đồ án môn học thiết kế hệ dẫn hướng cho bàn máy cnc

Khái niệm và lịch sử hình thành CNC là viết tắt của các từ Computer Numerical Control, xuất hiện vào khoảng đầuthập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘITRƯỜNG CƠ KHÍ -o0o -

ĐỒ ÁN MÔN HỌCTKHT CƠ KHÍ - TBTĐ

1.1.3 Ưu nhược điểm của máy CNC 7

1.1.4 Một số loại máy CNC phổ biến hiện nay 8

1.3.2 Yêu cầu kĩ thuật 15

Chương 2: Phân tích tính toán lựa chọn hệ thống dẫn động 16

2.1 Tính toán thiết kế ray dẫn hướng 16

2.1.1 Quy trình tính toán 16

2.1.2 Điều kiện hoạt động 16

2.1.3 Thông số đầu vào 20

2.1.4 Tính toán các lực riêng rẽ 21

2.1.5 Tính toán tải trọng tương đương 23

2.1.6 Tính toán tải trung bình Pmi 25

2.1.7 Tính tải trọng tĩnh 25

2.1.8 Tính tải trọng động 25

2.2 Tính chọn vít me 27

2.2.1 Quy trình tính toán 27

2.2.2.Thông số ban đầu: 28

2.2.3 Lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vít me 29

2.2.4 Bước vít me 29

2.2.5 Chiều dài trục vít sơ bộ 30

2.2.6 Tính toán khả năng tải động 30

2.3.4 Kiểm nghiệm điều kiện bền 40

2.3.4.1 Kiểm nghiệm khả năng tải động 40

2.3.4.2 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh 41

2.4.3 Tính toán và lựa chọn động cơ 44Chương 3: Kết luận 47TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

Chương 1 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

1.1 Tổng quan về máy CNC

1.1.1 Khái niệm và lịch sử hình thành

CNC là viết tắt của các từ Computer Numerical Control, xuất hiện vào khoảng đầuthập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay choNC, Numerical (Điều khiển số) CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máymóc với mục đích sản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác)phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêuchuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thậpniên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT Trước khoảngthời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đụclỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động Cách này đã cho thâý nhiều bất tiện, chẳnghạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khó lưu trữ, truyền tải, dunglượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiểnmáy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ, cho phép giaotiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cách nhanh chóng, chính xác

Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất côngnghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiệnđược giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạonên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng Kĩ thuật tự động của CNC giảmthiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác Ngoài ra còncho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máymóc để sản xuất các linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNCkết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận Máy

CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộphận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in củatừng chi tiết Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức làchúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao các sản xuất (trong tầm giới hạn).

1.1.2 Máy công cụ truyền thống và máy CNC1.1.2.1 Giống nhau

- Cấu trúc tổng thể: Nói chung tương tự nhau, cùng sử dụng bàn máy hình chữ

thập nhằm tăng độ cứng vững cho máy - Chức năng:

Dùng để gia công các bề mặt: mặt phẳng, mặt định hình, …Gia công các rãnh: rãnh thẳng, rãnh nghiêng, rãnh xoắn, …Gia công bánh răng

1.1.2.2 Khác nhau

Pallet (phiến gá)

thay daoXác định chuẩn

gia công Dùng phương pháp rà, gá đơngiản Dùng các thiết bị rà gá chuyêndùng

Đặt tốc độ trục

Di chuyển bànmáy

Tay quay cơ khí Phím bấm điều khiển hoặc tayquay điện tử

So sánh giá trịthực và giá trị líthuyết

Dùng mắt quan sát tại vị trí giacông, ước lượng giá trị khoảngcách hình học

Trên màn hình hiển thị vị trí đanggia công và khoảng cách đạt kíchthước lí thuyết

Kiểm tra kíchthước sản phẩm

1.1.3 Ưu nhược điểm của máy CNC

- Ưu điểm của máy CNC:

So với các máy công cụ thường dùng, máy CNC có nhiều ưu việt hơn, thể hiện ởcác điểm sau:

Gia công được nhiều chi tiết phức tạp hơn.Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn.

Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao hơn và giảm thờigian phụ

Tính linh hoạt cao hơn.Độ lớn loạt tối ưu nhỏ hơn.Chi phí kiểm tra giảm.Chi phí do phế phẩm giảm.Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất.Giảm số nhân công.

Hiệu suất cao.Tăng năng lực sản xuất.- Nhược điểm:

• Giá thành, chi phí bảo dưỡng sửa chữa cao.

• yêu cầu trình độ hiểu biết sâu để vận hành và bảo quản máy.

1.1.4 Một số loại máy CNC phổ biến hiện nay1.1.4.1 Máy tiện CNC

Máy tiện CNC là loại máy gia công cơ khí có tích hợp hệ thống điều khiển bằng máytính (Computer Numerical Control – CNC) được sử dụng để thực hiện các nguyêncông tiện Với hệ thống điều khiển, lập trình trên máy tính và các phần mềm chuyêndụng, các máy tiện CNC được vận hành gần như hoàn toàn tự động.

Công nghệ hiện đại trên máy tiện CNC cũng cho phép các quá trình tiện tròn, tiệnmặt, tiện vát, tiện côn, tiện rãnh, tiện ren… dễ dàng, nhanh chóng, có độ chính xáccao hơn nhiều các máy tiện cơ thủ công Ngoài ra, các máy tiện CNC đa chức năngcòn có thể thực hiện gia công khoan, doa, cắt ren, cắt rãnh, đánh bóng…

1.1.4.2 Máy phay CNC

Máy phay CNC hiện tại được sử dụng rất phổ biến trong quá trình gia công các chitiết máy chính xác, gia công khuôn mẫu hầu như các xưởng cơ khí và nhà máy hiệnnay đều được trang bị máy này nhằm giảm thiểu chi phí nhân công, tăng cường độchính xác của sản phẩm trong sản xuất hàng loạt Tuy nhiên trước khi mua chúng tanên tìm hiểu qua về cấu tạo cũng như các lưu ý khi lựa chọn và sử dụng máyphay CNC.

1.1.4.3 Máy gia công tia lửa điện CNC

Phương pháp này có thể gia công những vật liệu khó gia công mà các phương phápgia công không truyền thống không làm được như thép tôi, thép hợp kim khó giacông, hợp kim cứng Nó cũng gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp.

1.1.4.4 Máy cắt dây CNC

Máy cắt dây CNC được biết đến là một dạng máy cắt CNC được hoạt động dựa trên sựđiều khiển hoàn toàn tự động thông qua hệ thống máy tính thông minh Trong đó, các bộphận của máy đã được lập trình tự động theo các sự kiện nối tiếp nhau với tỷ lệ định

trước để có thể tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước đúng với mong muốn củangười dùng Máy cắt dây CNC có thể gia công chính xác và tinh vi các bề mặt có độphức tạp cao.

Máy cắt dây CNC được hoạt động theo nguyên lý là bắn phá các chi tiết để tách vật liệura bởi nhiệt năng sinh ra rất lớn khi ta đưa hai điện cực lại gần nhau Trong hai điện cựcnày, một điện cực đóng vai trò là công cụ và điện cực kia đóng vai trò là phôi trong quátrình gia công.

1.2 Kết cấu và hệ thống dẫn động của máy phay CNC

1.2.1 Phần chấp hành1.2.1.1 Thân máy và đế máy

Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lầnso với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết tật đúc.

Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiềuhệ thống khác.

Yêu cầu:

- Phải có độ cứng vững cao.

- Phải có các thiết bị chống rung động.- Phải có độ ổn định nhiệt.

Mục đích:

- Phải đảm bảo độ chính xác gia công.

- Đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy.

1.2.1.2 Bàn máy

Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyển động linhhoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rấtcao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp.

Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máy đều là dạngbàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy Nó làm tăng tính vạnnăng cho máy CNC.

Yêu cầu của bàn máy: Phải có độ ổn định, cứng vững, được điều khiển chuyểnđộng một cách chính xác.

Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trụcchính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển này cho phép người sửdụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh.

Các dạng điều khiển trục chính:

- Điều khiển đai: Có sự kết hợp tốt giữa momen và tốc độ tạo ra nhiều lựa chọncho chế độ làm việc của máy

- Điều khiển bánh răng: Có khả năng duy trì tốc độ ở chế độ tải nặng

- Điều khiển trực tiếp: Cải thiện được tốc độ trục chính và tạo ra quá trình làm việcêm

1.2.1.4 Băng dẫn hướng

Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động củaban theo X,Y và chuyển động theo trục Z của trục chính

Yêu cầu của hệ thống thanh trươt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao độ cứngvững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt

1.2.1.5 Trục vit me, đai ốc

Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường sử dụng hai dạng vít me cơ bảnđó là:

- Vít me đai ốc thường: là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt - Vít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn

1.2.1.6 Ổ chứa dao

Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho quá trình gia công Nhờ có ổ tích daomà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên tiếp vớinhiều loại dao cắt khác nhau Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mang tính tự độnghoá cao.

1.2.1.7 Các xích động của máy

Tất cả các đường chuyền động đến từng cơ cấu chấp hành của máy công cụ điềukhiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ còn 2loại cơ bản sau:

- Xích động học tốc độ cắt gọt

- Xích động học của chuyền động chạy dao

Việc tính toán thiết kế, chế tạo được thực hiện theo module hoá

Thông thường các xích cắt gọt bắt đầu từ một động cơ có tốc độ thay đổi vô cấp,dẫn động trục chính thông qua một hộp tốc độ có từ 2 đến 3 cấp độ, nhằm khuếch đại cácmomen cắt đạt trị số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu của động cơ.

1.2.2 Phần điều khiển

Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển.

- Chương trình điều khiển: Là tập hợp các tín hiệu (gọi là lệnh) để điều khiển máy,được mã hóa dưới dạng chữ cái, số và môt số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấuchấm, gạch nghiêng … Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trìnhdưới dạng mã số (cụ thể là mã thập – nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân nhưbộ nhớ của máy tính)

- Các cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện cácphép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơcấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệuđược gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giảimã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấukhuyếch đại, cơ cấu đo hanh trình, cơ cấu đo vận tốc, , bộ nhớ và các thiết bị xuấtnhập tín hiệu

1.3 Nguyên lý hoạt động và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống1.3.1 Nguyên lý hoạt dộng

Đối tượng trong nội dung của đồ án là máy phay CNC 3 trục được ký hiệu với X,Y, Z

Trục Z song song với trục chính Trục X có phương vuông góc với trục chính vàsong song với bàn máy Trục Y là trục còn lại theo hệ tọa độ Descartes.

Nguyên lý dẫn động trong máy phay CNC là biến đổi chuyển động quay của động cơthành chuyển động tịnh tiến của bàn máy theo các trục kết hợp với các hệ thống đo lườngdịch chuyển để điều chỉnh chính xác Động cơ quay truyền chuyển động qua bộ truyềnđộng đai (hoặc xích) được lắp ở 1 đầu trục vít, truyền chuyển động quay cho vít me Vítme được gá đặt trên 2 ổ đỡ ở hai đầu quay tạo chuyển động tịnh tiến cho đai ốc Đai ốcđược lắp với bàn Y bằng bulong, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me giúp bàn Y chuyểnđộng tịnh tiến trượt trên 2 thanh ray song song với trục vít me lắp cố định trên thân máy.Bàn X cũng chuyển động tương tự Vai trò của hệ thống dẫn hướng là dẫn động cho bànmáy theo các trục x,y và chuyển động lên xuống theo trục z của trục chính, tạo nên quỹđạo mong muốn.

1.3.2 Yêu cầu kĩ thuật

Trong khuôn khổ đồ án môn học em được giao nhiệm vụ thiết kết hệ thống dẫn động củabàn X, Y của máy phay CNC với các yêu cầu kĩ thuật cụ thể như sau:

1 Loại máy CNC: Phay

2 Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT: Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, D=80mm, JIS, S45C, Grade 4040, v=100m/ph, t=1,2mm, F=900mm/ph

3 Khối lượng lớn nhất của chi tiết M: 700 kg 4 Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V 18 m/ph1:5 Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực V : 15 m/ph26 Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a: 0,4g m/s 27 Thời gian hoạt động: 05 đến 07 năm

Chương 2: Phân tích tính toán lựa chọn hệ thống dẫn động2.1 Tính toán thiết kế ray dẫn hướng

2.1.1 Quy trình tính toán

Hình 2.1: Quy trình tính toán ray dẫn hướng

2.1.2 Điều kiện hoạt động

- Tính toán cho trường hợp nguy hiểm nhất là tâm của phôi nằm xa bàn máy nhất (điều kiện phôi nằm hoàn hoàn toàn trên bàn máy) do có xuất hiện momen lật.

- Vật liệu của phôi là thép S45C và có M = 700 kg, khối lượng riêng 7,87 g/ = 7.87 kg/

Coi phôi là khối lập phương có V = 88945362 và có cạnh l = 447 mm

Thông số Bàn X

Bàn Y

480Vận tốc tối đa khi không gia công

Gia tốc hoạt động lớn nhất a = 0,4g = 4 m/

Vận tốc lớn nhất khi không gia công: v= 20 m/ph = 0,3 3m/sTa tính được thời gian đạt vận tốc v của bàn máy: = = = = 0,083sQuãng đường tăng, giảm tốc: = = = = 0,0139 m = 13,9 mmQuãng được bàn máy di chuyển đều:

Bàn X: = – 2 = 1072,2 mmBàn Y: = – 2 = 532,2 mmThời gian bàn máy di chuyển đều:

Bàn X: = = = 3,22 sBàn Y: = = = 1,6 s

Hành trình chuyển động (mm) Bàn X = 1100

Bàn Y = 560

LựcTrục XTrục Y

Lực dọc trục (N)Tốc độ quay(rpm)

là tốc độ quay giới hạn của trục vít me

là hệ số phụ thuộc phương thức lắp đặt vít me, với kiểu fix-supported có là chiều dài trục vít

• •

- Trục Y: Mã: 63 – 16B2 – FDWC•

• •

2.2.9 Kiểm nghiệm trục vít2.2.9.1 Tuổi thọ làm việc

Trục XTrục Y

Thỏa mãn tuổi thọ làm việc yêu cầu của máy ( 25000 h)

2.2.9.2 Tải trọng tới hạn của trục vít

Tải trọng gây mất ổn định:

m là hệ số phụ thuộc kiểu lắp, với kiểu lắp fix-support m = 10,2.

Trục XTrục Y

Thỏa mãn yêu cầu về tải trọng tới hạn của trục vít

2.2.9.3 Tốc độ quay cho phép

Trục XTrục Y

Thỏa mãn tốc độ tới hạn của động cơ ( 2000 rpm)

2.3 Tính chọn ổ lăn2.3.1 Quy trình tính toán

Hình 2.3.1: Quy trình tính toán ổ lăn

2.3.2 Thông số ban đầu

Dựa vào điều kiện làm việc và đặc tính tải chọn

2.3.3 Chọn sơ bộ ổ lănChọn sơ bộ ổ lăn trục X:

- Chọn sơ bộ 2 ổ bi đỡ - chặn mã 7307 BECBP có thông số như sau:

Hình 2.3.2: Thông số ổ bi 7307 BECBP trên website hãng SKF (www.skf.com)

- Đối với gối đỡ bên tùy động chọn ổ bi đỡ 1 dãy mã 6407N có thông số như sau:

Hình 2.3.4: Thông số ổ bi 6407N trên website hãng SKF (www.skf.com)

Chọn sơ bộ ổ lăn trục Y:

- Chọn sơ bộ 2 ổ bi đỡ - chặn mã 7311 BEP có thông số như sau

Hình 2.3.5: Thông số ổ bi 7311 BEP trên website hãng SKF (www.skf.com)

- Đối với gối đỡ bên tùy động chọn ổ bi đỡ 1dãy mã 6311-2ZNR có thông số như

sau:

Hình 2.3.6: Thông số ổ bi 6311-2ZNR trên website hãng SKF (www.skf.com)

2.3.4 Kiểm nghiệm điều kiện bền2.3.4.1 Kiểm nghiệm khả năng tải động

kd =1,2

kt : hệ số nhiệt độ (<100 độ nên chọn K =1)tFa : lực hướng trục

X : hệ số phân bố tỉ lệ lực hướng tâmY : hệ số phân bố tỉ lệ lực hướng trụcTra theo hãng SKF, với ổ bi đỡ - chặn có:Trục X: X = 0,35 ; Y = 0,57Trục Y: X = 0,35 ; Y = 0,57