Nhiệm vụ chính là tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống vít me bi, hệ thống ray dẫn hướng, ổ bi và động cơ điều khiển cho các trục X, Y.. Thiết kế hệ thống truyền động - Thiết kế hệ t
PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT
Khái niệm về máy điều khiển số
Máy điều khiển số (Computer Numerical Control hay còn gọi là CNC) là điều khiển tự động các công cụ gia công (như máy khoan, máy tiện, máy xay và máy in 3D) bằng máy tính Máy CNC sử dụng với mục đích sản xuất (có tính lặp lại), xử lý một phần vật liệu phức tạp (như kim loại, nhựa, gỗ, gốm và composite) bằng cách tuân theo các hướng dẫn lập trình các chương trình được mã hóa chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D (thường gọi mà G-Code)
Công nghệ điều khiển số (công nghệ CNC) xuất hiện vào giữa thế kỷ XX, tuy nhiên, sự bùng nổ thực sự của nó bắt đầu từ năm 1972 với sự xuất hiện của máy tính tích hợp dùng các hệ điều khiển công cụ thay cho NC (Numerical) Trước khoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hóa và xử lý trên bác băng đục lỗ, hệ điều triển trên trục máy động Cách này đã cho thấy nhiều sự bất tiện, chẳng hạn như khi sử chữa, hiệu chỉnh chương trình, khó lưu trữ, truyền tải,… Hệ điều khiển CNC khắc phục được các nhược điểm trên nhờ khả năng đọc hàng loạt các 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 chính sác và nhanh chóng
Sự ra đời của công nghệ này đã đánh dấu một bước ngoặt lớn trong cuộc sản xuất cơ khí và hiện nay nó đang phát triển không ngừng để đưa ra những sản phẩm hoàn hảo nhất Đây cũng là một trong những nền tảng của các công nghệ sau này, không chỉ giới hạn trong ngành cơ khí mà còn được mở rộng ra các lĩnh vực khác như y tế, nông nghiệp, smart,… Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất tạo nên sự phát triển đáng kể về cả số lượng và chất lượng, độ chính xác trong từng sản phẩm cũng như giảm thiểu sự sai sót trong quá trình chế tạo Ngoài ra, nó còn giúp cho người thao tác có thời gian cho các công việc khác như linh hoạt trong thao tác các sản phẩm, tạo ra thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác đem lại hiệu quả kinh tế cao hơn so với sản xuất loạt nhỏ Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết thành tổ hợp (cell) cho phép người điều khiển máy có thể làm nhiều thao tác trên cùng một bộ phận Ngày nay, các máy CNC được điều khiển gia công trực tiếp trên máy tính bằng các phần mềm CAM Sau khi quá trình này được hoàn thành thì phầm mềm sẽ xuất ra code NC của quá trình gia công và được chuyển vào máy CNC Và cuối cùng khi đã gá dao và phôi thì máy CNC sẽ gia công đúng như quá trình gia công trên máy tính
Các loại máy CNC phổ biến hiện nay bao gồm:
• Máy khoan tia lửa điện CNC
11 Ưu điểm của máy CNC:
So với các máy công cụ truyền thống, máy CNC có nhiều nét ưu việt hơn, thể hiện ở các điểm sau:
• Gia công được các 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 và giảm thời gian phụ
• Tính linh hoạt cao hơn
• Độ lớn loạt tối ưu nhỏ hơn
• Độ chính xác gia công cao và ổn định đều
• Chi phí kiểm tra giảm
• Chi phí do phế phẩm giảm
• Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất
• Tăng năng lực sản xuất
• Có khả năng tích hợp trong hệ thống gia công linh hoạt.
Kết cấu và nguyên lý hoạt động máy CNC
Gồm các thành phần chính sau:
- 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 đồ sau:
Hình 1.1 Kết cấu khái quát của máy CNC
• Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển
+ Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu (các lệnh) để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái, chữ số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, dấu trừ,… Tập lệnh (chương trình) này được ghi lên các cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã như băng đục lỗ hay bộ nhớ 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 các cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến…
• Phần chấp hành: Gồm các cơ cấu gia công kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn,… Cũng như các máy cắt gọt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiêt Tùy theo khả năng công nghệ của máy mà máy có thể có: thân máy, bàn máy, trục chính, các kết cấu được thiết kế với các đặc điểm đáp ứng được yêu cầu trong quá trình điều khiển tự động của máy, ví dụ như phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải phoi và bôi trơn,…
Hình 1.2 Sơ đồ động học máy CNC 3 trục
Ta xuất file thiết kế CAD 2D/3D sau đó lập trình trên phần mềm CAM để lên chương trình chạy dạo cho máy Chương trình được đưa vào bộ xử lý sẽ biết chương trình CAM thành mã G-Code mà máy có thể đọc Mã G-Code được tải lên máy CNC cùng với tất cả các công cụ cắt gọt cần thiết như dao phay ngón, dao lăn ren, mũ khoan, … Sau đó, máy sẽ được đưa vào chế độ tự động và khởi động chương trình, điều khiển tất cả các tính năng của máy như di chuyển, tốc độ tiến dao, tốc độ trục chính, công cụ cắt, … để gia công chi tiết Việc còn lại của người đứng máy là theo dõi quá trình vận chuyển, đảm bảo mọi thứ đều đi đúng với lập trình và xử lý khi có sự cố xảy ra.
Các thành phần cơ bản của hệ thống
1.3.1 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 cao
- Phải có các thiết bị chống rung
- Phải có độ ổn định nhiệt
- Phải đảm bảo độ chính xác cao 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 Trục chính được dẫn động bởi một động cơ Servo trục chính (trục Z) điều khiển được và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, có khả năng cho ra tốc độ quay bấy kỳ 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 sự thay đổi tốc độ quay trong thời gian ngắn nhất Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm
14 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 vít me đai ốc bi được điều khiển và điều chỉnh bộ điều khiển CNC kín, có phản hồi
Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắc và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh
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 trượt: thanh trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt
Hiện nay, trên máy gia công CNC công nghiệp, người ta thường sử dụng các thanh dẫn hướng là thanh trượt hình chữ nhật
Hình 1.3Cụm trục chính trên máy CNC
1.3.5 Trục vít me, đai ốc bi
Nhiệm vụ: biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến cả bàn máy
Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường sử dụng hai dạng vít me cơ bản đó là: vít me - đai ốc trượt và vít me - đai ốc bi a) Vít me – đai ốc bi: Là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn
Bộ truyền vít me – đai ốc bi thường được dung trong chuyển động chạy dao của máy công cụ CN, CNC và dung trong các máy công cụ chính như máy mài, máy doa tốc độ và các loại máy khác Đôi khi còn dung trong máy tiện, máy tổ hợp, dùng trong truyền dẫn di động xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng Ngoài dẫn ra còn dùng trong bộ truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường, máy chuốt
- Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứng vững chiều trục cao
- Tổn thất do ma sát bé, hiệu suất bộ truyền đạt 0,9 so với vít me – đai ốc trượt là 0,2 ÷ 0,4
- Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma sát (biến đổi theo tốc độ), ma sát tĩnh rất bé nên chuyển động êm
- Khả năng chịu tải kém hơn so với vít me thường (do đặc điểm cấu tạo,…)
- Do cần độ chính xác rất cao nên chế tạo khó khan và giá thành đắt
Hình 1.5 Trục vít me - đai ốc bi
• Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi hình trên bao gồm trục vít me, đai ốc, dòng bi chuyển động trong vít me - đai ốc và ống hồi bi đảm bảo dòng bi tuần hoàn liên tục
• Các dạng prôfin ren của vít me và đai ốc như sau:
- Dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung tròn và dạngrãnh (dạng cung nhọn) Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hình thang có khả năng tải thấp, chỉ dùng khi máy có khả năng chịu tải trọng chiều trục bé và độ cứng vững không cao
- Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất, bán kính rãnh 𝑟 2 gần bằng bán kính viên bi R1 sẽ giảm tối đa ứng suất tiếp xúc, có thể chọn 𝑟 2 ⁄𝑟1 = 0,95 ÷ 0,97, giá trị 𝑟 2 ⁄𝑟 1 sẽ làm tổn thất do ma sát một cách rõ rệt Tại góc tiếp xúc bé thì bộ truyền có độ cứng vững bé và khả năng tải bé, lực hướng kính sẽ lớn Do tăng góc tiếp xúc thì khả năng đảo và độ cứng vững truyền động tăng và hạ thấp tổn thất do ma sát vì vậy khe hở đường kính ∆d phải chọn để góc tiếp xúc đạt 45°
Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, nó còn cho phép truyền động không rơ hoặc chọn được độ dôi của đường kính viên bi Còn ở dạng nửa tròn muốn khử độ rơ và tạo độ dôi đều dùng thêm đai ốc thứ hai để điều chỉnh b) Vít me đai ốc trượt: là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt Đặc điểm: thường có 2 dạng chủ yếu là ren có dạng hình thang và ren có dạng hình vuông Về mặt kết cấu nên chế tạo vít me với 2 cổ trục giống nhau để sau một thời gian sử dụng, có thể lắp đảo ngược vít me lại nhằm làm cho bề mặt làm việc của vít me mòn cả hai bên
+ Truyền động em, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn
+ Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng qua lớn
Hình 1.6 Các dạng profin ren của vít me và ổ bi
+ Hiệu suất làm việc thấp
+ Xuất hiện độ rơ khi đảo ngược chiều chuyển động
Dùng để tích chứa nhiều loại 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 hóa cao
1.3.7 Các xích động của máy
Tất cả các đường chuyển 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 chuyển động chạy dao
Việc tính toán và thiết kế, chế tạo được thực hiện theo modun hóa 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 một hộp tốc độ có từ 2 đến 3 cấp, nhằm khuếch đại các momen cắt đạt giá trị số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu của động cơ.
Các loại động cơ trên máy CNC
Máy CNC dùng nhiều loại động cơ trong đó có thể kể tới các lại động cơ sau:
Hay còn gọi là động cơ điện DC (Direct Currect Motor) được điều khiển bằng dòng có tích xác định hay còn gọi là dòng điện một chiều
+ Có moment mở máy lớn, kéo được tải năng khi khởi động
+ Có khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt
+ Tiết kiệm điện năng, bền bỉ và có tuổi thọ lớn
+ Dải điều khiển tốc độ hẹp
+ Phải có mạch tạo nguồn một chiều riêng
+ Bộ phận cổ góp có cấu tạo phức tạp, đắt tiền hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng, sửa chữa thường xuyên
Hay còn gọi là động cơ AC là động cơ được dẫn động bằng dòng điện xoay chiều
+ Cấp điện trực tiếp từ lưới điện
+ Đa dạng, phong phú nhiều chủng loại, dễ tìm, giá thành rẻ
- Nhược điểm: Mạch điều khiển rất phức tạp
1.4.3 Động cơ bước (Step Motor):
Là loại động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xác xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto, có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết Xét về cấu tạo được coi là tổng hợp của động cơ điện một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ
+ Động cơ có khả năng cung cấp moment xoắn lớn ở dải vận tốc trung bình và thấp
+ Có thể điều chỉnh chính xác góc quay
+ Giá thành tương đối thấp
+ Hay xảy ra hiện tượng trượt bước do lực từ yếu hoặc nguồn điện cấp vào không đủ
+ Thường gây ra tiếng ồn và có hiện tượng nóng dần khi hoạt động
1.4.4 Động cơ servo: Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của loại động cơ này được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có sự cố ngăn cản chuyển động quay của động cơ thì cơ cấu hòi sẽ nhận được tín hiệu báo chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được vị trí chính xác
Chính vì vậy, loại động cơ này gắn với vít me tạo chuyển động chính xác cho bàn máy gia công
+ Tốc độ cao, moment lớn, khả năng điều khiển tốc độ, vị trí và moment cực kỳ chính xác
+ Động cơ chạy êm, tốc độ đáp ứng và phản hồi nhanh, quán tính thấp
+ Độ phân giải và hiệu suất cao, ít sinh nhiệt và ít bị hư hỏng
+ Giá thành cao và phải bảo dưỡng định kỳ
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
Tính chọn ray dẫn hướng
Trong các loại thanh dẫn hướng cơ khí có 2 dòng ray dẫn hướng được ưa chuộng nhất và được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay đó là thanh trượt vuông và thanh trượt tròn
Trong máy CNC, người ta sử dụng ray dẫn hướng vuông
Hình 2.1 Sơ đồ hệ bàn máy X Y và động cơ
20 Để có được một mô hình phụ hợp nhất cho các điều kiện dịch chuyển của hệ thống ray dẫn hướng thì khả năng chịu tải và tuổi thọ của mô hình phải được chú trọng nhất
Quy trình tính toán chọn tay dẫn hướng như biểu đồ sau:
Hình 2.2 Ray dẫn hướng vuông
Lựa chọn ray dẫn hướng sơ bộ: Hãng PMI có các thông số tại trọng động và tải trọng tĩnh lớn hơn yêu cầu cho phép
Hình 2.3 Quy trình tính toán ray dẫn hướng theo hãng PMI
Bảng 2.1 Các thông số ban đầu
Khối lượng đặt lên bàn máy (kg) 𝑚 1 = 700 𝑚 1 = 840
Khối lượng bàn máy (kg) 𝑚 2 = 140 𝑚 2 = 260
Vận tốc không gia công V1(m/s) 𝑉 1 = 0,333 𝑉 2 = 0,333
Vận tốc gia công có lực V2(m/s) 𝑉 1 = 0,2 𝑉 2 = 0,2
Hình 2.4 Sơ đồ ray dẫn hướng
Các giai đoạn khi cho bàn X di chuyển trên hành trình:
Các khoảng cách định vị:
- Nếu bàn X nằm chính giữa bàn Y thì sẽ không có các momen lật Do vậy, trong quá trình tính toán nên để bàn X ở vị trí xa nhất với tâm bàn Y để được trường hợp hệ thống hoạt động khắc nhiệt nhất
- Khi tính cho bàn Y coi bàn X và phôi là một khối duy nhất có khối lượng bằng tổng
- Coi tâm bàn X, Y, dao cắt nằm trên cùng một đường thẳng
- Giả sử phôi làm bằng thép S45C có kích thước: 400x400x547 (mm)
Bảng 2.2 Thông số liên quan
Hình 2.5 Biểu đồ vận tốc
Khoảng cách định vị (mm) Bàn X Bàn Y
Khoảng cách giữa 2 con chạy cùng ray l1 410 270
Khoảng cách giữa 2 con chạy khác ray l2 286 504
Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy theo phương song song với ray dẫn l3
Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy theo phương vuông góc với ray dẫn l4
43.5 539.5 Độ cao từ tâm trục vít me tới mặt bàn máy l5 149 245.5 Độ cao từ tâm trục vít me tới phôi l6 349 538.5
Bảng 2.3 Thông số các định vị
Hình 2.6 Sơ đồ tính toán bàn máy
2.1.2 Tính toán các lực riêng rẽ a) Chuyển động đều, lược hướng kính 𝑷 𝒏
Bảng 2.4 Lực tác dụng khi chuyển động đều b) Chuyển động tăng tốc sang trái, lực 𝑷 𝒏 𝒍𝒂 𝟏
Bảng 2.5 Lực tác dụng khi tăng tốc sang trái
Chuyển động tăng tốc sang trái, lực 𝑃 𝑛 𝑙𝑎 1 Bàn X Bàn Y
Chuyển động đều, lực hướng kính 𝑃 𝑛 (N) Bàn X Bàn Y
26 c) Chuyển động giảm tốc sang trái 𝑷 𝒏 𝒍𝒂 𝟑
Bảng 2.6 Lực tác dụng khi giảm tốc sang trái
Chuyển động giảm tốc sang trái 𝑃 𝑛 𝑙𝑎 3 Bàn X Bàn Y
27 d) Chuyển động tăng tốc sang phải 𝑷 𝒏 𝒓𝒂 𝟏
Bảng 2.7 Lực tác dụng khi tăng tốc sang phải
Chuyển động tăng tốc sang phải 𝑃 𝑛 𝑟𝑎 1 Bàn X Bàn Y
28 e) Chuyển động giảm tốc sang phải 𝑷 𝒏 𝒓𝒂 𝟑
Bảng 2.8 Lực tác dụng khi giảm tốc sang phải
Chuyển động tăng tốc sang phải 𝑃 𝑛 𝑟𝑎 3 Bàn X Bàn Y
2.1.3 Tính toán tải tương đương a) Khi chuyển động đều
Bảng 2.9 Tải trọng tương đương khi chuyển động đều
Khi chuyển động đều Bàn X Bàn Y
Bảng 2.10 Tải trọng tương đương khi tăng tốc sang trái
Tăng tốc sang trái Bàn X Bàn Y
Bảng 2.11 Tải trọng tương đương khi giảm tốc sang trái
Giảm tốc sang trái Bàn X Bàn Y
Bảng 2.12 Tải trọng tương đương khi tăng tốc sang phải
Tăng tốc sang phải Bàn X Bàn Y
Bảng 2.13 Tải trọng tương đương khi giảm tốc sang phải
Giảm tốc sang phải Bàn X Bàn Y
2.1.4 Tính toán hệ số tải tĩnh
Bảng 2.14 Hệ số an toàn tĩnh
Loại máy Điều kiện tải fs (giới hạn thấp nhất)
Máy công nghiệp Tải bình thường 1.0 ~ 1.3
Có va chạm và rung động 2.0 ~ 3.0
Máy công cụ Tải bình thường 1.0 ~ 1.5
Có va chạm và rung động 2.5 ~ 7.0 Đối với máy công cụ hoạt động có va chạm thì hệ số an toàn tĩnh 𝑓𝑠 ≥ 2,5
Vậy tải trọng tĩnh yêu cầu:
2.1.5 Tính toán tải trung bình
Bảng 2.15 Tải trọng trung bình
Tải trọng trung bình Bàn X Bàn Y
Ei a Ei Ei a Ei a Ei Ei a mi s
2.1.6 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa
Tuổi thọ của băng trượt tính theo km
Trong đó n là số chu trình trong 1 phút
Bảng 2.16 Hệ số tải trọng Điều kiện chuyển động Tốc độ làm việc f w
Không rung động và va đập v ≤ 15 m/ph 1,0 ~ 1,2
Rung động và va đập nhẹ 15 < v ≤ 60 m/ph 1,2 ~ 1,5
Rung động và va đập vừa phải 60 < v ≤ 120 m/ph 1,5 ~ 2,0
Rung động và va đập mạnh v > 120 m/ph 2,0 ~ 3,5
Từ yêu cầu về C và C0, chọn được ray dẫn hướng từ catalogue của hãng PMI như sau: Bàn X: MSA 30 LA với C = 47.9 kN và C0 = 77.0 kN
Bàn Y: MSA 45 LA với C = 102.4 kN và C0 = 157.3 kN.
Tính chọn vít me
Hình 2.7 Trục vít me dùng trong máy CNC Bảng 2.17 Thông số ray dẫn hướng
2.2.1 Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi a) Kết cấu chung
Bộ truyền vít me - đai ốc bi thường được dùng trong chuyển động chạy dao của máy công cụ NC, CNC và dùng trong các máy công cụ chính như máy mài, máy doa tốc độ và các loại máy khác Đôi khi còn dùng trong máy tiện, máy tổ hợp, dùng trong truyền dẫn di động xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng Ngoài dẫn ra còn dùng trong bộ truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường, máy chuốt
- Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứng vững chiều trục cao
- Tổn thất do ma sát bé, hiệu suất bộ truyền đạt tới 0,9 so với vít me đai ốc trượt là 0.2 ÷ 0.4
- Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma sát (biến đổi theo tốc độ), ma sát tĩnh rất bé nên chuyển động êm
- Kết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi hình trên bao gồm trục vít me, đai ốc, dòng bi chuyển động trong vít me - đai ốc và ống hồi bi đảm bảo dòng bi tuần hoàn liên tục b) Các dạng profile ren của vít me và đai ốc
Dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung tròn và dạng rãnh (dạng cung nhọn) Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hình thang có khả năng tải thấp, chỉ dùng khi máy có khả năng chịu tải trọng chiều trục bé và độ cứng vững không cao Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất, bán kính rãnh r2 gần bằng bán kính viên bi R1 sẽ giảm tối đa ứng suất tiếp xúc, có thể chọn r2/r1=0,95÷0,97, giá trị r2/r1 sẽ làm tổn thất do ma sát 1 cách rõ rệt Tại góc tiếp xúc bé thì bộ truyền có độ cứng vững bé và khả năng tải bé, lực hướng kính sẽ lớn Do tăng góc tiếp xúc thì khả năng đảo và độ cứng vững truyền động tăng và hạ thấp tổn thất do ma sát vì vậy khe hở đường kính ∆d phải chọn để góc tiếp xúc đạt 45°
Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, nó còn cho phép truyền động không rơ hoặc chọn được độ dôi của đường kính viên bi Còn ở dạng nửa tròn muốn khử độ rơ và tạo độ dôi đều dùng thêm đai ốc thứ hai để điều chỉnh
Hình 2.9 Quy trình chọn trục vít me Hình 2.8 Các dạng profin ren vít me và ổ bi
35 a) Các thông số ban đầu
Bảng 2.18 Các thông số đầu vào
Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT Phay mặt đầu
= 400v/ph Chiều sâu cắt t = 1.2mm Lượng chạy dao
Khối lượng chi tiết Mp0 kg
Trọng lượng bàn gá trục Wx = 1400(N) Wy = 2600(N)
Vùng hoạt động lớn nhất 600mm 400mm
Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công
Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực
Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a = 0.5g = 5 m/s 2
Thời gian hoạt động Lh = 21000(h)
Tốc độ vòng động cơ Nmax = 2000 rpm Độ chính xác vị trí không tải ± 0.030/1000 mm Độ chính xác lặp ±0.005 mm Độ lệch truyền động ±0.02 mm
Hệ số ma sỏt trượt à = 0.1 mm
Các thông số được tính chọn
• Độ lệch vị trí vì nhiệt
1 đầu đỡ chặn – 1 đầu tùy chỉnh: fixed – supported
Với kiểu lắp ghép này, hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép là: m, N=2, f = 15,1 và 𝜆 = 3,927 c) Chiều dài trục vít sơ bộ
Bảng 2.19 Chiều dài trục vít sơ bộ
Chiều dài trục vít L = Chiều dài dịch chuyển + chiều dài con trượt
+ chiều dài ngõng trục + chiều dài vùng thoát Trục X Lx = 600 +131 +200 +20 = 951(mm)
Trục Y Ly = 400 +148 +185 +37 = 770 (mm) d) Bước vít me
Lấy bước vít me L (mm)
Hình 2.10 Sơ đồ lắp ổ đỡ
37 e) Tính khả năng tải động
Khi máy không hoạt động, trọng lực bàn máy do ray dẫn hướng chịu tác dụng, nên có thể bỏ qua lực chống không tải của trục vít
Tính toán lực dọc trục:
Ta có các công thức tính lực dọc trục: o Về phía bên trái
Giảm tốc: F a 4 = mg − ma + f o Về phía bên phải
Fm: lực cắt chính của máy
Fmz: lực cắt theo phương z (thẳng đứng) μ: hệ số ma sát trượt
Hình 2.11 Sơ đồ tải trọng lực phân bố lực dọc trục
38 m: khối lượng tổng cộng đặt lên vít me f : lực chống không tải
Tính toán lực cắt chính Fm
Sử dụng công cụ trên website Coroguide bằng đường link: https://www.sandvik.coromant.com/en-gb/products/toolguide/cutting-speed- calculator
= Với SZ là lượng chạy dao thì
Tính lượng chạy dao mm/răng
=n V = With straight insert cutting edge (Chọn dao cắt là dao thẳng)
Working engagenment( chiều rộng phay ) : 64
Peripheral effective cutting edge count: 6
Hình 2.12 Lực cắt chính của máy
+ Lực cắt chính của máy : Fm = 2397.5(N)
+ Lực cắt theo phương z ( phương thẳng đứng ) : Fmz = 0
+ Hệ số ma sát lăn : 0,1
+ Lực chống không tải : Trục X: fx 00.0,10(N)
Bảng 2.20 Tải trọng dọc trục Điều kiện làm việc Trục X Trục Y
Bảng 2.21 Lực cắt dọc trục lớn nhất
Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công F1max
Lực dọc trục lớn nhất khi gia công F2max
Bảng 2.22 Tỉ lệ thời gian làm việc
Lực dọc trục Tốc độ quay (rpm) Tỷ lệ thời gian (%)
- F1max, F2max: Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công N1max, N2max: 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
(Trong phần tính lực dọc trung bình này ta lấy ở 2 trường hợp khi không gia công và khi gia công Với các tỉ lệ thời gian lần lượt 30% & 70% , ta xét trong giai đoạn ổn định của máy nên Ni là như nhau tại các thời điểm )
Lực dọc trục trung bình:
Tốc độ quay trung bình:
-Tải trọng tĩnh: Co=fs.Famax
C0: tải trọng tĩnh fs: hệ số bền tĩnh, với máy công cụ fs = 1,5 – 3 (chọn fs = 2)
Famax: lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vitme
Lt là tuổi thọ yêu cầu của vít me, Lt = 21000(h)x
Fmx là lực dọc trục trung bình
Bảng 2.23 Hệ số tải trọng
Vít me trục X chọn có Ca ≥ 3389.95 kgf và C0 ≥ 1176 kgf
Vít me trục Y chọn có Ca ≥ 4261.89 kgf và C0 ≥ 1540 kgf f) Bán kính trục vít me
- dr là đường kính vít me
- N là tốc độ quay giới hạn của trục vít me,
- f :hệ số phụ thuộc phương thức lắp đặt vít me, với kiểu fix-supported, có f.1
Dựa vào bảng trên ta chọn vít me bi là:
Chọn series 45-10B3-FSWC cho trục X: Caw60 kgf, C0#550 kgf
Chọn series 45-12B3-FSWC cho trục Y: Ca20 kgf, C0&850 kgf
Bảng 2.24 Thông số vít me
43 Đường kính 45mm, bước vít X 10mm, Y 12mm
Bán kính lõi ren của trục vít-me: dr = 45 +1,4 – 6,35 = 38,05 mm ( tra trên catalog PMI ) h) Kiểm tra sơ bộ:
Series 45-12B1-FSWC cho trục X: Caw60 kgf, C0#550 kgf
Bảng 2.25 Chiều dài trục vít me
Lt > 21000(h) nên vít me được chọn thỏa mãn
Tốc độ quay cho phép:
Chọn độ chính xác dài: Độ chính xác vị trí yêu cầu: ±0.030/1000mm
Chọn cấp chính xác với độ lệch & độ biến dạng tích luỹ là : Độ dịch do thay đổi nhiệt độ:
Chiều dài trục vít Trục X Trục Y
=> Vít me trục X đảm bảo an toàn
Series 45-12B3-FSWC cho trục Y: Ca20 kgf, C0&850 kgf
Lt > 21000(h) nên vít me được chọn thỏa mãn
Tốc độ quay cho phép:
770 2 x10 7 = 9690.6 > 2000(𝑟𝑝𝑚) Chọn độ chính xác dài: Độ chính xác vị trí yêu cầu: ±0.030/1000mm
Chọn cấp chính xác với độ lệch & độ biến dạng tích luỹ là : Độ dịch do thay đổi nhiệt độ:
=> Vít me trục Y đảm bảo an toàn
Tính chọn ổ đỡ
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 phéo trục tùy ý dịch động khi nở nhiệt
Lựa chọn kích thước ổ bi theo khả năng tải động:
Chọn series 45-10B3-FSWC cho trục X: Caw60 kgf, C0#550 kgf
Xét lực dọc trục tác động lên 2 ổ bi đỡ-chặn (ổ A và B):
- Lực hướng tâm do ray dẫn hướng chịu tác dụng, nên bỏ qua: RA= RB= RC= 0 (N) Tải trọng động: 𝑄 = (𝑋 𝑉 𝐹 𝑟 + 𝑌 𝐹 𝑎 ) 𝐾 𝑑 𝐾 𝑡
X: hệ số phân bố tỉ lệ lực hướng tâm
Y: hệ số phân bố tỉ lệ lực hướng trục
Kd : hệ số tải trọng
Kt: hệ số nhiệt độ
Hình 2.13 Sơ đồ lắp ổ bi
Kd = 1 (Chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn: máy cắt kim loại, động cơ công suất nhỏ và trung bình)
Bảng 2.26 Trị số của các hệ số tải trọng X,Y và hệ số thực nghiệm e
Chọn ổ bi theo tiêu chuẩn hãng SKF dựa vào đường kính vít me và khả năng tải động, ta lựa chọn ổ bi cho trục X:
Ta chọn ổ bi đỡ-chặn 7306 BEGAPH có thông số:
- Đường kính ngoài Dr mm
- Tải trọng động Ca = 35.5 kN Đối với gối đỡ bên tùy động: dựa vào đường kính của trục vít me bi trục X ta lựa chọn sơ bộ ổ bi đỡ bên gối đỡ tùy động là ổ bi đỡ 1 dãy dựa theo bảng thông số tiêu chuẩn của hãng SKF trong bảng dưới đây
Hình 2.14 Cấu trúc ổ bi đỡ-chặn
Bảng 2.27 Thông số ổ bi đỡ-chặn
Ta chọn ổ bi đỡ 1 dãy 61906 với thông số:
- Tải trọng động Ca = 7.28 kN
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 phéo trục tùy ý dịch động khi nở nhiệt
Lựa chọn kích thước ổ bi theo khả năng tải động:
Chọn series 45-12B3-FSWC cho trục Y: Ca20 kgf, C0&850 kgf
Xét lực dọc trục tác động lên 2 ổ bi đỡ-chặn (ổ A và B):
- Lực hướng tâm do ray dẫn hướng chịu tác dụng, nên ta bỏ qua:
Hình 2.15 Cấu trúc ổ đỡ Bảng 2.28 Thông số ổ đỡ
X: hệ số phân bố tỉ lệ lực hướng tâm
Y: hệ số phân bố tỉ lệ lực hướng trục
Kd : hệ số tải trọng
Kt: hệ số nhiệt độ
Bảng 2.29 Trị số cá hệ số tải trọng X, Y và hệ số thực nghiệm e
Kd = 1 (Chịu va đập nhẹ, chịu tải ngắn hạn: máy cắt kim loại, động cơ công suất nhỏ và trung bình)
Chọn ổ bi theo tiêu chuẩn hãng SKF dựa vào đường kính vít me và khả năng tải động, ta lựa chọn ổ bi cho trục Y:
Ta chọn ổ bi đỡ-chặn 7308 BEP có thông số:
- Tải trọng động Ca = 46.2 kN Đối với gối đỡ bên tùy động: dựa vào đường kính của trục vít me bi trục Y ta lựa chọn sơ bộ ổ bi đỡ bên gối đỡ tùy động là ổ bi đỡ 1 dãy dựa theo bảng thông số tiêu chuẩn của hãng SKF trong bảng dưới đây
Hình 2.16 Cấu trúc ổ bi đỡ-chặn Bảng 2.30 Thông số ổ bi đỡ-chặn
Ta chọn ổ bi đỡ 1 dãy 61906 với thông số:
- Tải trọng động Ca = 7.28 kN
Chọn động cơ
Bảng 2.32 Thông số đầu vào chọn động cơ
Tốc độ quay lớn nhất n = 2000 rpm
Bước vít me h mm =0.01m h mm
Hệ số ma sỏt trượt à =0.1
Khối lượng dịch chuyển 840 kg 1100 kg
Chiều dài hành trình Ls(X) = 600 mm Ls(Y) @0 mm
Chiều dài trục vít 1100 mm 770 mm Đường kính trục vít 45 mm 45 mm
Lực cắt Fm 2397.5 N i =1 (chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vít me bi không qua hộp giảm tốc)
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang nên α = 0 o
➢ Tính mô men ma sát
➢ Tính mô men thắng trọng lực của kết cấu
Hình 2.18 Sơ đồ máy CNC
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang nên α = 0 o
Nên mô men thắng trọng lực kết cấu bằng 0
➢ Tính tốc độ quay của motor:
Ta cần chọn động cơ có: 𝑛 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 ≥ 𝑛 𝑛𝑜𝑚𝑙
Dưới đây là bảng thông số một số loại động cơ của hãng ANILAM
➔ Chọn động cơ Model AM820A có Momen phát động: 3 N.m;
Bảng 2.33 Thông số một số động cơ hãng ANILAM
Tính mô men ma sát
➢ Tính mô men thắng trọng lực của kết cấu
Vì cơ cấu chấp hành đặt nằm ngang nên α = 0 o
Nên mô men thắng trọng lực kết cấu bằng 0
➢ Tính tốc độ quay của motor:
Ta cần chọn động cơ có:
Dưới đây là bảng thông số một số loại động cơ của hãng ANILAM
➔ Chọn động cơ Model AM820A có Momen phát động: 3 N.m;
Bảng 2.34 Thông số một số động cơ hãng ANILAM
Tổng kết
Bảng 2.35 Tổng kết các thông số đã chọn
STT TÊN SERIES KÍCH THƯỚC
1 Ray dẫn hướng X MSA 30 LA 𝑊 1 = 28mm, 𝐻 1 = 26mm, P= 80mm
2 Ray dẫn hướng Y MSA 45 LA 𝑊 1 = 45mm, 𝐻 1 = 38mm, P= 105mm
3 Ổ bi đỡ-chặn trục X 7306 BEGAPH d= 30mm, D= 72mm, B= 19mm
4 Ổ bi đỡ-chặn trục Y 7308 BEP d= 40mm, D= 90mm, B= 23mm
5 Ổ bi đỡ trục X 61906 d= 30mm, D= 47mm, B= 9mm
6 Ổ bi đỡ trục Y 61906 d= 30mm, D= 47mm, B= 9mm
7 Vít me bi trục X 45-10B3-FSWC D = 45mm, h = 10mm
8 Vít me bi trục Y 45-12B3-FSWC D = 45mm, h = 12mm
9 Động cơ trục X AM820A 𝑀 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 3N.m, 𝑉 𝑚𝑎𝑥 = 3000rpm
10 Động cơ trục Y AM820A 𝑀 𝑠𝑡𝑎𝑟𝑡 = 3N.m, 𝑉 𝑚𝑎𝑥 = 3000rpm
