữ dưới 2000 vòng/phút, điều này giúp đảm bảo rằng vít me hoạt động an toàn trong giới hạn cho phép.

Tính toán kiểm nghiệm đai ốc bi sử dụng trên các trục:

Khi chọn đai ốc bi, cần xem xét bước răng và đường kính của vít me Đồng thời, việc kiểm nghiệm khả năng chịu tải và tuổi thọ của đai ốc bi cũng rất quan trọng, thông qua các thông số tải trọng động.

C và tải trọng tĩnh C o mà hãng sản xuất công bố Đối với mô hình, các đai ốc bi sử dụng

Tải trọng lớn nhất trên trục X do vít me kéo tạo ra, vì vậy chỉ cần kiểm nghiệm vít me đai ốc bi của trục Y Tất cả các trục đều có cấu trúc tương tự nhau.

Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh: với F amax : lực dọc trục lớn nhất.

Bảng 4.3 Hệ số an toàn của đai ốc bi theo Catalog của hãng THK Tính toán các tải dọc trục tác dụng lên đai ốc bi:

Hình 4.11 Lực tác dụng lên đai ốc bi khi truyền động Tải dọc trục khi tăng tốc sang trái:

Tải dọc trục khi chuyển động đều sang trái:

Tải dọc trục khi giảm tốc sang trái:

Tải dọc trục khi tăng tốc sang phải:

Tải dọc trục khi chuyển động đều sang phải:

Tải dọc trục khi giảm tốc sang phải:

Trong bài viết này, chúng ta xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến lực dọc trục tương ứng (F_an) với công thức F_an = m * g - f - a * m Ở đây, hệ số ma sát (à) đóng vai trò quan trọng, trong khi khối lượng tải trọng (m) được xác định là 10 kg Gia tốc trọng trường (g) có giá trị 9,8 m/s², và lực cản ban đầu (f) khi không có tải ngoài là 10 N Cuối cùng, gia tốc (a) được tính là 0,2 m/s², ảnh hưởng đến tổng lực tác động lên hệ thống.

Quãng đường chuyển động đều:

Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh: => Thỏa điều kiện F s >4 Với: C: tải trọng động, C= 5,5 (kN)

Công thức tính toán tải dọc trục trung bình:

Với F m : tải dọc trục trung bình (N)

F n : tải thành phần (N) ln: quãng đường chịu tải F n (mm) l: tổng hành trình vít me (mm)

Tuổi thọ thanh vít me-đai ốc bi tính theo số vòng quay được:

Tuổi thọ thanh vít me-đai ốc bi tính theo thời gian (giờ):

(h) Với C: hệ số tải trọng động (N).

F a : tải dọc trục trung bình lớn nhất (N).

F w :hệ số tải, F w 1,2 (tra Catalog hang THK).

N: tốc độ quay (vòng/ phút).

CHẾ TẠO VÀ LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Tiêu đề	Thiết Kế Và Chế Tạo Mô Hình Trung Tâm Gia Công CNC
Tác giả	Lê Chí Thiện, Trần Hoàng Quý, Hồ Văn Trọng
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Văn Minh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Chế Tạo Máy
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2020
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	117
Dung lượng	6,87 MB