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
Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật
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 đầu thập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho
NC, Numerical (Điều khiển số) CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc 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 tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT Trước khoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đục lỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động Cách này đã cho thâý nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, 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 công nghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp
3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng Kĩ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết 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 bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng 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 CNC
- Cấu trúc tổng thể: Nói chung tương tự nhau, cùng sử dụng bàn máy hình chữ thập nhằm tăng độ cứng vững cho máy
Dùng để gia công các bề mặt: mặt phẳng, mặt định hình, …
Gia công các rãnh: rãnh thẳng, rãnh nghiêng, rãnh xoắn, …
Tiêu chí so sánh Máy công cụ Máy điều khiển số
Vào chương trình Không có Từ bàn phím
Kẹp phôi Gá kẹp bằng tay Gá kẹp phôi tự động bằng
Thay dao Thay dao bằng tay Thay dao tự động bằng cơ cấu thay dao
Xác định chuẩn gia công Dùng phương pháp rà, gá đơn giản Dùng các thiết bị rà gá chuyên dùng Độ chính xác Thấp Cao Đặt tốc độ trục chính Dùng tay để điều chỉnh số vòng Đưa vào từ bản phím
Tay quay cơ khí Phím bấm điều khiển hoặc tay quay điện tử
So sánh giá trị thực và giá trị lí thuyết
Dùng mắt quan sát tại vị trí gia công, ước lượng giá trị khoảng cách hình học
Trên màn hình hiển thị vị trí đang gia công và khoảng cách đạt kích thước lí thuyết
Kiểm tra kích thước sản phẩm
Dùng thước gặp panme Dùng đầu đo chuyên dùng
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 ở các 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 thời gian 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.
Tăng năng lực sản xuất.
• 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 nay
Máy tiện CNC là loại máy gia công cơ khí có tích hợp hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer Numerical Control – CNC) được sử dụng để thực hiện các nguyên công tiện Với hệ thống điều khiển, lập trình trên máy tính và các phần mềm chuyên dụng, 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, tiện mặt, tiện vát, tiện côn, tiện rãnh, tiện ren… dễ dàng, nhanh chóng, có độ chính xác cao hơn nhiều các máy tiện cơ thủ công Ngoài ra, các máy tiện CNC đa chức năng còn có thể thực hiện gia công khoan, doa, cắt ren, cắt rãnh, đánh bóng…
Máy phay CNC hiện tại được sử dụng rất phổ biến trong quá trình gia công các chi tiết máy chính xác, gia công khuôn mẫu hầu như các xưởng cơ khí và nhà máy hiện nay đều được trang bị máy này nhằm giảm thiểu chi phí nhân công, tăng cường độ chính xác của sản phẩm trong sản xuất hàng loạt Tuy nhiên trước khi mua chúng ta nên tìm hiểu qua về cấu tạo cũng như các lưu ý khi lựa chọn và sử dụng máy phay 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 pháp gia công không truyền thống không làm được như thép tôi, thép hợp kim khó gia công, hợp kim cứng Nó cũng gia công được các chi tiết hệ lỗ có hình dáng phức tạp.
Máy cắt dây CNC được biết đến là một dạng máy cắt CNC được hoạt động dựa trên sự điều khiển hoàn toàn tự động thông qua hệ thống máy tính thông minh Trong đó, các bộ phận 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 của người dùng Máy cắt dây CNC có thể gia công chính xác và tinh vi các bề mặt có độ phức tạp cao.
Máy cắt dây CNC được hoạt động theo nguyên lý là bắn phá các chi tiết để tách vật liệu ra bởi nhiệt năng sinh ra rất lớn khi ta đưa hai điện cực lại gần nhau Trong hai điện cực này, một điện cực đóng vai trò là công cụ và điện cực kia đóng vai trò là phôi trong quá trình gia công.
Kết cấu và hệ thống dẫn động của máy phay CNC
1.2.1.1 Thân máy và đế máy
Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so 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 nhiều hệ thống khác.
- Phải có độ cứng vững cao.
- Phải có các thiết bị chống rung động.
- Phải có độ ổn định nhiệt.
- Phải đảm bảo độ chính xác gia công.
- Đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy.
Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyển động linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rất cao, 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 dạng bàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy Nó làm tăng tính vạn năng cho máy CNC.
Yêu cầu của bàn máy: Phải có độ ổn định, cứng vững, được điều khiển chuyển động một cách chính xác.
Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công.
Nguồn động lực điều khiển trục chính: Trục chính được điều khiển bởi các động cơ Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.
Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng 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 chọn cho 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 việc êm
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của ban 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 cứng vững 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 bản đó 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
Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho quá trình gia công Nhờ có ổ tích dao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên tiếp với nhiều loại dao cắt khác nhau Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mang tính tự động hoá 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 điều khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ còn 2 loại 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 các momen cắt đạt trị số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu của động cơ.
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, dấu chấm, gạch nghiêng … Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (cụ thể là mã thập – nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân như bộ nhớ của máy tính)
- Các cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu được gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đại, cơ cấu đo hanh trình, cơ cấu đo vận tốc, , bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu.
Nguyên lý hoạt động và yêu cầu kỹ thuật của hệ thống
1.3.1 Nguyên lý hoạt dộng Đối tượng trong nội dung của đồ án là máy phay CNC 3 trục được ký hiệu với X,
Trục Z song song với trục chính Trục X có phương vuông góc với trục chính và song 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 cơ thành chuyển động tịnh tiến của bàn máy theo các trục kết hợp với các hệ thống đo lường dịch chuyển để điều chỉnh chính xác Động cơ quay truyền chuyển động qua bộ truyền động đai (hoặc xích) được lắp ở 1 đầu trục vít, truyền chuyển động quay cho vít me Vít me được gá đặt trên 2 ổ đỡ ở hai đầu quay tạo chuyển động tịnh tiến cho đai ốc Đai ốc được lắp với bàn Y bằng bulong, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me giúp bàn Y chuyển động 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 bàn máy theo các trục x,y và chuyển động lên xuống theo trục z của trục chính, tạo nên quỹ đạo mong muốn.
Trong khuôn khổ đồ án môn học em được giao nhiệm vụ thiết kết hệ thống dẫn động của bàn X, Y của máy phay CNC với các yêu cầu kĩ thuật cụ thể như sau:
2 Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT: Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, Dmm, JIS, S45C, Grade 4040, v0m/ph, t=1,2mm, F0mm/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/ph2
6 Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a: 0,4g m/s 2
7 Thời gian hoạt động: 05 đến 07 năm
Phân tích tính toán lựa chọn hệ thống dẫn động
Tính toán thiết kế ray dẫn hướng
Hình 2.1: Quy trình tính toán ray dẫn hướng
- 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
Coi phôi là khối lập phương có V = 88945362 và có cạnh l = 447 mm
Khối lượng bàn máy (kg) 24
Vận tốc tối đa khi không gia công
Gia tốc hoạt động lớn nhất (m/) 4 4
Hành trình chuyển động (mm) 11
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/s
Ta tính được thời gian đạt vận tốc v của bàn máy: = = = = 0,083s
Quãng đường tăng, giảm tốc: = = = = 0,0139 m = 13,9 mm
Quãng được bàn máy di chuyển đều:
Thời gian bàn máy di chuyển đều:
Hành trình chuyển động (mm) Bàn X
Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công 4700 N 7100 N Lực dọc trục lớn nhất khi gia công 3142 N 3622 N
Lực dọc trục (N) Tốc độ quay
Lực dọc trục trung bình:
Theo công thức trên tính được:
Tốc độ quay trung bình:
Tính toán tải trọng động và tải trọng tĩnh:
Tải trọng động: là lực dọc trục lớn nhất khi không có lực gia công là lực dọc trục trung bình là tốc độ quay trung bình của trục vitme là hệ số bền tĩnh là hệ số phụ thuộc phương thức lắp đặt vít me, với kiểu fix-supported có là hệ số tải động
2.2.7 Chọn đường kính trục vít me là đường kính vít me 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 X Trục Y dr 23,1 mm 7,9 mm
Từ những số liệu trên, chọn loại vít me (dựa trên cataloge của hãng PMI)
Trục X Trục 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 X Trục Y Thỏa mãn yêu cầu về tải trọng tới hạn của trục vít
2.2.9.3 Tốc độ quay cho phép
Thỏa mãn tốc độ tới hạn của động cơ ( 2000 rpm)
Hình 2.3.1: Quy trình tính toán ổ lăn
Lực dọc trục trung bình N N
Lực hướng tâm Bỏ qua vì được 2 ray dẫn hướng chịu lực Tuổi thọ
Nhiệt độ làm việc Dưới 100 Đặc tính tải trọng Va đập nhẹ Đường kính ngõng trục d = 35 mm d = 35 mm
Dựa vào điều kiện làm việc và đặc tính tải chọn
Chọn 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 bền
2.3.4.1 Kiểm nghiệm khả năng tải động kd =1,2 kt : hệ số nhiệt độ (
