Đề tài cải tiến máy phay cnc 5 trục head head kết cấu h frame

Máy gia công 5 trăc đ°āc ćng dăng rÃt nhiÃu trong các ngành sÁn xuÃt, chÁ t¿o máy, chą yÁu là đÅ gia cơng các bï phÁn cąa máy bay, đïng c¢ ỗt trong, v cỏc chi tit mỏy cho ngnh ụ tơ.. H¢n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

CẢI TIẾN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC HEAD-HEAD

KẾT CẤU H - FRAME

MÃ SỐ: SV2020-66

SKC 0 0 7 3 5 2

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2020

Bî GIÁO DĂC VÀ ĐÀO T¾O

TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM

ĐÂ TÀI NGHIÊN CĆU KHOA HâC CĄA SINH VIÊN

Bî GIÁO DĂC VÀ ĐÀO T¾O

TR¯âNG ĐH S¯ PH¾M KỸ THUÀT TPHCM

ĐÂ TÀI NGHIÊN CĆU KHOA HâC CĄA SINH VIÊN

C ÀI TIÀN MÁY PHAY CNC 5 TRĂC HEAD-HEAD

K ÀT CÂU H - FRAME

SV2020 - 66

Thuïc nhóm ngành khoa hãc: Kỹ ThuÁt

SV thāc hián: Nguyßn Trí HiÅu Nam, Nÿ: Nam

Dân tïc: Kinh

Lñp, khoa: 16143CL2, Khoa Đào t¿o ChÃt L°āng Cao

Năm thć: 4/ Sç năm đào t¿o: 8

Ngành hãc: Công nghá ChÁ t¿o máy

Ng°ói h°ñng d¿n: PGS TS Ph¿m Huy Tuân

TP Hé Chí Minh, tháng 10, năm 2020

M ĂC LĂC

PHÄN Mô ĐÄU 1

1 TêNG QUAN VÂ LÃNH VĀC NGHIÊN CĆU 1

1.1 Ngoài n°ñc 1

1.2 Trong n°ñc 2

2 LÍ DO CHâN ĐÂ TÀI 2

3 MĂC TIÊU ĐÂ TÀI 3

4 ĐæI T¯ĀNG VÀ PH¾M VI NGHIÊN CĆU 3

4.1 Đçi t°āng nghiên cću 3

4.2 Ph¿m vi nghiên cću 3

5 CÁCH TIÀP CÀN VÀ PH¯¡NG PHÁP NGHIÊN CĆU 3

5.1 Cách tiÁp cÁn 3

5.2 Ph°¢ng pháp nghiên cću 4

CH¯¡NG 1: C¡ Sô LÍ THUYÀT 5

1.1 ĐIÂU KHIÄN Sæ, LÝ THUYÀT MÁY VÀ CÁC CÔNG CĂ CNC 5

1.1.1 Giñi thiáu 5

1.1.2 Há thçng d¿n đïng CNC 5

1.1.3 Vòng điÃu khiÅn CNC (CNC Control Loop) 7

1.1.4 Các thành phÅn cąa há thçng CNC 8

1.2 THIÀT KÀ KÀT CÂU 3 TRĂC Đ¡N GIÀN 9

1.2.1 C¢ sõ tính toán thiÁt kÁ 9

1.3 THIÀT KÀ CĂM TRĂC XOAY B-C 25

1.3.1 Hïp sç Harmonic 25

1.3.2 Hïp sç hành tinh (Planetary Gearbox) 26

CH¯¡NG II THIÀT KÀ MÁY 31

2.1 XÂY DĀNG CÁC MÔ HÌNH ĐIàN TĀ TRÊN MÁY TÍNH (CAD) 31

2.1.1 C¢ sõ thiÁt kÁ và xây dāng 31

2.1.2 KÁ thÿa mô hình thiÁt kÁ ban đÅu 31

2.1.3 ThiÁt kÁ mô hình CAD trăc xoay C 35

2.1.4 ThiÁt kÁ mô hình CAD trăc xoay B 36

2.1.5 ThiÁt kÁ mô hình CAD căm lÃp Z-B-C 38

2.1.6 Mô hình máy hoàn thián 39

2.1.7 BÁn v¿ kĩ thuÁt 40

2.2 THIÀT KÀ C¡ KHÍ 41

2.2.1 ThiÁt kÁ kÁt cÃu 03 trăc c¢ bÁn 41

2.2.2 ThiÁt kÁ thân đÿ trăc chính 43

2.2.3 Lāa chãn Vít-me bi 46

2.3 MÔ PHäNG BÂN KÀT CÂU MÁY (CAE) 48

2.3.1 Giñi thiáu 48

2.3.2 Tiêu chuÇn kÁt cÃu tĩnh cąa căm trăc Z-B-C 49

CH¯¡NG III: CHÀ T¾O MÁY VÀ LÂP RÁP 67

3.1 KHôI T¾O QUI TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIÀT MÁY 67

3.2 TIÀN HÀNH GIA CÔNG 69

3.3 KIÄM TRA CHÂT L¯ĀNG 69

CH¯¡NG IV: THIÀT KÀ Hà THæNG ĐIàN – ĐIÂU KHIÄN 72

4.1 THIÀT Bà ĐIàN 72

4.1.1 M¿ch Mach3 LPT 72

4.1.2 Stepper Driver LeadShine DMA860H 72

4.1.3 Đïng c¢ b°ñc 73

4.1.4 BiÁn tÅn 74

4.1.5 Cą đăc vi tính 74

4.2 PHÄN MÂM CH¯¡NG TRÌNH MACH3MILL 75

4.2.1 Giñi thiáu 75

4.2.2 Nguén gçc và chćc năng 75

4.2.3 Nhÿng vÃn đà khi sā dăng Mach3 76

4.3 Hà THæNG ĐIàN 76

4.4 Hà THæNG ĐIÂU KHIÄN VÀ POST-PROCESSOR 87

4.4.1 Đánh nghĩa 87

4.4.2 Qui trình ho¿t đïng cąa Post-processor 88

4.4.3 Đánh nghĩa khoÁng cách Pivot 88

4.4.4 Đánh nghĩa máy trong Mastercam 90

CH¯¡NG V: SÀN PHÆM GIA CÔNG CĄA MÁY 92

5.1 SÀN PHÆM GIA CÔNG 2D TRÊN 3 TRĂC X, Y VÀ Z 92

5.2 SÀN PHÆM GIA CÔNG 3D TRÊN 3 TRĂC X, Y VÀ Z 92

5.3 SÀN PHÆM Gì GIA CÔNG 3 + 2 TRÊN 5 TRĂC 93

5.4 SÀN PHÆM GIA CÔNG 5 TRĂC ĐèNG THòI 93

CH¯¡NG VI: KÀT LUÀN VÀ KIÀN NGHà 95

6.1 KÀT LUÀN 95

6.2 KIÀN NGHà 95

CH¯¡NG VII: H¯ðNG PHÁT TRIÄN TRONG T¯¡NG LAI 97

7.1 CÃu trúc 97

7.2 Mô phång 97

7.2.1 Các tiêu chí đÅ mô phång tĩnh 97

7.2.2 PhÁn ćng và đïng hãc 97

7.2.3 Mô phång tĩnh 98

TÀI LIàU THAM KHÀO 102

M ĂC LĂC BÀNG BIÄU

BÁng 2.1 Thông sç phay mÁt và phay ngón 41

BÁng 2.2 Thông sç phay đë xuçng 42

BÁng 2.3 Thçng sç thiÁt kÁ thân đÿ 43

BÁng 2.4 Lāc cÃt dãc trăc Y 44

BÁng 2.5 Lāc cÃt tác dãc trăc X 45

BÁng 2.6 Các tr°óng hāp lāc dãc trăc có thÅ xÁy ra 46

BÁng 2.7 Thông sç cąa vít-me bi đã chãn 48

BÁng 2.8 Toán toán bÃn 48

BÁng 2.9 BÁng thông sç vÁt liáu 49

BÁng 2.10 Ành h°õng cąa lāc cÃt lên căm spindle 51

BÁng 2.11 Thông sç cąa phiên bÁn 1 khi cháu tác dăng cąa lāc cÃt 52

BÁng 2.12 Thông sç cąa phiên bÁn 2 khi cháu tác dăng cąa lāc cÃt 54

BÁng 2.13 Thông sç cąa phiên bÁn 2 khi cháu tác dăng cąa lāc cÃt 56

BÁng 2.14 Thông sç cąa phiên bÁn 2 khi cháu tác dăng cąa lāc cÃt 58

BÁng 2.15 BÁng tëng kÁt thông sç cąa các phiên bÁn 60

BÁng 2.16 TÅn sç dao đïng tā nhiên và các vá trí xÁy ra dao đïng theo phÅn mÃm Ansys 64

BÁng 2.17 Mçi quan há giÿa chuyÅn vá, tÅn sç dao đïng riêng và sç vòng trên phút 66

BÁng 7.1 Thông sç cąa phiên bÁn mñi khi cháu tác dăng cąa lāc cÃt 98

BÁng 7.2 Thông sç cąa phiên bÁn 4 và phiên bÁn t°¢ng lai 99

BÁng 7.3 TÅn sç dao đïng riêng và biên đï dao đïng 101

DANH M ĂC CÁC CHĂ VIÀT TÂT

CNC : Computer Numerical Control

NC : numerical control

EDM: Electrical Discharge Machining

FA: Flexible Automation-

FMS : Flexible Manufacturing Systems

AGV: Autonomous Guided Vehicles

CMM : Coordinate Measurement Machines

CAI: Computer Aided Inspection

CAD: Computer Aided DesignCAPP : Computer Aided Process Planning CAM : Computer Aided Manufacturing

LSI: Large-scale integrated

PMSMs: Permanent Magnet Synchronous Motors

LM : Linear Movement

MMI: Man Machine Interface

NCK: Numerical Control Kernel

PLC : Programmable Logic Control

PID: Proportional Integral Derivative

FIFO : First In, First Out

CPU: Central Processing Unit

RAM: Random Access Memory

ST: Structured Text-

FBD: Function Block Diagram

SFC: Sequential Function Charts

LD: Ladder Diagram

IL: Instruction List

Dāa theo phân tích cąa Technavio, thá tr°óng trung tâm gia công 5 trăc toàn cÅu đ°āc

dā đoán s¿ tăng tr°õng vñi tçc đï ën đánh và đ¿t tỷ lá tăng tr°õng kép hàng năm (CAGR) gÅn 7% trong giai đo¿n dā báo Nhu cÅu ngày càng tăng đçi vñi các máy đa lĩnh vāc trên toàn cÅu s¿ thúc đÇy triÅn vãng tăng tr°õng cho thá tr°óng trung tâm gia công CNC 5 trăc cho đÁn cuçi năm 2021 Thá tr°óng đang chćng kiÁn sā thay đëi lñn tÿ các máy truyÃn thçng sang các trung tâm gia công CNC 5 trăc, kÁt hāp tÃt cÁ các chu trình nh° phay, khoan,

v¿t mÁt và tián trong mït máy duy nhÃt đÅ tăng năng suÃt và giÁm thói gian gia công Các ph°¢ng pháp gia công tián ren ngoài, ren, ren trong, rãnh và móc lí là mït sç các chćc năng khác mà có thÅ đ°āc thāc hián trên tích hāp trên cÁ máy phay đÅ giÁm viác gá đÁt chi tiÁt nhiÃu lÅn Vñi tính năng tích hāp các công că tián, mà mït lÅn nÿa, s¿ thúc đÇy quá trình chuyÅn đëi tÿ các máy truyÃn thçng trong vài năm tñi

VÃ mÁt đáa lý, Châu Á - Thái Bình D°¢ng (APAC) chiÁm đa sç thá phÅn trong năm

2016 và s¿ tiÁp tăc chiÁm lĩnh thá tr°óng trong bçn năm tñi Mït trong nhÿng yÁu tç chính Ánh h°ñng đÁn sā tăng tr°õng cąa thá tr°óng trong khu vāc này là sā phát triÅn công nghiáp nhanh chóng õ các quçc gia nh° Trung Quçc, Ân Đï, Hàn Quçc, Indonesia và Đài Loan

2

Hình 1.1 Th ị trường trung tâm gia công 5 trục toàn cầu (2017 - 2021)

Trong bçi cÁnh này, khÁ năng cąa gia công 5 trăc trõ nên hÃp d¿n h¢n bao gió hÁt đçi

vñi các doanh nghiáp vÿa và nhå Vñi măc đích mõ rïng cho nhiÃu doanh nghiáp h¢n trong

sç đó tham gia vào thá tr°óng 5 trăc, các hãng sÁn xuÃt và chÁ t¿o máy công că lñn có thÅ

kÅ đÁn nh° DMG Mori, Mazak, Hass Automation, Okuma& đÃu đ°āc phát triÅn và đ°a ra thá tr°óng các trung tâm gia công 5 trăc, đi kèm vñi nó là các giÁi pháp và phÅn mÃm CAD/CAM-CNC cho gia công 5 trăc nh° Mastercam, BobCAD-CAM, Hypermill, Powermill, Vericut&

Tuy nhiên, ngành c¢ khí chÁ t¿o máy trong đó có mÁng chÁ t¿o máy công că vçn có

õ Viát Nam vñi các sÁn phÇm hÅu hÁt l¿i là máy v¿n năng phë thông và có cÃu trúc truyÃn thçng Sā đëi mñi công nghá không có nghĩa là đi mua công nghá, điÅn hình nh° viác nhÁp khÇu máy công că CNC cũng gây bÃt cÁp trong mït sç tr°óng hāp nh°: giá cao, bÁo trì - bÁo d°ÿng phćc t¿p, không chą đïng, khó phát huy kinh tÁ nïi sinh, không nhÁp đ°āc các máy phăc vă quçc phòng& Vì nhÿng lý do đó, viác phÁi làm chą công nghá và nghiên cću phát triÅn các đà tài và máy công că CNC 5 trăc là cÃp thiÁt

3

Các sÁn phÇm công nghá và cuïc sçng hằng ngày đang ngày càng phong phú và đa

d¿ng, nhÿng yêu cÅu và vÁt liáu, đï phćc t¿p cũng nh° đï chính xác và thÇm mỹ ngày càng đ°āc cÁi thián ĐÅ thõa mãn nhÿng nhu cÅu trên, yêu cÅu phÁi nghiên cću, thiÁt kÁ, chÁ t¿o mït lo¿i máy công că có chuyÅn đïng phćc t¿p giÿa các trăc cÅn ra đói

Nhÿng máy công că phë biÁn hián nay chą yÁu ho¿t đïng dāa trên sā nïi suy cąa 3 trăc x, y và z ĐiÃu đó làm giñi h¿n khÁ năng gia công đçi vñi nhÿng chi tiÁt phćc t¿p ĐÅ giÁi quyÁt vÃn đà đó, viác đÅu t° cho máy công că 5 trăc là cÅn thiÁt Tuy nhiên, giá thành cao là v°ñng ng¿i lñn nhÃt cho các doanh nghiáp Vì nhÿng lí do đó, nhóm tác giÁ đã nghiên cću, thiÁt kÁ và chÁ t¿o thành công mô hình máy phay CNC 5 trăc đÅu - đÅu kÁt cÃu khung

H SÁn phÇm này đ°āc cÁi tiÁn tÿ mô hình máy 3 trăc cũ

 Hoàn thián mït mô hình máy phay CNC 5 trăc

 Máy có giá thành hāp lí

 Công nghá gia công 5 trăc đéng thói

4 ĐæI T¯ĀNG VÀ PH¾M VI NGHIÊN CĆU

4.1 Đçi t°āng nghiên cću

 5-axis machining options through CAD / CAM-CNC technology

 Công nghá gia công 5 trăc thông máy CAD/CAM-CNC

 Optimization of the toolpath creates 3D surfaces

 Tçi °u hóa đ°óng ch¿y dao đÅ t¿o bà mÁt 3D

 Mït mô hình máy đ°āc xây dāng dāa trên c¢ sõ kÁ thÿa thiÁt kÁ máy phay gí CNC

5 trăc, mô hình thāc tÁ 3 trăc và cÁi tiÁn các khuyÁt điÅm trong thiÁt kÁ đã đ°āc công

bç

4

 Tçi °u hóa thiÁt kÁ mô hình đã đ°āc xây dāng theo hàm măc tiêu đà ra

Hình 1.2 Mô hình máy th ực tế ban đầu

5 2 Ph°¢ng pháp nghiên cću

 Ph°¢ng pháp nghiên cću, tham khÁo lý thuyÁt

 Ph°¢ng pháp kÁ thÿa các công trình nghiên cću đã thāc hián

 Ph°¢ng pháp kiÅm tra, đánh giá

 Ph°¢ng pháp thāc nghiám

 Tính toán, thiÁt kÁ máy trên các phÅn mÃm CAD/CAE

 LÁp trình, mô phång gia công trên các phÅn mÃm CAD/CAM/CNC/CAE

5

CH¯¡NG 1: C¡ Sä LÍ THUYÀT

1.1 ĐIÂU KHIÄN Sæ, LÝ THUYÀT MÁY VÀ CÁC CÔNG CĂ CNC

1.1.1 Gi ái thiáu

Máy điÃu khiÅn sç (NC machine), mït sÁn phÇm điÅn hình cąa ngành c¢ đián tā, là

sā kÁt hāp cąa ngành c¢ khí là mït máy công că và ngành đián là há thçng điÃu khiÅn sç Máy công că có thÅ hiÅu là mït máy có khÁ năng chÁ t¿o ra các máy khác Sā cÁi tiÁn công nghá tÿ máy công că thą công sang máy công că NC, đï chính xác và tçc đï gia công đã đ°āc cÁi thián rõ rát

Khi tiÁn hành phát triÅn máy NC, măc đích cąa nó là đÅ gia công các chi tiÁt có biên

d¿ng phćc t¿p mït cách chính xác Vì thÁ, bï điÃu khiÅn sç đ°āc dùng chą yÁu cho máy phay và máy doa Tuy nhiên, viác ćng dăng NC đã dÅn trõ nên phë biÁn đÅ làm tăng năng suÃt nên nhiÃu lo¿i máy NC đ°āc phát triÅn nh° máy tián, trung tâm gia công, máy

khoan/tarô& ĐÁc biát, ćng dăng cąa NC đ°āc mõ rïng cho các máy công că không truyÃn thçng nh° máy cÃt dây EDM, máy cÃt laser, máy in 3D& v.v

Vì vÁy, viác tā đïng hóa nhà máy cũng đ°āc tiÁn hành, công nghá máy NC cho phép xây dāng FA (Flexible Automation - Tā đïng hóa linh ho¿t) hay FMS (Flexible Manufacturing Systems - Há thçng sÁn xuÃt linh ho¿t) bằng cách kÁt nçi các máy vñi thiÁt

bá sÁn xuÃt nh° robot, AGV (Autonomous Guided Vehicles - Xe tā hành), nhà kho hay máy tính đ°āc tā đïng hóa Há thçng NC đ°āc sā dăng không chß cho máy công că mà tÃt cÁ các máy cÅn chuyÅn đïng bõi há thçng servo, nh° là máy cÃt gãt, khí că v¿, máy gia công gí, CMM (Coordinate Measurement Machines - Máy đo tãa đï) và máy thêu

dát, và NC là công nghá c¢ bÁn cho tā đïng hóa nhà máy

1.1.2 H á thçng d¿n đßng CNC

Há thçng mà biÁn đëi các lánh tÿ NC đÁn chuyÅn đïng cąa máy đ°āc thÅ hián õ Hình

1.1a Hình 1.1b mô tÁ c¢ cÃu d¿n đïng bằng servo bao gém mït đïng c¢ servo và mït thiÁt

bá truyÃn công suÃt Servo, có tÿ gçc theo Latin là <servue=, là thiÁt bá thāc hián chính xác vñi lánh đ°āc đ°a ra Lánh tÿ NC làm cho đïng c¢ servo quay, chuyÅn đïng quay cąa servo đ°āc truyÃn đÁn vít-me bi thông qua mït khñp nçi, sā quay cąa vít-me bi đ°āc biÁn đëi thành chuyÅn đïng tánh tiÁn cąa đai çc bi, và cuçi cùng bàn máy vñi chi tiÁt di chuyÅn tuyÁn tính Tóm l¿i, c¢ cÃu d¿n đïng bằng servo điÃu khiÅn vÁn tçc và mômen xoÃn cąa bàn máy thông qua thiÁt bá driver cho servo cąa tÿng trăc dāa trên các lánh vÁn tçc tÿ NC GÅn đây,

6

PMSMs (Permanent Magnet Synchronous Motors - Đïng c¢ đéng bï nam châm vĩnh cāu) đ°āc sā dăng nh° là đïng c¢ servo trong máy công că

(a) Cơ cấu dẫn động bằng servo (b) Cơ cấu dẫn động bằng trục chính

Hình 1.3 Cơ cấu dẫn động cÿa máy công cụ

Hình 1.3b mô tÁ đ¢n vá trăc chính bao gém mït đïng c¢ trăc chính và thiÁt bá truyÃn công suÃt Sā quay cąa đïng c¢ trăc chính đ°āc truyÃn đÁn thân trăc chính thông qua mït đai và tỷ lá vÁn tçc phă thuïc vào tỷ lá cąa kích cÿ puly giÿa đïng c¢ và thân trăc chính GÅn đây, đïng c¢ cÁm ćng đ°āc sā dăng rïng rãi đÅ làm đïng c¢ trăc chính cho máy công

că, vì đïng c¢ cÁm ćng không có chëi than, tçt h¢n đïng c¢ DC và kích th°ñc, trãng l°āng, quán tính, hiáu suÃt, tçc đï tçi đa, và viác bÁo trì

Mït vài máy công că sā dăng bánh răng đÅ truyÃn công suÃt thay vì dùng đai Tuy nhiên, truyÃn công suÃt bõi bánh răng không phù hāp cho gia công cao tçc GÅn đây, mït

bï truyÃn trāc tiÁp, mà đïng c¢ trăc chính và thân trăc chính (đÅu máy) đ°āc kÁt nçi trāc

tiÁp vñi mït thiÁt bá truyÃn công suÃt, đ°āc dùng đÅ quay tçc đï cao h¢n 10.000

vòng/phút

1.1.2.1 Ph Ån d¿n h°áng di chuyÅn tuyÁn tính (Linear Movement Guide)

Mït vít-me bi đ°āc sā dăng đÅ di chuyÅn vá trí dăng că cÃt hay bàn máy và đóng vai trò thay đëi chuyÅn đïng quay cąa đïng c¢ servo thành di chuyÅn tuyÁn tính Mït

phÅn d¿n h°ñng di chuyÅn tuyÁn tính (Linear Movement

- LM) đ°āc sā dăng đÅ làm tăng đï chính xác và sā m°āt

mà cąa di chuyÅn tuyÁn tính

1.1.3 Vòng điÃu khiÅn CNC (CNC Control Loop)

Há thçng vòng hõ và kín mô tÁ 2 lo¿i c¢ bÁn cąa há thçng điÃu khiÅn CNC Vòng kín và mõ mô tÁ qui trình điÃu khiÅn cąa há thçng Vòng mõ thiên và há thçng mà õ đó sā giao tiÁp giÿa há thçng điÃu khiÅn và đïng c¢ là 1 chiÃu

Khác vñi vòng điÃu khiÅn kín, vòng điÃu khiÅn mõ không có khÁ năng héi tiÁp Vòng mõ có thÅ ćng dăng trong tr°óng hāp khi đé chính xác điÃu khiÅn là không cao và đïng c¢ b°ñc đ°āc dùng khi đó Vì vòng điÃu khiÅn hõ không cÅn bï dò và m¿ch héi tiÁp cho nên cÃu trúc khá đ¢n giÁn Thêm vào đó, đï chính xác cąa há thçng d¿n đïng trāc tiÁp tác đïng lên đï chính xác thông qua đïng c¢ b°ñc, vít-me bi và há thçng truyÃn đïng

8

Đïng c¢ b°ñc thì có khÁ năng khõi đïng 1 há thçng vòng hõ trong khi đïng c¢ servo thì không thÅ, ít nhÃt là trong ćng dăng CNC Bõi vì đïng c¢ b°ñc không yêu cÅu phÅn cćng héi tiÁp, giá thành cho 1 há thçng vòng hõ cũng rẻ h¢n đáng kÅ đÅ xây dāng 1 máy CNC 5 trăc

1.1.4 Các thành ph Ån cąa há thçng CNC

Há thçng CNC bao gém ba đ¢n vá; đ¢n vá NC cung cÃp giao dián ng°ói dùng và thāc

hián điÃu khiÅn vá trí, đ¢n vá đïng c¢ và đ¢n vá driver Theo nghĩa hẹp, chß có đ¢n vá NC đ°āc gãi là há thçng CNC PhÅn nïi dung này chß tÁp trung vào cÃu t¿o và chćc năng cąa

NC và không bao gém đ¢n vá đïng c¢ và driver

Hình 1.5 C ấu trúc cÿa CNC

Xét và quan điÅm chćc năng, há thçng CNC bao gém bï MMI, bï NCK và bï PLC,

Hình 1.12 Bï MMI (Man Machine Interface - Giao dián ng°ói và máy) cung cÃp giao dián giÿa NC và ng°ói dùng, thāc thi các lánh vÁn hành máy, hiÅn thá tr¿ng thái máy, và cung cÃp các chćc năng đÅ chßnh sāa ch°¢ng trình gia công và giao tiÁp Bï NCK

(Numerical Control Kernel - ĐiÃu khiÅn sç Kernel), là bï phÁn cçt lõi cąa há thçng CNC, biên dách ch°¢ng trình gia công và thāc thi viác nïi suy, điÃu khiÅn vá trí, và bù trÿ líi sai dāa trên ch°¢ng trình gia công đã đ°āc biên dách Cuçi cùng, bï này điÃu khiÅn há thçng servo và làm cho chi tiÁt đ°āc gia công PLC (Programmable Logic Control - ĐiÃu khiÅn logic khÁ trình) điÃu khiÅn tuÅn tā viác thay dao, tçc đï trăc chính, thay phôi, xā lý tín hiáu vào/ra và đóng vai trò điÃu khiÅn hành vi cąa máy ngo¿i trÿ điÃu khiÅn servo

9

1.2.1 C¢ så tính toán thiÁt kÁ

Hình 1.6 Sơ đồ thiết kế 3 trục cơ bÁn

1.2.1.1 Ph°¢ng pháp gia công phay

Phay là mït ph°¢ng pháp gia công mà vÁt liáu s¿ đ°āc cÃt gãt bõi mït dăng că cÃt xoay quanh trăc tâm cąa nó, ph°¢ng pháp này khác vñi khoan ngoài viác di chuyÅn tánh tiÁn dãc theo trăc tâm cąa dao, dao phay cũng có thÅ di chuyÅn vuông góc vñi trăc tâm

10

(a) Phay m ặt (b) Phay ngón (c) Phay đổ xuống

Hình 1.7 Phương pháp phay cơ bÁn

a Phay mặt - Phay ngón (Face milling - End milling)

 Công suÃt khi phay mÁt - phay ngón: ÿă = �㔅�㕃 ÿ Ā þ (kW) (1.1)

Trong đó,

�㔅�㕃: Hằng sç công suÃt cÃt riêng (kW/cm3/s)

ÿ: Há sç ch¿y dao ćng vñi hằng sç công suÃt cÃt riêng

Ā: L°āng cÃt gãt vÁt liáu (cm3/s)

þ: Há sç hao mòn dăng că cÃt

 Hiáu suÃt truyÃn: ā = āĀ2 (1.2)

Trong đó, āĀ: Hiáu suÃt cąa mït cÁp ë bi

 Công suÃt cÅn thiÁt đÅ chãn đïng c¢ trăc chính: ÿÿ =�㕃ă

Ā (kW) (1.3) Trong đó, ā: Hiáu suÃt truyÃn

 Lāc cÃt tiÁp tuyÁn: Ăþ =�㕃ă ×60000

ýā (N) (1.4) Trong đó, ýā: VÁn tçc cÃt (m/phút)

 Tçc đï quay trăc chính: Ā =ýā ×1000

�㔋×ÿ (vòng/phút) (1.5)

11

 L°āng ch¿y dao / B°ñc tiÁn cąa bàn máy: �㕣Ą = Āÿ× �㕧 × Ā (mm/phút) (1.6) Trong đó,

Āÿ: L°āng ch¿y dao răng (mm/răng)

�㕧: Sç răng cÃt cąa dăng că cÃt

 L°āng cÃt gãt vÁt liáu: Ā =ÿă ×ÿ �㕝 ×ĀĄ

60×1000 (cm3/s) (1.7) Trong đó,

�㕎ă: ChiÃu sâu cÃt h°ñng kính (mm)

�㕎ā: ChiÃu sâu cÃt h°ñng trăc (mm)

b Phay đë xuçng (Plunge milling)

 Lāc ép xuçng: Ăþ/ = 0,05þĂ ĂĄ ĂĀ þ þ + 0,007þĂ Ā2 ý þ (N) (1.8) Trong đó,

þĂ: Há sç vÁt liáu chi tiÁt

ĂĄ: Há sç ch¿y dao

ĂĀ: Há sç lāc ép xuçng ćng vñi đ°óng kính mũi khoan

þ: Há sç l°ÿi cÃt ngang ćng vñi lāc ép xuçng

þ: Há sç hao mòn dăng că cÃt

Ā: Đ°óng kính mũi khoan (m)

ý: Há sç l°ÿi cÃt ngang ćng vñi lāc ép xuçng

 Mômen xoÃn: Ā =�㔾Ă āĄ.ā�㕀.ý.þ

40000 (N m) (1.9) Trong đó,

Ă�㕀: Há sç mômen xoÃn ćng vñi đ°óng kính mũi khoan

ý: Há sç l°ÿi cÃt ngang ćng vñi mômen xoÃn

1.2.1.2 Ląa chãn đßng c¢ trăc chính (Spindle)

Dāa trên các điÅm cÅn xem xét khi lāa chãn đïng c¢ trăc chính cho máy:

 Đïng c¢ nên có tçc đï quay cao đÅ cÃt vÁt liáu dß bÅ văn nh° nhôm, gí&

 Nên đ°āc làm mát bằng khí thay vì bằng n°ñc đÅ tránh các hián t°āng hóa hãc xÁy

ra khi gia công

 ChiÃu sâu cÃt và bà rïng phay nên đ°āc xác đánh

 L°āng ch¿y dao

 Đ°óng kính cąa dăng că cÃt

Viác lāa chãn công suÃt cąa trăc chính đ°āc dāa trên ph°¢ng trình cąa lāc tiÁp tuyÁn

và dãc trăc tác dăng lên chi tiÁt cÅn thiÁt đÅ gia công Trong ph°¢ng pháp phay đćng, hai lo¿i lāc tiÁp tuyÁn và dãc trăc xÁy ra do nguyên công phay đ¢n giÁn và phay đë xuçng t°¢ng ćng

1.2.1.3 Thi Át kÁ thân đÿ trăc chính

Thân đÿ đ°āc yêu cÅu đÅ giÿ trăc chính mà khi tÃt cÁ các lāc cÃt đang thāc thi Vì vÁy nhÿng điÃu sau đây đ°āc yêu cÅu chãn lāa và thiÁt kÁ:

 VÁt liáu cąa tÃm đÿ

 Sç bulông cÅn thiÁt đÅ giÿ thân đÿ và trăc chính

 B°ñc ren cąa bulông và tai bulông so vñi c°óng đï cháu lāc (xé) (bà dày cąa tÃm đÿ)

 Đ°óng kính cąa bulông

 VÁt liáu cąa bulông và đai çc

13

Tiêu chí thiÁt kÁ dāa trên nhiÃu lo¿i lāc tác dăng lên trăc chính nh° đ°āc nghiên cću

õ tài liáu [3] dành cho thiÁt kÁ bulông mà đ°āc giÁi thích nh° sau:

Trường hợp 1: Khi cắt dọc trục Y (TÁi tác động song song với trục bulông)

Hình 1.8 Sơ đồ lực khi cắt dọc trục Y

 Lāc quán tính: Fiy = masm1 ay (N) (1.12)

 Hāp lāc: Wy = Fiy + Py (N) (1.13)

Trong đó, masm1: Khçi l°āng cąa Spindle và Bracket (kg)

ay: Gia tçc cąa đïng c¢ trăc Y (m/s2)

 Lāc kéo trên míi Bu-long:

Fy′ =WNy

b (N) (1.14) Trong đó, Nb: Sç l°āng bu-long

 KhoÁng cách tÿ hàng Bu-long thć i đÁn c¿nh lÁt: Lyi (m)

 Đï lách tâm cąa lāc Py: ey (m)

 Lāc kéo trên míi Bu-long thć i theo khuynh h°ñng lÁt cąa thân đÿ d°ñi tác dăng cąa tÁi Py và đï lách tâm:

σyt: ĐiÅm tñi h¿n cąa ćng suÃt kéo Bu-long (N/mm2)

Trong đó, dc: Đ°óng kính chân ren (mm)

 Khi điÃu kián σcal ≤ [σt] thõa mãn, Đ°óng kính ngoài bu-lông là:

dbolt =0.8dc (mm) (1.19)

Trường hợp 2: Khi cắt dọc trục X (TÁi tác động lên mặt phẳng chāa bulông)

15

Hình 1.9 Sơ đồ lực tác dụng theo phương x

 Lāc quán tính: Fix = masm1 ax (N) (1.20)

Trong đó,

masm1: Khçi l°āng cąa Spindle và Bracket (kg)

ax: Gia tçc cąa motor trăc x (m/s2)

 Hāp lāc: Wx = Fix+ Px (N) (1.21)

 Lāc cÃt trên míi bu-lông thć i:

Fxi′ =WNx

b (N) (1.22) Trong đó, Nb: Sç l°āng Bu-long

 Mô-men xoÃn t¿o bõi Wxvà đï lách tâm: Mex = Wx ex (N m) (1.23) Trong đó, ex: Đï lách tâm cąa Wx(m)

 KhoÁng cách cąa khçi tâm G đén Bu-lông thć i: Lxi (m)

 Lāc cÃt thć cÃp trên míi bu-lông thć i:

16

Fxi′′=(∑ LMex Lxi)xi2 (N) (1.24)

 Góc giÿa lāc cÃt s¢ cÃp và thć cÃp (bu-lông) 1 và 3:

³ = 90° + θ (1.25) Trong đó, θ: Góc giÿa Lxivà ph°¢ng ngang

 Ćng suÃt cÃt cho phép:

[τs] =τys

fs (N/mm2) (1.30) Trong đó, fs: Há sç an toàn

 Ćng suÃt cÃt tính toán:

τcal =πRS

4 dc2

(N/m2) (1.31)

Trong đó, dc: Đ°óng kính chân ren (mm)

 Khi điÃu kiênh τcal ≤ [τs] thåa mãn, đ°óng kính thân bu-lông là:

dbolt =0.8dc (mm) (1.32)

Trường hợp 3 Khi cắt dọc trục Z thẳng đứng hướng xuống

17

(T Ái cắt tác động vuông góc với bulông cÿa thân đỡ)

Hình 1.10 Sơ đồ lực tác dụng theo phương Z

18

 Mô-men xoÃn t¿o bõi lāc Wz và đï lách tâm: Mez = Wz ez (Nm) (1.36)

Trong đó, ez: Đï lách tâm cąa Wz (m)

 Lāc kéo trên míi bu-lông hàng thć i t¿o ra bõi mô-men xoÃn và khoÁng cách Lzi:

σyt: Ćng suÃt kéo tñi h¿n cąa vÁt liáu bu-lông (N/mm2)

19

Trong đó, dcs: Đ°óng kính chân ren (slip) (mm)

 Khi điÃu kián σcal ≤ [σt], τcal ≤ [τs] thåa mãn, dc s¿ là đ°óng chính chân ren lñn nhÃt trong 2 điÃu kián trên và đ°óng kính thân bu-lông đ°āc tính nh° sau:

dbolt =0.8dc (mm) (.44)

Trường hợp 4 Kiểm tra chống xé tấm đỡ

 TÃm đÿ có thÅ bá xé do đ°óng kính cąa bulông và bà dày cąa tÃm đÿ

 Ćng suÃt cháu lāc cho phép cąa tÃm đÿ: �㔎ĀāÿýāÿýÿþăĂ = ā�㕚

ĂĀ×þ�㕡 (N/m2) (1.45) Trong đó,

Ăþ: Lāc cÃt tçi đa theo tiÁp tuyÁn và đë xuçng (N)

þĀ: Đ°óng kính cąa bulông đã chãn tÿ ba tr°óng hāp trên (m)

þþ: BÃ dày cąa tÃm đÿ (m)

1.2.1.4 L ąa chãn vít-me bi

Mït vít-me bi là mït thành phÅn cąa máy công că dùng đÅ truyÃn chuyÅn đïng quay

tÿ đïng c¢ d¿n đïng thành chuyÅn đïng tánh tiÁn theo ray tr°āt

 Vít-me bi cháu tác dăng cąa lāc ép xuçng hay lāc dãc trăc do tÁi cąa chi tiÁt gia công, lāc cÃt, ma sát cąa ray tr°āt và lāc quán tính

 Lāc cÃt (tr°āt) đÅ v°āt qua các lāc này

Khi bÁn chÃt cąa ćng suÃt không phÁi theo mït h°ñng và kÁt hāp nhiÃu ćng suÃt tác đïng lên mït bï phÁn, nó s¿ đ°āc tính toán theo công thćc ćng suÃt Von-mises Ćng suÃt Von-mises t°¢ng đ°¢ng bao gém ćng suÃt dãc trăc và ćng suÃt cÃt (tr°āt), trong tr°óng hāp cąa vít-me bi có thÅ đ°āc tính toán bõi mçi quan há đ°āc cho d°ñi đây:

 Ćng suÃt dãc trăc:

σaxial =π × rFa

b2 (N/m2) (1.46) Trong đó,

Fa: Lāc dãc trăc trên trăc vít-me bi (N)

 Ćng suÃt t°¢ng đ°¢ngVon-mises :

σeq = √σaxial2+ 3τtorsional2 (N/m2) (1.48) Công thćc tính lāc dãc trăc và mô-men xoÃn d¿n:

 Lāc dãc trăc vít-me bi:

Fa1: Lāc dãc trăc trong quá trình tăng tçc và phía tr°ñc (N)

Fa2: Lāc dãc trăc chuyÅn đïng đà và phía tr°ñc (N)

Fa3: Lāc dãc trung trong quá trình giÁm tçc và phía tr°ñc (N)

Fa4: Lāc dãc trăc trong quá trình tăng tçc và phía sau (N)

Fa5: Lāc dãc trăc trong quá trình chuyÅn đïng đÃu và phía sau ( N)

Fa6: Lāc dãc trăc trong quá trình giÁm tçc và phía sau (N)

m: Khçi l°āng chuyÅn đëi (kg)

FfR: Lāc cÁn bà mÁt d¿n h°ñng (N)

Fp: Lāc đë xuçng (N)

μ: Há sç ma sát bà mÁt d¿n h°ñng

Giá trá lāc dãc trăc lñn nhÃt đ°āc chãn ra tÿ 3 tr°óng hāp trên

1.2.1.5 L ąa chãn đßng c¢ d¿n đßng trăc X,Y và Z

GiÁ sā há thçng truyÃn đïng cąa mït bàn máy CNC có cÃu t¿o nh° Hình 1.10 vñi đÁc

điÅm chuyÅn đïng đ°āc cho trên Hình 1.11 Há thçng có khçi l°āng tÁi cąa bï phÁn di

đïng là M cháu lāc tác đïng F Đïng c¢ servo truyÃn đïng cho trăc vít-me (b°ñc ren PB, đ°óng kính trăc vítme DB) thông qua cÁp bánh răng Z1, Z2 vñi tß sç giÁm tçc 1/i=Z1/Z2 Há thçng có hiáu suÃt truyÃn đïng c¢ khí là η và há sç ma sát là  ĐÁc điÅm cąa há thçng này

là có thói gian tăng tçc ta bằng thói gian giÁm tçc td và vÁn tçc tÁi lñn nhÃt là VL

ta: thói gian tăng tçc đÁn vÁn tçc VL

td: thói gian giÁm tçc

V

23

- L°āng dách chuyÅn Ls:

2

2 60

ýM

2

)8

,9(

TLý 

(N.m) (1.76)

- Mô-men quán tính tÁi JL:

2 L

J

i

J J

G

ý (Kg.m2) (1.77) Trong đó: JW là mô-men quán tính bï phÁn di đïng thẳng

JG là mô-men cąa khñp nçi

JB Mô-men quán tính cąa vít-me bi

2 W

2

J ýM÷÷øö P B i÷÷øö

 (Kg.m2) (1.78)

328

J

4 2

D L D

ý

ý (Kg.m2) (1.79) Trong đó:

MB (kg) khçi l°āng cąa vit-me bi

ρ (kg/m3) khçi l°āng riêng cąa vÁt liáu làm vit-me

24

8J

2

D M

ý (Kg.m2) (1.80)

- Thói gian tăng tçc nhå nhÃt:

)(

60

)(

2

tam

L PM

L M M

T T

J J N





ý 

(1.81) Where:

JM là mômen quán tính cąa đïng c¢

TPM là mômen xoÃn lñn nhÃt cąa đïng c¢

- Thói gian giÁm tçc nhå nhÃt:

)(

60

)(

2

tdm

L PM

L M M

T T

J J N

t

J x

 Lāc cÃt đ°āc tính theo vÁt liáu hāp kim nhôm cćng nhÃt và các thông sç cÃt

 Công suÃt phù hāp cąa trăc chính đang đ°āc chãn vñi thiÁt kÁ cąa thân đÿ đÅ gá trăc chính

 Ành h°õng cąa đï lñn và chiÃu lāc cÃt s¿ chß đ°āc xem xét phân tích

 Viác lāa chãn vít-me bi và đïng c¢ cho các truyÃn đïng khác nhau thì xem xét và gia tçc và ma sát bà mÁt d¿n h°ñng khác nhau

25

1.3.1 H ßp sç Harmonic

1.3.1.1 Gi ái thiáu chung

Hïp giÁm tçc harmonic đ°āc phát minh bõi C Walton Musser năm 1955 hay còn gãi

là hïp giÁm tçc bánh răng sóng là mït lo¿i hïp giÁm tçc rÃt đÁc biát đ°āc phát triÅn bõi hãng Harmonic driver Hïp giÁm tçc này có đï r¢ cāc kì nhå (có thÅ gãi là không r¢, đï r¢

< 1 arcmin) và có tß sç truyÃn cāc lñn (50, 100, 160 lÅn ) trong khi kích th°ñc l¿i nhå gãn Đ°āc sā dăng rïng rãi trong kĩ thuÁt công nghiáp đÁc biát là sā dăng làm khñp vai trong há thçng robot và há thçng máy móc yêu cÅu đï chính xác cao nh° máy CNC&

1.3.1.2 C Ãu t¿o

B ß t¿o sóng: Là mït vòng bi mång, ch¿y trên mït tâm hình elip ĐiÃu này phăc vă

nh° mït bï chuyÅn đëi mô-men xoÃn hiáu suÃt cao và th°óng đ°āc gÃn vào đÅu vào hoÁc trăc đïng c¢

Bánh răng mÃm: Là chi tiÁt d¿ng cçc thành mång có răng õ thành ngoài và đ°āc gÃn

vñi Bï t¿o song Th°óng đ°āc sā dăng làm đÅu ra cąa hïp sç

B ß t¿o sóng

26

Bánh răng ngoài: Là mït vòng tròn cćng có răng trong ăn khñp vñi răng cąa bánh

răng mÃm Bánh răng này th°¢ng có nhiÃu h¢n 2 răng so vñi bán răng mÃm và đ°āc gÃn vào bích đïng c¢

1.3.1.3 M ßt sç kích th°ác c¢ bÁn cąa hßp sç Harmonic

Hình 1.12 Kích thước tiêu chuẩn CSG và CSF (Đơn vị: mm)

1.3.2 H ßp sç hành tinh (Planetary Gearbox)

1.3.2.1 Gi ái thiáu chung

Trong các xe lÃp hïp sç tā đïng, bï truyÃn bánh răng hành tinh điÃu khiÅn viác

giÁm tçc, đÁo chiÃu, nçi trāc tiÁp và tăng tçc

Bï truyÃn bánh răng hành tinh gém các bánh răng hành tinh, các li hāp và phanh

Bï truyÃn bánh răng hành tinh tr°ñc và bï truyÃn bánh răng hành tinh sau đ°āc nçi vñi các li hāp và phanh, là các bï phÁn nçi và ngÃt công suÃt Nhÿng căm bánh răng này chuyÅn đëi vá trí cąa phÅn s¢ cÃp và các phÅn tā cç đánh đÅ t¿o ra các tỷ sç truyÃn bánh răng khác nhau và vá trí sç trung gian

Vñi bï các bánh răng nçi vñi nhau kiÅu này thì các bánh răng hành tinh giçng nh° các hành tinh quay xung quanh mÁt trói, và do đó chúng đ°āc gãi là các bánh răng hành tinh

Thông th°óng nhiÃu bánh răng hành tinh đ°āc phçi hāp vñi nhau trong bï truyÃn bánh răng hành tinh

Hình 1.14 Cấu t¿o cÿa hộp số hành tình

1.3.2.3 M ßt sç kích th°ác c¢ bÁn cąa hßp sç hành tinh

28

Hình 1.15 B Án vẽ cÿa 1 hộp số hành tinh

1.3.3 Tính toán, l ąa chãn đßng c¢ cho căm trăc xoay B-C

- Công suÃt cÃt khi phay:

ÿā = þā þ ÿ Ā (3.1) Trong đó:

Kp: Hằng sç công suÃt riêng W: Há sç mòn dăng că cÃt C: Há sç ch¿y dao

- B°ñc tiÁn :

29

�㕣Ą = Āÿ × �㕧 × Ā (mm/min) (3.4) Trong đó,

Āÿ: L°āng ăn dao răng (mm/tooth)

�㕧: Sç l°āng răng dao

Hình 1.16 Sơ đồ động cÿa cụm trục xoay B-C

- L°āng cÃt gãt vÁt liáu:

Ā = �㕎60 × 1000ă × �㕎ā × �㕣Ą (cm3/s) (3.5) Trong đó, �㕎ă: ChiÃu sâu cÃt h°ñng kính (mm)

31

CH¯¡NG II THIÀT KÀ MÁY

2.1.1 C¢ så thiÁt kÁ và xây dąng

Mô hình CAD đ°āc xây dāng dāa trên s¢ đé tuyÃn đïng và các bï phÁn d¿n h°ñng Că thÅ nh° sau:

 Các căm trăc chuyÅn đïng tánh tiÁn X, Y, Z:

Ngoài ra, bï phÁn d¿n h°ñng cąa X, Z là ray tr°āt và trăc Y là ty tr°āt

 Các căm trăc xoay B, C:

2.1.2 K Á thÿa mô hình thiÁt kÁ ban đÅu

Mô hình thiÁt kÁ ban đÅu đ°āc kÁ thÿa đã có 03 trăc c¢ bÁn X, Y và Z vÁn hành ën đánh, tuy nhiên khÁ năng cćng vÿng còn h¿n chÁ Vñi ph¿m vi cąa đà tài, viác thiÁt kÁ 02 trăc xoay B và C s¿ đ°āc lên ph°¢ng án tiÁn hành và h¢n nÿa, s¿ xem xét l¿i kÁt cÃu 03 trăc c¢ bÁn cąa máy và ph°¢ng dián tính toán thiÁt kÁ

32

Hình 2.1 Mô hình máy CNC 3 tr ục được kế thừa

Hình 2.2 Mô hình được cÁi tiến