Đồ án thiết kế hệ thống cơ khí - Thiết kế hệ thống dẫn hướng cho bàn máy CNC Đại học Bách khoa Hà Nội (full bản vẽ mô phỏng )
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY CNC
Máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC)
1.1 Lịch sử ra đời Ý tưởng điều khiển 1 dụng cụ thông qua 1 chuỗi lệnh kế tiếp liên tục mà chúng được ứng dụng trong các máy điều khiển NC ngày nay đã được phát kiến từ thế kỉ 14, bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ.
- Trong những năm 1949-1952, John Parsons và M.I.T đã thiết kế theo hợp đồng của không lực Hoa Kỳ một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầu ra của một máy tính Điều này làm bằng chứng cho chức năng gia công một chi tiết
- Năm 1952, M.I.T đã cung cấp chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên mang tên “Cincinnati Hydrotel” có trục thẳng đứng Tủ điều khiển lắp bằng các bóng đèn điện tử.
- Năm 1954, Bendix mua bản quyền Parsons và chế tạo thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên.
- Năm 1958 xuất hiện ngôn ngữ lập trình gắn với máy tính IBM 704 Năm
1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC làm tủ điều khiển có kích thước nhỏ và tin cậy hơn.
Năm 1972, sự ra đời của tủ điều khiển NC với cụm vi tính chế tạo hàng loạt đã khởi đầu cho thế hệ thiết bị NC cài vi tính mạnh mẽ hơn được gọi là máy CNC.
- Năm 1986-1987, các giao diện tiêu chuẩn hóa mở ra con đường tiến tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin liên thông CIM ( Computer Integrated Manufacturing).
NC :Numberical Control ( Điều khiển số)
CNC :Computer Numberical Control ( Điều khiển số với máy tính)
FMS:Flexible Manufacturing System ( Hệ thống sản xuất linh hoạt)
CIM :Computer Integrated Manufacturing( Lập kế hoạch, thiết kế và sản xuất có tích hợp của máy tính)
CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận khim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G.
1.3 Ưu điểm của máy CNC
- Khả năng tự động hóa cao: máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức độ tự động được nâng lên vượt bậc. Tùy từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện cùng lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dụng cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa đối tượng và chi tiết…
- Gia công nhiều chi tiết, biên dạng phức tạp: Máy CNC có khả năng gia công nhanh và chính xác cả những biên dạng phức tạp mà các máy công cụ thông thường không thể gia công được, ví dụ như là các bề mặt
- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của máy có thể thay đổi dễ dàng, nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết có chương trình, do đó không cần sản xuất các chi tiết dự trữ mà chỉ cần lưu trữ chương trình của chi tiết đó MáyCNC có thể gia công được các chi tiết nhỏ và vừa, có khả năng đáp ứng không nhất thiết phải thực hiện trên máy mà có thể thực hiện trên các máy tính.
- Tính tập trung nguyên công cao: Đa số máy CNC có thể thực hiện phần lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chi tiết, vì thế các máy CNC có phát triển và phối hợp với nhau thành các trung tâm gia công CNC.
- Tính chính xác và đảm bảo chất lượng chi tiết cao: giảm được hư hỏng sai sót của con người, có khả năng gia công hàng loạt với độ chính xác cao và lặp lại, đây là đặc điểm ưu việt của máy CNC
- Tính hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao: có chế độ cắt được lựa chọn tối ưu cũng như là các điều kiện của quá trình gia công như bôi trơn và làm mát… được tốt hơn hẳn so với quá trình gia công trên máy thông thường nên tuổi thọ của dao tăng lên, tiết kiệm dụng cụ cắt, đồ gá, các phụ tùng các Giảm lượng phế phẩm và tiết kiệm người công, đồng thời giảm thời gian sản xuất, tăng thời gian sử dụng của máy….
Bên cạnh các ưu điểm trên, các máy CNC cũng có những hạn chế nhất định như chi phí ban đầu cho cho việc mua máy và lắp đặt rất lớn.Hệ thống cơ khí và hệ thống điện cũng như các hệ thống các trên máy rất phức tạp, do đó quá trình bảo dưỡng khó khăn và tốn kém Và sử dụng máy CNC để gia công các chi tiết đơn giản làm hiệu quả kinh tế thấp.
1.4 Kết cấu khái quát máy CNC
Gồm các thành phấn chính đó là:
- Các cơ cấu điều khiển và gia công kim loại
- Hệ thống phối hợp của máy tính và các thiết bị khác
Kết cấu khái quát được mô tả như sơ dồ :
Hình 1.1: Kết cấu khái quát máy CNC Máy gồm 2 phần chính: phần điều khiển và phần chấp hành:
Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển
Chương trình điều khiển là tập hợp các tín hiệu (lệnh) để điều khiển máy Các tín hiệu này được mã hóa dưới dạng chữ cái, chữ số và một số ký hiệu đặc biệt Tập lệnh, còn gọi là chương trình, được lưu trữ trên các cơ cấu mang chương trình như băng đục lỗ hoặc bộ nhớ máy tính dưới dạng mã.
+ 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 các cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến….
Máy phay CNC
Đôi nét về máy phay CNC ở nước ta hiện nay:
- Là một trong các loại máy phổ biến trong phân xưởng cơ khí chế tạo khuôn mấu ở nước ta hiện nay.
- Máy được nhập khẩu tứ nước ngoài nên chủng loại vá kiểu máy rất khác nhau tùy thuộc vào hãng sản xuất.
- Ngày nay người ta kết hợp máy phay CNC, máy tiện CNC, máy khoanCNC,… với nhau để tạo thành các trung tâm gia công CNC
- Các trung tâm gia công thường có 3 trục chuyển động của dao, để tăng khả năng gia công của máy đối với các biến dạng chi tiết phức tạp, máy có thể có 5 trục chạy dao và trang bị bàn máy quay.
2.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC
Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC
Kết cấu động học của máy phay đứng CNCbao gồm: Cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC
Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt.Trục chính được dẫn động bởi một động cơ servo trục chính (trục Z) điều khiển được , được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, có khả năng cho ra tốc độ quay bất kì trong giới hạn thiết kế của máy Hệ thống truyền động và cụm trục chính được tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ cho việc thay đổi tốc độ quay trong thời gian ngắn nhất Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm biến đo và phản hồi về bộ điều khiển CNC Trên trục chính có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụng cụ tự động bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm tự động hóa hoàn toàn quá trình thay dao Chuyển động theo trục Z của máy do cụm trục chính thực hiện , dẫn động nhờ một động cơ servo trục Z thông qua bộ truyền vitme đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC kín, có phản hồi.
Hệ thống thay dao của máy phayCNC được tự động hóa hoàn toàn , thông thường nó là các ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép Vị trí thay dao của cụm trục chính là vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằm không xảy ra hiện tượng va đập với các chi tiết và các bộ phận khác của máy trong quá trình thay dao Hiện nay, các nhà sản xuất trung tâm gia công cơ khí CNC còn đưa ra một hệ thống thay dao đơn giản hơn đó là ổ chứa dao tự hành, vừa có chức năng chứa dao, vừa có chức năng thay dao tự động.
Bàn máy của máy phay CNC thông thường có hai khả năng chuyển động theo 2 trục X và Y , được dẫn động nhờ các động cơ servo, thông qua bộ truyền động vitme bi, được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởi bộ điều khiển CNC kín có phản hồi.
Bộ điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình điều khiển số được nạp vào bộ điều khiển , tiến hành xử lý thông tin và phát lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành Các lệnh điều khiển được phân nhánh thành 2 lệnh hệ cơ bản đó là : hệ lệnh đường đi và hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển quá trình thình thành hình dáng hình học của chi tiết.
2.2 Các cơ cấu đặc trưng của máy phay điều khiển số
2.2.1 Hệ thống thay dao tự động của máy phay CNC
Hệ thống kẹp và tháo dụng cụ của máy phay CNC được tích hợp trên trục chính với nguồn năng lượng tháo dụng cụ là khí nén và khép chặt bằng hệ thống lò xo đĩa.
Dựa trên hình dạng của ổ thay dao người ta chia làm hai dạng chính:
+ Dạng ổ tròn đĩa: số lượng dao < 32 dao.
+ Dạng ổ dạng xích: số lượng dao > 32 dao.
Trong các máy phay điều khiển số và các trung tâm gia công có khí hiện nay thì hệ thống thay dao có hai dạng cơ bản là : ổ chứa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép và ổ chứa dao tự hành.
Dạng thứ nhất: Hệ thống thay dao có ổ chứ dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép, khi chương trình điều khiển số NC gọi một dụng cụ mới thì bộ điều khiển CNC điều khiển ổ chứa dao quay , đưa dụng cụ được gọi vào vị trí sẵn sàng thay dao đồng thời điều khiển cụm trục chính chuyển động lùi về vị trí thay dao, tay kẹp dụng cụ quay 90 o đồng thời kẹp cả hai dụng cụ trên trục chính và trên ổ chứa dao, quá trình tháo 2 dao thực hiện bởi sự phối hợp của hệ thống tháo lỏng dụng cụ khi tay kẹp đi xuống, sau đó tay kẹp quay 180 o đổi vị trí hai dụng cụ, rồi chuyển động đi lên đưa 2 dụng cụ vào ổ trục chính và ổ chứa dao. Ổ thay dao kết hợp tay kẹp dụng cụ
Dạng thứ hai: ổ chứa dao tự hành, khi chương trình điều khiển số gọi một dụng cụ thì bộ điều khiển CNC điều khiển cụm trục chính chuyển động về mặt phẳng thay dao, đồng thời ở chứa dao chuyển động tịnh tiến hướng vào cụm trục chính kẹp dụng cụ cần được thay trên trục chính Hệ thống kẹp dụng cụ trong trục chính được điều khiển tháo lỏng, trục chính chuyển động đi lên tháo hoàn toàn dụng cụ khỏi cụm trục chính Ổ chứa dao quay, đưa dụng cụ được gọi bởi chương trình NC vào vị trí thay dao nằm dưới trục chính, khi đó trục chính chuyển động đi xuống kẹp chặt dụng cụ và ổ chứa dao tịnh tiến lùi về vị trí ban đầu.
2.2.2 Hệ thống gá kẹp chi tiết gia công
Trên máy phay điều khiển só thông thường sử dụng các thiết bị kẹp như :
+ Thiết bị kẹp cơ khí (gồm đòn kẹp, gối đỡ, bulông kẹp đầu chữ T).
+ Êtô : êtô kẹp bằng tay và êtô thủy lực có lực kẹp điều chỉnh được (có tự định tâm hoặc không tự định tâm).
+ Bàn Quay có 2 vị trí gá kẹp
Trên các trung tâm gia công hiện đại kết hợp việc sử dụng rôbốt để tự động hóa các quá trình gá đặt, kẹp chặt cũng như tháo chi tiết sau khi gia công.Điểm không của máy phay điều khiển số M thường được các nhà sản xuất đặt trước thông thường là điểm phía trên, bên trái, khí trước của gá kẹp và là điểm cố định Điểm không của chi tiết W thì do người dùng quy định , ưu tiên điểm phía trên, bên trái , mặt trước của chi tiết.
2.2.3 Hệ thống dẫn hướng trong máy phay CNC
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn máy theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính.
Yêu cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính.
Hiện nay trên các máy gia công CNC công nghiệp, người ta thường sử dụng các thanh dẫn hướng là thanh trượt hình chữ nhật Tuy nhiên sản phẩm được chế tạo với mục đích chính là gia công các vật liệu mềm thì hệ thống thanh dẫn hướng cho các trục được chọn là thanh dẫn hướng có tiết diện tròn được phủlớp Crom để tăng độ bóng và các ổ bi trượt bi tự hồi.
Các dạng đường ray dẫn hướng trong máy CNC
Dựa vào loại ma sát trong ray dẫn hướng có hai loại chính:
Đường dẫn hướng ma sát trượt
Đường dẫn hướng ma sát lăn
Trong báo cáo náy chúng ta tập trung tìm hiểu về đường dãn hướng ma sât lăn vì tính phổ biến và hiệu quả của nó. Đường dẫn hướng ma sát lăn :
- Tổn hao ma sát nhỏ, độ nhạy cao, khe hở nhỏ
- Được tiêu chuẩn hóa, moodun hóa, nâng cao chất lượng (vật liệu, các biện phát nâng cao chất lượng bề mặt ), nâng cao độ chính xác chế tạo lắp ráp
- Bôi trơn: phun sương dầu hoặc nhỏ giọt trực tiếp theo thời gian điều khiển
- Đáp ứng được yêu cầu gia tốc lớn
+ Ray dẫn kiểu hình chữ I: Mặt cắt đứng của nó là hình chữ I Con trượt sẽ được ngàm vào 2 mặt bên của ray dẫn hướng Con trượt sẽ sử dụng bi để chuyển động trên thanh ray này, ngoài ra có thể sử dụng trụ tròn thay cho bi.
+ Ray dẫn hướng thẳng trượt bi:
+ Ray dẫn kiểu máng trượt: ray kiểu này có hình cắt đứng giống như chữ U, con trượt sẽ tiếp xúc với thanh bên trong Con trượt chuyển động trên thanh ranh nhờ các trụ tròn tiếp xúc trong với thanh ray dẫn.
+ Ray dẫn tròn: thanh ray dẫn hướng có dạng trụ tròn được với trụ tam giác.
2.2.4 Bộ truyền vit me đai ốc bi
Trục vít me dùng trong máy CNC
Nhiệm vụ: Bộ truyền vít me – đai ốc có nhiệm vụ biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của bàn máy
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG MÁY PHAY CNC
Thông số đầu vào
+ Loại máy CNC: máy phay
+ Chế độ cắt thử nghiệm: phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, D = 80mm, JIS, S45C, grade 4040, v = 100 m/phút, t = 1.2 mm, F = 900 mm/phút.
+ Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công : M = 700 kg
+ Khối lượng bàn máy X: Mx= 120 kg
+ Khối lượng bàn máy Y: My= 204 kg
+ Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1 = 18 m/phút = 0.3 m/s + Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực : V2 = 12 m/phút = 0.2 m/s + Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a = 0.5g m/s 2 = 4.9 m/s 2 + Thời gian hoạt động : 05 đến 07 năm
Tương đương 21000 h làm việc + Tốc độ vòng động cơ lớn nhất: Nmax= 2000 rpm
+ Hệ số ma sỏt trượt: à= 0.1
1.2 Tính toán lực cắt với chế độ thử nghiệm
Tốc độ quay tối đa trong quá trình gia công của trục chính Z n= v× 1000 π × D = 100 × 1000
Lượng chạy dao răng ( f z ) là lượng dịch chuyển của chi tiết trong thời gian 1 răng (1 lưỡi cắt) của dao phay ăn vào kim loại (đơn vị mm/răng) f z = F
+ F là lượng chạy dao tính theo phút (mm/phút)
+ n là tốc độ quay của trục chính Z (vòng/phút)
+ Chọn ae & aei sao cho : ae + aei = Dc = 80mm
+ Ta chọn : ae = 80mm , aei =0
+ Mayjor cutting adge angle (Kγ) : thường chọn Kγ = 60°
+ Lựa chọn kết hợp với các thông số để điền vào bảng công cụ trên website : www.coroguide.com ta có kết quả như hình
Tính toán lực cắt khi phay mặt đầu
Tính chọn vít me – ổ bi trục X
2.1 Tính chọn vit me bi
2.1.1 Lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vitme
Các máy phay CNC có tốc độ quay của vitme không quá lớn hay tốc độ dịch chuyển của bàn máy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao khi gia công trên máy CNC thì hệ thống dẫn hướng yêu cầu độ chính xác cao Do đó lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động 2 bàn máy là kiểu lắp 1 đầu lắp chặt và 1 đầu di động (fix- support):
Với kiểu lắp ghép này, hai hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép f và λ nhận các gia trị là : f 1 và λ=3.927
- Tốc độ quay lớn nhất của động cơ khi làm việc: n = 2000 (vòng/phút)
- Bước vitme l được xác định theo công thức: l ≥ V max
Chọn sơ bộ bước vitme l (mm)
2.1.3 Tính toán lực dọc trục
Trường hợp hệ bàn máy và vitme nằm theo phương ngang
Hệ bàn máy và vitme
Các công thức tính lực dọc trục:
+ Khi tăng tốc về bên trái : F 1 = μmg+ ma+ f = 4822 N
+ Khi chạy đều về bên trái : F 2 = μmg+ f = 804 N
+ Khi gia công về bên trái : F 3=F m +μ(mg+F mz )+f = 1022 N
+ Khi giảm tốc về bên trái : F 4 = μmg− ma+ f = -3214 N
+ Khi tăng tốc về bên phải : F 5 =−μmg−ma− f = -4822 N
+ Khi chạy đều về bên phải : F 6 =−μmg−f = -804 N
+ Khi gia công về bên phải : F 7 =−F m − μ ( mg+ F mz ) − f = -1022 N
+ Khi giảm tốc về bên phải : F 8 =−μmg +ma− f = 3214 N
- là lực cắt chính của máy: F m 7.5 kG
- là lực theo phương Z (thẳng đứng): F mz =0.5 × P m 3,75 kG
- là hệ số ma sát trượt : μ= 0.1
- f là lực chống không tải : f =0
- m là tổng khối lượng ứng với mỗi bàn máy tác dụng lên vitme
- Khối lượng tổng cộng ứng với bàn máy X: mX =M+ MX p0 + 120820kg
2.1.4 Tính lực tác dụng trung bình và tải trọng tác dụng lên vitme
Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công : Fmax_1 = 4822 N
Lực dọc trục lớn nhất khi gia công : Fmax_2 = 1022 N
Bảng lực dọc trục và phần trăm tương ứng:
- Fmax_1 , Fmax_2 : Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công
- n1 , n2 :Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công
- t1 , t2 :Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải
- F am là lực dọc trục trung bình
- n là tốc độ quay trung bình của trục vitme : n=n 1 × t 1 + n 2 ×t 2
Axial load (kgf) Rotation speed (rpm) Time Ratio (sec or %)
- f s là hệ số bền tĩnh, với máy công cụ f s =1.5 ÷ 3 , chọn f s =2
- f w là hệ số tải động, lựa chọn theo bảng sau:
L t là tuổi thọ yêu cầu của vitme, từ 5-7 năm làm việc , tương đương 21000h làm việc
Thay số vào tính toán ta được kết quả như sau:
F am (kgf) n (vòng/phút) C o (kgf) C a (kgf)
2.2 Lựa chọn vit me và kiểm tra sơ bộ
- Máy phay CNC yêu cầu hệ thống dẫn động có độ cứng vững cao, độ hao phí không quá quan trọng , do đó dựa vào catalog của hãng PMI em lựa chọn ổ bi loại lưu chuyển bi bên ngoài, kiểu FDWC, số bi B.2 hoặc B.3
- Kiểu lắp ghép ổ đỡ là đỡ chặn – đỡ ⇒ f = 15.1
- Đường kính trục vít : d r = nL 2 f × 10 −7 = 1600 ×1300 2
Từ các kết quả tính toán trên, ta có:
+ Đường kính trục: dr ≥ 17.8 mm
+ Tải trọng tĩnh: Co = 983 kgf
+ Tải trọng động: Ca = 5222 kgf
Tra cứu datasheet của hãng PMI ta lựa chọn được vitme với các thông số sau:
Vậy lựa chọn vitme 45-10B2-FDWC
+ Tải trọng động: Ca = 5480 kgf
+ Đường kính lõi ren của trục vitme d r 8.05(mm)
+ Chiều dài trục vitme sau khi chon trục :
L= tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài đai ốc + chiều dài vùng thoát
+ Tốc độ quay cho phép : n=f × dr L 2 ×10 7 1 × 38.05
Tốc độ này lớn hơn tốc độ thiết kế (Nmax), vậy lựa chọn trục vit là thỏa mãn
+ Độ dịch do thay đổi nhiệt độ (mức điều chỉnh 3 ℃ )
2.2.3 Chọn độ chính xác dài Độ chính xác vị trí yêu cầu là : ± 0,03 / 1000 mm
Dựa vào bảng cấp chính xác của PMI
Chọn cấp chính xác với độ lệch & độ biến dạng tích lũy là :
Cấp chính xác C4 E= 0,025/1250mm e= 0,018 mm
2.3 Tính toán chọn ổ đỡ trục X
Do tải trọng trục lớn, trên một gối đỡ trục vít lắp 2 ổ đỡ chặn đối nhau để hạn chế trục di chuyển dọc trục về cả 2 phía Còn trên gối đỡ kia thì dùng ổ lăn tùy động là ổ bi đỡ 1 dãy để cho phép trục tùy ý dịch động khi nở nhiệt.
2.3.1 Lựa chọn sơ bộ kích thước ổ bi
- Trục vit me X đã chọn: 45-10B2-FDWC có đường kính vit me DEmm, tải trọng tĩnh: C o = 15700 kgf, tải trọng động: C a = 5480 kgf
- Chọn ổ bi theo tiêu chuẩn hãng SKF ( http://www.skf.com): Dựa vào đường kính vit me và tốc độ quay của động cơ, ta lựa chọn sơ bộ ổ bi cho trục vit me X: 7408 BCBM Đối với gối đỡ bên tùy động: Dựa vào đường kính và khải năng tải của trục vit me bi trục
X, lựa chọn sơ bộ ổ bi đỡ là ổ bi đỡ 1 dãy theo bảng thông số tiêu chuẩn của hãng SKF: 4308 ATN9
2.3.2 Khả năng tải của ổ bi
Xét lực dọc trục tác động lên 2 ổ bi đỡ - chặn (ổ A và B):
- Lực dọc trục : F am = 345.2 kgf = 3385 N
- Trọng lực tác dụng lên các ổ lăn:
- Nội lực dọc trục tác dụng lên các ổ bi là như nhau :
Chọn góc tiếp xúc α = 40 độ , nên e = 1.14
- Lực dọc trục tác dụng lên ổ bi : Ổ A: ∑ F zA = − F 2 sB + F am =− 3055 2 +338557.5( N )
Tra theo hãng SKF, với ổ bi đỡ- chặn góc nghiêng 40 ° đã chọn có:
Kđ=1.1 (Chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn so với các máy cắt kim loại, động cơ công suất nhỏ và trung bình)
L` × 10 −6 ×n× L h `× 10 −6 ×1590 ×21000 03.4( triệuvòng) Đối với ổ bi đỡ- chặn: với V=1 do vòng trong quay
Tính chọn vít me –ổ bi trục Y
3.1 Tính chọn vit me bi
3.1.1 Lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vitme
Các máy phay CNC có tốc độ quay của vitme không quá lớn hay tốc độ dịch chuyển của bàn máy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao khi gia công trên máy CNC thì hệ thống dẫn hướng yêu cầu độ chính xác cao Do đó lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động 2 bàn máy là kiểu lắp 1 đầu lắp chặt và 1 đầu di động (fix- support):
Với kiểu lắp ghép này, hai hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép f và λ nhận các gia trị là : f 1 và λ=3.927
- Tốc độ quay lớn nhất của động cơ khi làm việc: n = 2000 (vòng/phút)
- Bước vitme l được xác định theo công thức: l ≥ V max
Chọn sơ bộ bước vitme l( mm )
3.1.3 Tính toán lực dọc trục
Trường hợp hệ bàn máy và vitme nằm theo phương ngang
Hệ bàn máy và vitme
Các công thức tính lực dọc trục:
+Khi tăng tốc về bên trái : F 1 = μmg+ ma+ f = 6022 N
+Khi chạy đều về bên trái : F 2 = μmg+ f = 1004 N
+Khi gia công về bên trái : F 3 = F m + μ (mg + F mz )+ f = 1222 N
+Khi giảm tốc về bên trái : F 4 = μmg− ma+ f = -4013 N
+Khi tăng tốc về bên phải : F 5 =−μmg−ma− f = -6022 N
+Khi chạy đều về bên phải : F 6 =−μmg−f = -1004 N
+Khi gia công về bên phải : F 7 =−F m − μ ( mg+ F mz ) − f = -1222 N
+Khi giảm tốc về bên phải : F 8 =−μmg +ma− f = -4013 N
- là lực cắt chính của máy: F m 7.5 kG
- là lực theo phương Z (thẳng đứng): F mz =0.5 × P m 3,75 kG
- là hệ số ma sát trượt :
- Khối lượng tổng cộng ứng với bàn máy Y: mY =M+ MX+MY p0 + 120 +204= 1024kg
Thay số liệu vào các biểu thức tính toán lực dọc trục ta được bảng số liệu lực dọc trục tác dụng lên trục Y
3.1.4 Tính lực tác dụng trung bình và tải trọng tác dụng lên vitme
Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công : Fmax_1 = 6022 N
Lực dọc trục lớn nhất khi gia công : Fmax_2 = 1222 N
Bảng lực dọc trục và phần trăm tương ứng:
- Fmax_1 , Fmax_2 : Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công
- n1 , n2 :Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công
- t1 , t2 :Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải
Axial load (kgf) Rotation speed (rpm) Time Ratio (sec or %)
- F am là lực dọc trục trung bình
- n là tốc độ quay trung bình của trục vitme : n=n 1 × t 1 + n 2 ×t 2
- f s là hệ số bền tĩnh, với máy công cụ f s =1.5 ÷ 3 , chọn f s =2
- f w là hệ số tải động, lựa chọn theo bảng sau:
- L t là tuổi thọ yêu cầu của vitme, từ 5-7 năm làm việc , tương đương 21000h làm việc
Thay số vào tính toán ta được kết quả như sau:
F am (kgf) n (vòng/phút) C o (kgf) C a (kgf)
3.2 Lựa chọn vit me và kiểm tra sơ bộ
- Máy phay CNC yêu cầu hệ thống dẫn động có độ cứng vững cao, độ hao phí không quá quan trọng , do đó dựa vào catalog của hãng PMI em lựa chọn ổ bi loại lưu chuyển bi bên ngoài, kiểu FDWC, số bi B.2 hoặc B.3
- Kiểu lắp ghép ổ đỡ là đỡ chặn – đỡ ⇒ f = 15.1
Từ các kết quả tính toán trên, ta có:
Bước vít : 10mm Đường kính trục : dr ≥ 12.7 mm
Tải trọng tĩnh : Co28 kgf
Tra cứu datasheet của hãng PMI ta lựa chọn được vitme với các thông số sau:
Vậy lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC
- Tải trọng động: Ca = 7760 kgf
- Đường kính lõi ren của trục vitme d r @.05(mm)
+ Chiều dài trục vitme sau khi chon trục :
L= tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài đai ốc + chiều dài vùng thoát ¿ 650+ 254 +15054=¿Chọn = 1100 mm
+Tốc độ quay cho phép : n =f × dr
Tốc độ này lớn hơn tốc độ thiết kế ( Nmax), vậy lựa chọn trục vit là thỏa mãn
+ Độ dịch do thay đổi nhiệt độ ( mức điều chỉnh 3 ℃ )
3.2.3 Chọn độ chính xác dài Độ chính xác vị trí yêu cầu : ± 0,03/1000 mm
Dựa vào bảng cấp chính xác của PMI
Chọn cấp chính xác với độ lệch & độ biến dạng tích lũy là :
Cấp chính xác: C4 E=0.025/1250mm e =0.018mm
3.3 Tính toán chọn ổ đỡ trục Y
3.3.1 Lựa chọn sơ bộ kích thước ổ bi
- Chọn ổ bi theo tiêu chuẩn hãng SKF ( http://www.skf.com): Dựa vào đường kính vit me và tốc độ quay của động cơ, ta lựa chọn sơ bộ ổ bi cho trục vit me Y: 7408 BCMB Đối với gối đỡ bên tùy động : Dựa vào đường kính và khải năng tải của trục vit me bi trục X , lựa chọn sơ bộ ổ bi đỡ là ổ bi đỡ 1 dãy theo bảng thông số tiêu chuẩn của hãng SKF : 4309 ATN9
3.3.2 Khả năng tải của ổ bi
Xét lực dọc trục tác động lên 2 ổ bi đỡ - chặn (ổ A và B):
- Lực dọc trục : F am C1 kgf B23.8 N
- Trọng lực tác dụng lên các ổ lăn
- Nội lực dọc trục tác dụng lên các ổ bi là như nhau :
- Chọn góc tiếp xúc α = 40 độ , nên e = 1.14
- Lực dọc trục tác dụng lên ổ bi : Ổ A : ∑ F = F − F am 347− 3816 39 (N) Ổ B : ∑ F zB = F sA + F 2 am 347+ 3816 2 R55( N )
Tra theo hãng SKF, với ổ bi đỡ- chặn góc nghiêng 40 ° đã chọn có:
Kđ=1.1 ( Chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn so với các máy cắt kim loại, động cơ công suất nhỏ và trung bình)
L` × 10 −6 ×n× L h `× 10 −6 ×1590 × 21000 03.4( triệuvòng) Đối với ổ bi đỡ- chặn: với V=1 do vòng trong quay
Từ kết quả tính toán tải trọng động, tải trọng tĩnh ta lựa chọn ổ bi đỡ - chặn đạt yêu cầu.
TÍNH CHỌN RAY DẪN HƯỚNG
các điều kiện đầu
1.1 chọn ray dẫn hướng sơ bộ
Sử dụng ray dẫn hướng cho bàn X có series: Model MSA 20A
Bàn Y có series:Model MSA 30LA
Bàn Y có hệ số tải động : CG.9 kN và hệ số tải tĩnh : C 0= 77.0 kN
Khối lượng bàn máy (kg) 120 204
Vận tốc khi không gia công(m/s) v=0,3 v=0,3
Ta có gia tốc a=4.9 m/ s 2 và vận tốc khi không gia công v = 0.3m/s ta tính được quãng đường tăng giảm tốc X 1 = X 3 = Y 1 =Y 3 = v 2
Chuyển động Bàn X l s = 900 mm Bàn Y l s = 650 mm
Nhanh dần(mm) 9.18 9.18 Đều (mm) 881.64 631.64
Các khoảng cách định vị :
Với bàn Y: Các khoảng cách định vị :
- Nếu bàn X nằm chính giữa bàn Y thì sẽ không có các momen lật Do vậy trong tính toán nên để bàn X ở vị trí so với tâm của bàn Y là 225mm
- Khi tính cho bàn Y , coi bàn X và phôi là một khối duy nhất có khối lượng bằng hai thành phần (m ¿¿o+m x )p0+1200kg¿
- Coi tâm bàn X,Y,dao cắt nằm trên cùng một đường thẳng.
Các khoảng cách định vị (mm) Bàn X Bàn Y
Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray l 1 410 270
Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray l 2 296 504
Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn máy theo phương vuông góc trục vit-me l 3
Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn máy theo phương song song trục vit-me l 4
0 225 Độ cao từ tâm trục vit-me tới mặt bàn máy l 5 149 246 Độ cao từ tâm trục vit-me tới mặt phôi l 6 400 631
Tính chọn ray dẫn
2.1 Tính toán các lực riêng rẽ
Chuyển động đều, lực hướng kính P n
Chuyển động đều, lực hướng kính P n (N) Bàn X Bàn Y
Chuyển động tăng tốc sang trái, lực P n la 1
Chuyển động tăng tốc sang trái, lực
Chuyển động giảm tốc sang trái, lực P n la 3
Chuyển động giảm tốc sang trái, lực
Chuyển động tăng tốc sang phải P n ra 1
Chuyển động tăng tốc sang phải P n ra 1 Bàn X Bàn Y
Chuyển động giảm tốc sang phải: P n ra 3
Chuyển động giảm tốc sang phải: P n ra 3 Bàn X Bàn Y
2.2 Tính toán tải trọng tương đương
Khi chuyển động đều Bàn X Bàn Y
Tăng tốc sang trái Bàn X Bàn Y
Tăng tốc sang phải Bàn X Bàn Y
Giảm tốc sang phải Bàn X Bàn Y
2.3 kiểm tra hệ số tải tĩnh f s
2.4 Tính toán tải trọng trung bình
Tính toán tải trọng trung bình Bàn X Bàn Y
2.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa
Thời gian phục vụ tính theo giờ là : L h = L× 10 3
Vậy hai model ray đã chọn đủ điều kiện làm việc theo yêu cầu
Tính chọn dộng cơ
Tính chọn động cơ bàn X
8 × 4.5 4 × 1303.3 (kgf cm 2 ) Trên phần dịch chuyển :
D là đường kính trục vít, l’ là chiều dài nối trục
GD L 2 =GD s 2 +GD w 2 + GD J 2 3.3 + 20.8+ 35.4= 219.5 (kgf cm 2 )
1.2 Momen phát động Đối với trục X do thời gian dành cho quá trình có gia tốc là rất ngắn, do đó ở đây ta chỉ tính toán cho giai đoạn chạy đều ( chiếm phần lớn thời gian gia công )
Mô men do lực ma sát:
Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen ma sát khi phay thô:
Các thông số đầu vào
- Tốc độ quay lớn nhất của động cơ: nmax ≥ 2000 (vòng/phút)
- Thời gian đạt tốc độ lớn nhất : 0.9s
- Khối lượng của phần đầu dịch chuyển: m0 kg
- Góc nghiêng của trục động cơ và trục vít me: α = 0 (do sử dụng phương pháp nối trục)
- Tỉ số truyền: i= 1 ( do chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vit-me không qua bộ truyền giảm tốc )
- Hiệu suất truyền động chọn: η=0.9
- Lực cắt lớn nhất: Fmax= 4822 N = 491.7 (kgf)
- Lực cắt theo phương z ( phương thẳng đứng ) : F mz = 0.5 F m = 103.75 ( kgf)
* Momen ma sát quy đổi ( T fric ):
Mô men ma sát quy đổi gây ra bởi trục đai ốc bi và ổ bi là không đáng kể nên có thể bỏ qua, do vậy ở đây mô men ma sát quy đổi gây ra bởi ray dẫn hướng được sử dụng để tính toán
* Momen trọng lực quy đổi ( T wz )
Tính momen chống trọng lực của kết cấu
2 π i Ƞ =0 vì α =0 do cơ cấu nằm ngang v max = πDn
* Momen cắt quy đổi ( T mach ¿ :
Tính tốc độ quay motor: n noml = v max i h = 4.71 × 1
0.01 = 471(vòng / ph ) ¿> ¿ Dựa vào momen tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, ta chọn loại động cơ AM 1400C của hãng ANILAM- www.anilam.com có momen khởi động là 13 Nm và tốc độ quay lớn nhất là 2000rpm
Thông số một số động cơ ANILAM
Kiểm tra thời gian cần thiết để đạt được vận tốc cực đại
Thời gian cần thiết để đạt được vận tốc cực đại : t a = T ' J
Trong đó : J là tổng mô men quán tính (Momen tính toán + momen cho bởi động cơ – Rotor Inertia J )
TL là mô men quay f w là hệ số an toàn ( chọn theo kiểu ổ lắp )
Thay số vào ta được : t a = ( 219.5 +43) ×10 −4
Tính chọn động cơ bàn Y
D là đường kính trục vít , l’ là chiều dài nối trục
GD L 2 =GD s 2 +GD w 2 + GD J 2 = 138 + 25.9 + 35.4 = 199.3 (kgf cm 2 )
Do thời gian dành cho quá trình có gia tốc rất ngắn, nên việc tính toán chủ yếu tập trung vào giai đoạn chạy đều vì giai đoạn này chiếm phần lớn thời gian gia công.
2 π = 0.3 × 204.6 2 π ×1.1 = 10.75 (kgf.cm) Trong đó ∶ k = 0,3 ; F ao = F 3 max = 614
Mô men do lực ma sát:
Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen ma sát khi phay thô:
Các thông số đầu vào
- Tốc độ quay lớn nhất của động cơ: nmax ≥ 2000 (vòng/phút)
- Thời gian đạt tốc độ lớn nhất : 0.9s
- Khối lượng của phần đầu dịch chuyển: m24 kg
- Góc nghiêng của trục động cơ và trục vít me: α = 0 (do sử dụng phương pháp nối trục)
- Tỉ số truyền: i= 1 ( do chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vit-me không qua bộ truyền giảm tốc )
- Hiệu suất truyền động chọn: η=0.9
- Lực cắt lớn nhất: Famax`22 Na4 kgf
- Lực cắt theo phương z ( phương thẳng đứng ) : F mz = 0.5 F m = 103.75 ( kgf)
* Momen ma sát quy đổi ( T fric ):
* Momen trọng lực quy đổi ( T wz ):
Tính momen chống trọng lực của kết cấu
2 π i Ƞ =0 vì α =0 do cơ cấu nằm ngang Tính vận tốc dài
Với đường kính trục vít được chọn là 45 mm, ta có : v max = π D n
* Momen cắt quy đổi ( T mach ¿ :
Tính tốc độ quay motor: ¿>¿ Dựa vào momen tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, ta chọn loại động cơ AM 1400C của hãng ANILAM- www.anilam.com có momen khởi động là 13 Nm và tốc độ quay lớn nhất là 2000rpm
Thời gian cần thiết để đạt được vận tốc cực đại : t a = T ' J
Trong đó : J là tổng mô men quán tính (Momen tính toán + momen cho bởi động cơ – Rotor Inertia J )
TL là mô men quay f w là hệ số an toàn ( chọn theo kiểu ổ lắp )
Thay số vào ta được : t a = ( 199.3+ 43)× 10 −4
