Đề tài do nhóm nghiên cứu thực hiện có sử dụng các hệ thống thiết bị hiện đại để thực hiện, thiết kế phương án cấp phôi tiên tiến, khá tương đồng với các yêu cầu của các hệ thống sản xuấ
Trang 1UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NCKH TRỌNG ĐIỂM CẤP TRƯỜNG
NĂM HỌC 2022 - 2023
THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG CẤP PHÔI VÀ GIA CÔNG CNC
Mã số: ĐT.TĐ.2023.01
Chủ nhiệm đề tài: TS Vương Gia Hải
Thành viên tham gia: ThS Lê Thị Lan
ThS Đỗ Thị Thu Thủy ThS Đinh Văn Hiển Đơn vị: Khoa Điện - Cơ
Hải Phòng, 03/2024
Trang 2MỤC LỤC
MỤC LỤC 2
DANH MỤC BẢNG BIỂU 7
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8
MỞ ĐẦU 11
1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài 11
1.1.1 Trong nước 11
1.1.2 Ngoài nước 11
1.2 Tính cấp thiết của đề tài 11
1.3 Mục tiêu 12
1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 12
1.4.1 Cách tiếp cận 12
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu 12
1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 12
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu 12
1.5.2 Phạm vi nghiên cứu 12
1.6 Nội dung nghiên cứu 12
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 13
1.1 Giới thiệu máy gia công CNC và hệ thống cấp phôi tự động 13
1.1.1 Giới thiệu chung về máy CNC 13
1.1.2 Giới thiệu về hệ thống cấp phôi tự động 17
1.2 Hướng phát triển của hệ thống cấp phôi tự động và máy gia công CNC 18
1.3 Một số nghiên cứu về hệ thống cấp phôi và gia công CNC 19
1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài 23
1.4.1 Ý nghĩa khoa học 23
1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 23
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI VÀ GIA CÔNG CNC 24
2.1 Thiết kế sơ đồ động hệ thống cấp phôi và gia công CNC 24
2.1.1 Các phương án động học máy 24
Trang 32.1.2 Sơ đồ động học và nguyên lý hoạt động của hệ thống cấp phôi tự động và
gia công CNC 26
2.2 Thiết kế máy gia công CNC 26
2.2.1 Thiết kế động học và động lực học của máy 26
2.2.2 Lựa chọn các cơ cấu truyền động 28
2.2.3 Thiết kế phần cơ khí cho máy phay CNC 46
2.3 Thiết kế hệ thống cấp phôi tự động 59
2.3.1 Tổng quan về hệ thống cấp phôi 59
2.3.2 Thiết kế phần cơ khí 62
2.4 Thiết kế hệ thống điều khiển 69
2.4.1 Phần mềm điều khiển máy phay CNC 69
2.4.2 Sử dụng MasterCam X5 để gia công sản phẩm 75
2.4.3 Phần mềm điều khiển PLC 77
CHƯƠNG 3 CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG 84
3.1 Chế tạo máy gia công CNC 84
3.1.1 Kết cấu máy phay CNC 84
3.1.2 Cụm trục Z 84
3.1.3 Cụm trục X 85
3.1.4 Cụm trục Y 86
3.2 Chế tạo hệ thống cấp phôi tự động 88
3.3 Hướng dẫn vận hành hệ thống cấp phôi và gia công tự động 89
3.3.1 Nạp code vào Mach3 mill 89
3.3.2 Nạp code vào PLC 92
3.3.3 Khởi động hệ thống 94
3.4 Thực nghiệm gia công một số chi tiết trên hệ thống đã chế tạo 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO 97
Trang 4DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1 1 Máy CNC 13
Hình 1 2 Máy phay gỗ 15
Hình 1 3 Máy cắt Plasma 15
Hình 1 4 Máy cắt laser CNC 15
Hình 1 5 Sản phẩm bằng gỗ được gia công bởi máy CNC 16
Hình 1 6 Sản phẩm bằng thép được gia công bởi máy CNC 16
Hình 1 7 Máy CNC 3 trục và 4 trục 17
Hình 1 8 Một số hệ thống cấp phôi tự động [1] 18
Hình 1 9 Mô hình máy phay CNC 5 trục 19
Hình 1 10 Mô hình máy phay CNC 2D 19
Hình 1 11 Một số sản phẩm gia công bởi máy phay CNC 2D 20
Hình 1 12 Mô hình máy phay CNC 4 trục 20
Hình 1 13 Một số sản phẩm gia công bởi máy phay CNC 4 trục 21
Hình 1 14 Mô hình máy phay CNC 3 trục 21
Hình 1 15 Chi tiết gia công thử nghiệm bằng vật liệu nhôm bởi máy phay CNC 3 trục 22
Hình 1 16 Mô hình gia công tự động 22
Hình 1 17 Máy phay có gắn sẵn tay gắp robot 22
Hình 2 1 Phương án 1 24
Hình 2 2 Phương án 2 24
Hình 2 3 Phương án 3 25
Hình 2 4 Phương án thiết kế được lựa chọn 25
Hình 2 5 Sơ đồ động học hệ thống cấp phôi tự động và gia công CNC 26
Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC 4 trục 27
Hình 2 7 Sơ đồ động học máy sử dụng vít me-đai ốc 27
Hình 2 8 Vitme đai ốc bi 28
Hình 2 9 Kết cấu sơ bộ bộ truyền vitme đai ốc bi 29
Hình 2 10 Các dạng profin ren vít me và ổ bi 29
Hình 2 11 Sơ đồ momen lực 31
Hình 2 12 ổ lăn 36
Hình 2 13 Khớp nối mềm 6x8 mm 38
Hình 2 14 Sơ đồ momen lực trục Z 40
Hình 2 15 ổ lăn trục Z 44
Hình 2 16 Sơ đồ lực tác dụng lên ổ lăn 45
Hình 2 17 Khớp nối mềm 6x8 mm 46
Hình 2 18 Mô hình tổng thể máy phay 47
Hình 2 19 Cụm trục chính 48
Hình 2 20 Băng dẫn hướng 49
Hình 2 21 Vít me, đai ốc 50
Hình 2 22 Khung máy CNC 50
Hình 2 23 Mặt phẳng bàn máy 51
Hình 2 24 Sơ đồ lực kẹp khối V 52
Hình 2 25 Bàn máy được lắp ghép với khối V 53
Hình 2 26 Băng dẫn hướng ray trượt và con trượt tròn 53
Hình 2 27 Truyền động dạng trục vít me, đai ốc 53
Hình 2 28 Bản vẽ trục Y và đế máy 54
Trang 5Hình 2 29 Bản vẽ thiết kế 3D trục Y và khung máy 54
Hình 2 30 Bản vẽ mặt trực diện trục X và khung máy 55
Hình 2 31 Ảnh thiết kế 3D trục X 55
Hình 2 32 Bản vẽ truyền chuyển động của trục Z 56
Hình 2 33 Ảnh cơ cấu chuyển động của trục Z gắn trên trục Y 56
Hình 2 34 Hình chiếu cạnh bản vẽ tổng thể của 3 trục X, Y, Z 57
Hình 2 35 Hình chiếu đứng bản vẽ tổng thể của 3 trục X, Y, Z 57
Hình 2 36 Hình chiếu bằng bản vẽ tổng thể của 3 trục X, Y, Z 58
Hình 2 37 Bản vẽ tổng thể của máy phay CNC 58
Hình 2 38 Hệ thống băng tải xích 60
Hình 2 39 Hệ thống băng tải con lăn 61
Hình 2 40 Hệ thống băng tải PVC 61
Hình 2 41 Nhôm định hình 62
Hình 2 42 dây băng tải PVC 62
Hình 2 43 Sơ đồ hệ thống cấp phôi tự động 63
Hình 2 44 Hệ thống băng tải và tay gắp 64
Hình 2 45 Bản vẽ mô hình băng tải vận chuyển phôi 64
Hình 2 46 Mô hình 3D của băng tải 65
Hình 2 47 Tay gắp vận chuyển phôi 66
Hình 2 48 Sơ đồ đấu dây của Van điện từ 67
Hình 2 49 Van điều khiển 5/2 67
Hình 2 50 Mạch cấp khí cho hệ thống xilanh 68
Hình 2 51 Động cơ giảm tốc GB37 3530 68
Hình 2 52 Giao diện chính phần mềm mach3 71
Hình 2 53 Khung chỉnh tốc độ ăn phôi 72
Hình 2 54 Khung chỉnh tốc độ quay dao 72
Hình 2 55 Khung chỉnh tọa độ 72
Hình 2 56 Khung chỉnh các trục về Home 73
Hình 2 57 Khung chỉnh MPG 73
Hình 2 58 Khung chỉnh MPG 74
Hình 2 59 Nút reset 74
Hình 2 60 Cách chọn gốc tọa độ về 0 75
Hình 2 61 Tổng quan giao diện MasterCam 77
Hình 2 62 Thanh lệnh menu bả phần mềm MasterCam 77
Hình 2 63 Sơ đồ PLC 79
Hình 2 64 Mạch kết nối đầu vào PLC 81
Hình 2 65 Sơ đồ cảm biến 82
Hình 2 66 Chương trình của PLC 83
Hình 3 1 Kết cấu máy phay CNC mini 3 trục 84
Hình 3 2 Kết cấu cụm trục Z 85
Hình 3 3 Bản vẽ mặt trực diện trục X và khung máy 85
Hình 3 4 Thiết kế 3D trục X 86
Hình 3 5 Băng dẫn hướng ray trượt và con trượt tròn 86
Hình 3 6 Truyền động dạng trục vít me, đai ốc 87
Hình 3 7 Bản vẽ trục Y và đế máy 87
Hình 3 8 Bản vẽ thiết kế 3D trục Y và khung máy 88
Hình 3 9 Chế tạo trục X, Y, Z 88
Hình 3 10 Hệ thống cấp phôi tự động 89
Trang 6Hình 3 11 Hệ thống cấp phôi tự động và gia công CNC hoàn thiện 89
Hình 3 12 Giao diện phần mềm Mach3 89
Hình 3 13 Chọn máy 3 trục 90
Hình 3 14 Chọn chế độ gia công 90
Hình 3 15 Xuất code vào chương trình Mach3 91
Hình 3 16 Chọn code để chuẩn bị nạp vào chương trình 91
Hình 3 17 Xuất code vào chương trình gia công 91
Hình 3 18 Mở file Code đã chuẩn bị trước 92
Hình 3 19 Mở file đã chọn 92
Hình 3 20 Chọn chân kết nối 92
Hình 3 21 Chọn serial USB 93
Hình 3 22 Chuẩn bị nạp chương trình 93
Hình 3 23 Đẩy chương trình vào PLC 93
Hình 3 24 Nút ấn khởi động và tạm dừng băng tải 94
Hình 3 25 Nút nhất E-Stop 94
Hình 3 26 Nút khởi động và tạm dừng hệ thống máy phay 94
Trang 7DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2 1 Bảng tính lượng an dao 31
Bảng 2 2 Bảng lực dọc trục phần trăm tương ứng 32
Bảng 2 3 Bảng thông số ổ lăn 37
Bảng 2 4 Bảng xác định Xo và Yo 37
Bảng 2 5 bảng tính cutting data module 39
Bảng 2 6 Bảng lực dọc trục phần trăm tương ứng 40
Bảng 2 7 Thông số kích thước, bảng chọn con trượt và trục vitme 43
Bảng 2 8 Bảng thông số ổ lăn 45
Bảng 2 9 Bảng xác định Xo, Yo 46
Bảng 2 10 Khai báo các chân đầu vào đầu ra trong PLC 81
Bảng 3 1 Kết quả so sánh giữa mẫu thiết kế và mẫu gia công thực nghiệm trên hệ thống cấp phôi và gia công tự động 95
Trang 8DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Trang 9UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
ĐỀ TÀI NCKH TRỌNG ĐIỂM CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2022 - 2023
1 Thông tin chung:
Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo hệ thống cấp phôi và gia công CNC
Mã số: ĐT.TĐ.2023.01
Chủ nhiệm: TS Vương Gia Hải
Thành viên: ThS Lê Thị Lan
ThS Đỗ Thị Thu Thủy ThS Đinh Văn Hiển
Cơ quan chủ trì: Bộ môn Cơ khí, khoa Điện-Cơ, trường Đại học Hải Phòng
Thời gian thực hiện: 01/2023 đến 01/2024
2 Mục tiêu:
Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống cấp phôi và gia công CNC, thực hiện gia
công một số chi tiết trên hệ thống đã chế tạo Tiến tới chuyển giao công nghệ cho cơ
sở sản xuất thực tế
Sử dụng hệ thống đã thiết kế, chế tạo vào giảng dạy một số học phần thuộc
chuyên ngành kỹ thuật cơ khí và điều khiển tự động
3 Tính mới và sáng tạo:
Hiện nay việc sử dụng riêng các máy gia công CNC hoặc hệ thống câp phôi đã
và đang được nhiều doanh nghiệp trên thế giới cũng như ở Việt Nam áp dụng Tuy
nhiên một hệ thống tích hợp vừa cấp phôi và gia công tự động thì vẫn còn mới đối với
Việt Nam nói chung và Hải Phòng nói riêng, đặc biệt là tính bảo mật về công nghệ
Giá thành khi nhập khẩu mua mới khá cao, khi cần sửa chữa, bảo hành thì cần chi phí
lớn Đề tài do nhóm nghiên cứu thực hiện có sử dụng các hệ thống thiết bị hiện đại để
thực hiện, thiết kế phương án cấp phôi tiên tiến, khá tương đồng với các yêu cầu của
các hệ thống sản xuất thực tế như các cảm biến, công tắc hành trình, cánh tay robot,
PLC, băng tải, máy gia công CNC Toàn bộ các thiết bị của hệ thống được liên kết với
nhau hoạt động nhịp nhàng thực hiện hoàn toàn tự động từ việc cấp phôi, gia công
CNC theo ý đồ thiết kế
Mặt khác trong các trường đại học kỹ thuật nói chung và ngành Cơ khí đại học
Hải Phòng nói riêng vẫn còn đang khá thiếu về cơ sở vật chất hỗ trợ cho đào tạo, do đó
khi đề tài thực hiện thành công sẽ góp một phần làm phong phú kho học liệu cho giảng
viên và sinh viên của trường
4 Kết quả nghiên cứu:
Trang 10Kết quả nghiên cứu bao gồm thuyết minh, bản vẽ thiết kế và hệ thống cấp phôi
và gia công CNC Hệ thống hoạt động tốt có thể ứng dụng trong sản xuất hoặc dùng làm học liệu cho quá trình giảng dạy, đào tạo chuyên ngành cơ khí chế tạo máy, Cơ điện tử tại trường Đại học Hải Phòng
5 Công bố sản phẩm khoa học từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí
năm xuất bản và minh chứng kèm theo nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp
dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
- Viết 01 bài báo khoa học (Scopus Q4):
1 A Study on Integrated Flexible Manufacturing Systems Lecture Note Mechanical Engineering, Springer 2023 https://doi.org/10.1007/978-3-031-31824-5_61
6 Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết quả nghiên cứu và khả năng áp dụng:
Kết quả của đề tài bao gồm thuyết minh, bản vẽ thiết kế đề tài, hệ thống thực nghiệm sẽ được chuyển giao cho bộ môn Cơ khí, khoa Điện- Cơ, trường Đại học Hải Phòng Hỗ trợ giảng viên, sinh viên trong dạy và học tập ngành công nghệ chế tạo máy
và Cơ điện tử trong khoa Điện Cơ, trường ĐH Hải Phòng hoặc có thể sử dụng tại trung tâm nghiên cứu, thí nghiệm và các đơn vị sản xuất chi tiết cỡ nhỏ
Hải Phòng, ngày 18 tháng 01 năm 2024
Chủ nhiệm đề tài
(Ký và ghi rõ họ tên)
TS Vương Gia Hải
Trang 11MỞ ĐẦU 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài
1.1.1 Trong nước
Trong những năm gần đây cũng đã có một số nhà khoa học có thực hiện một số nghiên cứu về hệ thống cấp phôi và máy gia công CNC Nhưng các nghiên cứu này chủ yếu thực hiện tách rời hoặc riêng máy gia công CNC hoặc chỉ hệ thống cấp phôi là chủ yếu, việc nghiên cứu kết hợp hệ thống cấp phôi và gia công tự động chưa nhiều và chưa thực sự bài bản Việc kiểm soát hoàn toàn công nghệ vẫn là một bài toán được các nhà khoa học và doanh nghiệp hướng tới để chủ động trong nghiên cứu và sản xuất
1.1.2 Ngoài nước
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ hiện nay, gia công tự động
đã và đang được ứng dụng ngày càng rộng rãi và dần khẳng định vị thế của nó trong gia công Các loại máy CNC từ 3 trục đến 5 trục và các Trung tâm gia công đã được
sử dụng phổ biến trong sản xuất Việc nghiên cứu phát triển các loại máy CNC, các Trung tâm gia công hiện nay nhằm vào tối ưu hệ điều hành điều khiển máy Các máy được lập trình ngày càng tinh vi, có thể thực hiện chức năng chuyên biệt gia công các
bề mặt phức tạp chỉ với một lần gá đặt Các trung tâm gia công có sự trợ giúp của các
cơ cấu thay dao tự động, cấp phôi tự động, cánh tay robot công nghiệp, có thể được tích hợp vào hệ thống sản xuất linh hoạt trong các nhà máy lớn Tuy nhiên giá thành của các máy và hệ thông khá cao, sự bảo mật về công nghệ lớn do đó việc kiểm soát hoàn toàn công nghệ vẫn đang được các nhà khoa học trong nước nghiên cứu
1.2 Tính cấp thiết của đề tài
Tự động hóa trong gia công cơ khí đã và đang là xu thế phát triển hiện nay Các công ty gia công cơ khí đã dần chuyển đổi từ gia công truyền thống sang gia công bán
tự động và tự động, hiệu quả ứng dụng tự động hóa trong gia công đã được minh chứng rất rõ trong các hoạt động sản xuất thực tế Trong quá trình gia công việc cấp phôi cho các máy gia công mất khá nhiều thời gian, ảnh hưởng tới năng xuất quá trình gia công, do đó việc kết hợp được quá trình cấp phôi tự động và gia công trên máy CNC là một giải pháp giúp giảm thời gian gia công, tăng năng xuất
Mặt khác, trước sự thay đổi trong chương trình đào tạo của ngành Cơ khí chế tạo máy và Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử cần có những thiết bị hỗ trợ và phục vụ giảng dạy, nên khi đề tài thực hiện thành công sẽ tạo ra một bộ học liệu cho giảng viên và sinh viên có thể nghiên cứu, ứng dụng trong giảng dạy và học tập nói chung và học
phần Máy tự động và robot nói riêng
Vì vậy, đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ thống cấp phôi và gia công CNC” là một
đề tài mang tính thời sự, cấp thiết và tính ứng dụng cao tại trường Đại học Hải Phòng hiện nay
Trang 121.3 Mục tiêu
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống cấp phôi và gia công CNC
- Sử dụng kết quả nghiên cứu vào giảng dạy một số học phần thuộc chuyên
ngành kỹ thuật cơ khí và Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử tại trường Đại học Hải Phòng 1.4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
1.4.1 Cách tiếp cận
Từ các cơ sở lý thuyết và các công trình khoa học đã công bố làm cơ sở để thiết kế các thực nghiệm phù hợp với mục tiêu nghiên cứu của đề tài
1.4.2 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài đã sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm
- Phương pháp lý thuyết: Nghiên cứu các công trình đã công bố trong và ngoài nước, từ đó xây dựng cơ sở lý thuyết cho việc lựa chọn phương án và thiết kế hệ thống cấp phôi và gia công CNC
- Phương pháp thực nghiệm: Dựa trên phương án thiết kế đã xây dựng tiến hành chế tạo hệ thống cấp phôi và gia công CNC, sau đó vận hành thử nghiệm để kiểm tra
sự phù hợp giữa thiết kế và chế tạo
1.5 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
1.5.1 Đối tượng nghiên cứu
+ Robot gắp phôi: Tải trọng nâng: 10kg, hành trình trục y và z tương ứng 150mm và 55mm
- Máy gia công CNC 3 trục, có hành trình các trục X Y Z tương ứng: 400x337x168 (mm) Công suất trục chính 0,4 kw
1.6 Nội dung nghiên cứu
Trong đề tài nhóm tác giả đã thực hiện các nội dung chính sau:
Chương 1 Tổng quan
Chương 2 Thiết kế và chế tạo hệ thống cấp phôi và gia công CNC
Chương 3 Chế tạo thực nghiệm và hướng dẫn sử dụng
Trang 13CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu máy gia công CNC và hệ thống cấp phôi tự động
1.1.1 Giới thiệu chung về máy CNC
1.1.1.1 Khái niệm, cấu tạo, phân loại, đặc điểm máy CNC
a Khái niệm
Máy CNC là một dạng máy công nghiệp Hoạt động theo nguyên lý điều khiển
tự động có sự trợ giúp của máy tính, trong đó các bộ phận tự động được lập trình để hoạt động theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ được xác định trước để có thể tạo
ra mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu
Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thời gian phụ do mức
độ tự động được nâng cao Tùy theo mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể thay dao tự động, hiệu chỉnh sai số, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết Khả năng thay đổi dạng sản phẩm chế tạo khi dùng máy CNC nhanh vì chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc máy hoặc thêm các đồ gá chuyên dùng
Hình 1 1 Máy CNC Chương trình được viết sẵn bởi ngôn ngữ lập trình mà bộ điều khiển của máy
có thể hiểu để thực hiện điều khiển các cơ cấu chấp hành (dụng cụ, bàn máy…) khi còn người vận hành Máy tính giúp cho chuyển lệnh từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí
+ Ưu điểm cơ bản của máy CNC:
- So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC không phụ thuộc nhiều vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vào nội dung, chương trình được đưa vào máy Người điều khiển chủ yếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy
- Độ chính xác làm việc cao
- Tốc độ cắt cao
Trang 14- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời quan chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công hàng loạt các sản phẩm nhỏ
- Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ
- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm
- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ
- Có thể gia công hàng loạt
+ Nhược điểm:
- Giá thành chế tạo máy cao hơn
- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn
- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn
b Cấu tạo
- Gồm hai phần chính:
+ Phần dùng để chứa phôi và cấp phôi Phôi có thể được cấp tự động hoặc do người công nhận gá vào bàn máy
+ Phần thân: Có công dụng để đỡ các bộ phận của máy CNC
Ngoài ra máy còn có nhiều bộ phận phụ trợ khác đảm bảo hoạt động của máy
- Nắp đậy: Khi làm việc, dầu cắt phun vào nơi tiếp xúc giữa phôi và dụng cụ Nên phải đảm bảo nắp đậy trước khi xả dầu cắt
- Ống phun dầu: phun dầu cắt vào nơi tiếp xúc giữa phôi và lưỡi dao để quá trình gia công có thể diễn ra Dầu cắt có 2 tác dụng: Giảm độ mài mòn của lưỡi dao
và làm mát
- Các ụ dao: dùng để chứa các dao Máy CNC cắt phôi bằng các lưỡi dao Các lưỡi dao này phải có bộ phận để giữ nó những bộ phần này gọi là holder
- Ống đỡ phôi: Giữ phôi thông qua hệ thống kẹp
- Bàn phím nhập dữ liệu: Nơi nhập các câu lệnh dưới dạng mã G và mã M
- Bảng điều khiển: Gồm các nút bấm để điều khiển máy
- Băng truyền: khi băng truyền hoạt động sẽ gom các mảnh phoi (những mảnh dụng rơi ra khi dao gia công trên thanh phôi) rơi xuống và vận chuyển ra ngoài
Trang 15Hình 1 2 Máy phay gỗ Hình 1 3 Máy cắt Plasma
Hình 1 4 Máy cắt laser CNC
d Đặc điểm
- Tính năng tự động cao
Máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức
độ tự động được nâng cao vượt bậc Tuỳ từng mức độ tự động, máy CNC có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt
- Tính năng linh hoạt cao
Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lơi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ
Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương trình Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chương trình của chi tiết đó
Máy CNC gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị vi tính, vi xử lý …
- Tính năng tập trung nguyên công
Trang 16Đa số các máy CNC có thể thực hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau
mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết Từ khả năng tập trung các nguyên công, các máy CNC đã được phát triển thành các trung tâm gia công CNC
- Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao
Giảm được hư hỏng do sai sót của con người Đồng thời cũng giảm được cường
độ chú ý của con người khi làm việc Có khả năng gia công chính xác hàng loạt Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm
ưu việt tuyệt đối của máy CNC Máy CNC với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia công được những chi tiết chính xác cả về hình dáng đến kích thước Những đặc điểm này thuận tiện cho việclắp lẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất
- Gia công biên dạng phức tạp
Máy CNC có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có hình dáng phức tạp như các bề mặt 3 chiều
1.1.1.2 Các sản phẩn từ CNC
- Từ các ứng dụng của máy CNC rất rộng nên sản phẩm từ CNC cũng rất đa dạng, ví dụ như đồ nội thất, các chi tiết gia công cơ khí, tranh đá, chữ điêu khắc nghệ thuật
- Các sản phẩm đồ gỗ từ máy CNC
Hình 1 5 Sản phẩm bằng gỗ được gia công bởi máy CNC
- Các sản phẩm từ các vật liệu thép, nhôm và các loại vật liệu khác
Hình 1 6 Sản phẩm bằng thép được gia công bởi máy CNC [1]
1.1.1.3 Giới thiệu về máy CNC mini
Trang 17Máy CNC mini là dòng máy CNC cỡ nhỏ Chuyên dùng khắc những vật kích thước nhỏ như đồ trang sức Máy làm việc tốt trên rất nhiều vật liệu như gỗ, mica, nhựa, mạch in Máy phay CNC mini có thể được chia làm 2 loại là máy phay và máy tiện CNC mini
Hình 1 7 Máy CNC 3 trục và 4 trục Các máy đặc biệt hữu ích cho mục đích giáo dục và nghiên cứu, và nó rất dễ tích hợp với các hệ thống sản xuất khác Nó cũng có thể được sử dụng để giới thiệu về CNC của các hệ thống CAM mà không có quá nhiều phức tạp hiện diện trong thương mại hệ thống Một số loại máy CNC mini trình bày trong Hình 1 7
1.1.2 Giới thiệu về hệ thống cấp phôi tự động
Hiện nay, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, nhu cầu xã hội đi lên, các quá trình sản xuất, lắp ráp, kiểm tra kỹ thuật v.v dần chuyển đôi sang hướng áp dụng tự động hóa Để sản xuất luôn đạt được sự ổn định thì hệ thống cấp phôi tự động cần phải chính xác về cả thời gian và không gian, liên tục hoạt động đúng chu kỳ Hệ thống cấp phôi tự động cho máy CNC, máy ép, máy dập, máy phay, máy mài, máy chuốt, các máy gia công kim loại …., Hệ thống Loading & Unloading cho các máy gia công trong cùng một dây chuyền sản xuất Tạo nên dây chuyền sản xuất tự động từ vật liệu đầu vào là phôi thô đến sản phẩm hoàn thiện ở đầu ra Đây là một trong những giải pháp máy tự động ngành cơ khí quan trọng hiện nay giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, đạt năng suất cao trong hoạt động sản xuất và sử dụng hiệu quả máy móc, tránh lãng phí
Cấp phôi là quy trình chuyển phôi từ ổ chứa sang máng dẫn phôi, hoặc chuyển phôi từ các bộ phận khác đến vị trí cần gia công Sử dụng cấp phôi tự động sẽ giúp người sản xuất tiến một bước từ lao động thủ công sang tự động hóa dây chuyền sản xuất Do vậy, hệ thống cấp phôi có ý nghĩa vô cùng to lớn
Hệ thống cấp phôi tự động sẽ làm cho máy bán tự động nâng cấp thành máy tự động hoàn toàn Dây chuyền sản xuất trong nhà xưởng công nghiệp cũng từ đó mà trở thành chuỗi dây chuyền tự động, giúp cho quá trình sản xuất hoạt động hiệu quả hơn
Sử dụng máy cấp phôi tự động sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao vượt bậc trong sản xuất bởi các khó khăn như tổn thất thời gian, thiếu chính xác trong gia công,… sẽ được khắc phục Người sản xuất cũng không cần mất thời gian cho công tác gá đặt
Trang 18phôi và tháo công cụ sau khi hoàn thành gia công Năng suất gia công ổn định và được tính toán rõ ràng từ trước bởi chu kỳ cấp phôi của hệ thống luôn được đảm bảo, hoàn toàn không gặp phải các chướng ngại của ngoại cảnh như tình trạng tâm sinh lý, sức khỏe hay thái độ và cường độ lao động của công nhân
Việc trang bị hệ thống cấp phôi tự động giúp tăng năng xuất lao động vào ổn đinh được nhịp độ sản xuất trong các nhà máy Những công việc nhàm chán lặp đi lặp lại giờ đây đã thay thế bằng phương tiện tự động Hệ thống cấp phôi sẽ thay thế con người làm những công việc đòi hỏi nhiều sức lực như vận chuyển, gá đặt các loại phôi
có trọng lượng lớn; các hoạt động có tính nguy hiểm cao như làm việc với phôi có góc nhọn sắc như bavia, rìa mép của phôi,… Công nhân sẽ không còn quá mỏi mệt bởi quá trình phân loại, tìm, định hướng do nhiều chi tiết có hình dạng giống nhau nên rất khó
có thể định hướng bằng mắt thường
Hình 1 8 Một số hệ thống cấp phôi tự động [2]
1.2 Hướng phát triển của hệ thống cấp phôi tự động và máy gia công CNC
Hiện nay các hệ thống gia công hiện đại tổ hợp cả việc cấp phôi và gia công đã
và đang được nhiều nước trên thế giới phát triển và ứng dụng đem lại hiệu quả kinh tế
và khoa học khá lớn Do đó việc phát triển hệ thống cấp phôi và gia công tự động tại Việt Nam là một xu thế tất yếu, tuy nhiên hiện nay đa phần các hệ thống và máy được nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành khá cao Với những ưu điểm của hệ thống đã được thực tế chứng minh, xu thế phát triển việc cấp phôi tự động cho các quá trình sản xuất khác cũng đã và đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới
Trong các trường đại học kỹ thuật nói chung và Đại học Hải Phòng nói riêng số lượng trang thiết bị được đầu tư chưa nhiều, chưa hoàn toàn đủ để phục vụ cho việc giảng dạy và học tập của giảng viên và sinh viên Do đó khi đề tài thành công sẽ giúp cho sinh viên có những cơ hội tiếp cận những kiến thức thực tế, gần với thực tế sản xuất tại các doanh nghiệp
Trang 191.3 Một số nghiên cứu về hệ thống cấp phôi và gia công CNC
Một số công trình khoa học đã được công bố như:
Đề tài KC.05.28/01-05 về “Nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC 5 trục” của TS Hoàng Vĩnh Sinh - Viện Cơ khí – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã được Công ty Rorze Robotech của Nhật đặt chế tạo với giá 140.000 USD Đây là loại máy phay cớ lớn dùng trong sản xuất công nghiệp Để gia công các sản phẩm
cơ khí có yêu cầu chất lượng cao
Hình 1 9 Mô hình máy phay CNC 5 trục Bài báo “Thiết kế, chế tạo mô hình máy phay CNC 2D”, tác giả Phạm Đăng Phước - Trường Đại học Phạm Văn Đồng đăng trên Tạp chí khoa học và công nghệ, đại học Đà Nẵng năm 2010 Máy được thiết kế với kiểu điều khiển 2D; với điều khiển 2D, hai trục X, Y có thể được điều khiển đồng thời (Trục Z chuyển động độc lập)
Hình 1 10 Mô hình máy phay CNC 2D Các bộ phận chính như Hình 1 10 gồm:
1, 2: Các động cơ DC servo dẫn động trục X, Y
3, 4: Các bộ truyền vít me – đai ốc bi; 5: Động cơ AC dẫn động trục chính 6: Động cơ DC nâng hạ trục chính ; 7: Bàn máy
Trang 20Máy được thiết kế theo hướng ứng dụng công nghệ CAD/CAM,
sử dụng phần mềm KCAM, lập trình tự động để gia công các biên dạng được vẽ trên máy tính Phần mềm này chạy trên môi trường Window, là phần mềm trực quan, giúp người lập trình rất nhiều trong quá trình khai báo kết nối máy tính, soạn thảo chương trình (lập trình thủ công) cũng như lập trình tự động Từ bản vẽ trên máy tính (sử dụng CAD: vẽ và thiết kế trên máy tính) phần mềm có một hệ thống biên dịch trợ giúp cho quá trình lập trình để xác định một chương trình gia công thích hợp dưới dạng mô tả cả quá trình, biên dịch các tác vụ di chuyển dụng cụ và các chế độ công nghệ tương ứng
Hình 1 11 Một số sản phẩm gia công bởi máy phay CNC 2D
Bài báo “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy phay CNC 4 trục sử dụng chương trình Mach3 ứng dụng trong gia công nhôm và kim loại màu” của nhóm tác giả trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đăng trên Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí – Lần thứ IV năm 2015
Hình 1 12 Mô hình máy phay CNC 4 trục [3]
Máy phay CNC 4 trục Gia công các chi tiết cơ khí, đồ trang trí, nữ trang bằng nhôm, gỗ và kim loại màu Độ chính xác gia công đạt 0,02 mm Máy được điều khiển bởi phần mềm Mach3, với các đặc tính cơ bản sau:
- Giao tiếp với phần cứng máy CNC thông qua cổng LPT, cho phép biến một
PC thành một bộ điều khiển máy CNC thời gian thực
- Bộ điều khiển Mach3 hoàn toàn tương thích với máy phay CNC
- Giao diện đẹp, dễ dàng tùy biến theo ý thích của người sử dụng
Trang 21- Nhận file G-code, M -Code tiêu chuẩn từ các phần mềm CAM
- Mô phỏng quá trình làm việc rất rõ ràng, khai báo các thông số của hệ thống dễ dàng
- Cho phép đọc các file có định dạng dxf, bmp, jpg, và các file hpgl qua LazyCam kèm theo Mach3
- Cho phép set vị trí Home của phôi thông qua các phím của bàn phím máy tính
- Chức năng nội suy tọa độ, giải mã xuất tín hiệu xuống driver các trục
Hình 1 13 Một số sản phẩm gia công bởi máy phay CNC 4 trục
Bài báo “Thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC 3 trục”, nhóm tác giả Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam đăng trên Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam năm 2018
Mô hình máy được ứng dụng chủ yếu để phục vụ trong công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học
Hình 1 14 Mô hình máy phay CNC 3 trục [4]
Khi sử dụng mô hình này có thể gia công chế tạo được nhiều dạng chi tiết nhờ vào việc sử dụng phần mềm Mach 3 trên máy tính để điều khiển và mô phỏng
Sử dụng phần mềm kỹ thuật đưa ra được các bản vẽ thiết kế chi tiết máy và
mô hình tổng thể của máy, sau đó tiến hành chế tạo các chi tiết và lắp ráp chúng lại thành mô hình máy hoàn chỉnh
Trang 22Hình 1 15 Chi tiết gia công thử nghiệm bằng vật liệu nhôm bởi máy phay CNC 3 trục
Bài báo “Nghiên cứu chế tạo mô hình cấp phôi và gia công tự động điều khiển bằng PLC” của nhóm tác giả khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Mô hình máy được ứng dụng chủ yếu để phục vụ trong công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học
Hình 1 16 Mô hình gia công tự động
* Phương pháp sử dụng máy phay có gắn sẵn tay gắp robot
Hình 1 17 Máy phay có gắn sẵn tay gắp robot
Trang 231.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Dùng làm tài liệu tham khảo cho các sinh viên ngành kỹ thuật trường Đại học Hải Phòng khi học tập, nghiên cứu về hệ thống cấp phôi và gia công tự động
Trang 24CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP PHÔI VÀ GIA CÔNG CNC 2.1 Thiết kế sơ đồ động hệ thống cấp phôi và gia công CNC
2.1.1 Các phương án động học máy
* Phương án 1: Sử dụng cánh tay robot lắp cố định tại chỗ
Hình 2 1 Phương án 1
- Ưu điểm:
+ Cánh tay robot có thể thay thế đồ gá trong nhiều trường hợp
+ Phù hợp với nhiều hệ thống khác nhau
+ Tính linh hoạt cao
+ Có sự linh hoạt cao
+ Có thể cấp phôi cho nhiều máy
Trang 25- Nhược điểm:
+ Không thể cấp phôi cho nhiều máy cùng lúc
+ Chi phí sản xuất cao
+ Độ chính xác không quá cao
Hình 2 4 Phương án thiết kế được lựa chọn Căn cứ vào những phân tích về ưu nhược điểm của các phương án trình bày phía trên và tình hình cơ sở vật chất hiện tại, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương án thứ 3
để thiết kế cho hệ thống Phương án 3 được trình bày cụ thể hơn trong Hình 2 4
Trang 262.1.2 Sơ đồ động học và nguyên lý hoạt động của hệ thống cấp phôi tự động và gia công CNC
Trên Hình 2 5 trình bày sơ đồ hệ thống cấp phôi tự động và gia công CNC tích hợp
Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Phôi được vận chuyển trên băng tải khi gặp cảm biến phát hiện vật, cánh tay robot sẽ gắp phôi từ băng tải đưa vào bàn máy trên máy phay CNC Khi phôi được đặt trên bàn máy, hệ thống kẹp phôi sẽ tự động kẹp chặt và sau đó quá trình gia công được diễn ra Sau khi gia công xong, robot sẽ lấy sản phẩm từ máy phay CNC đặt lên băng tải, băng tải sẽ nhận lệnh vận chuyển sản phẩm
về thùng chứa và đưa phôi tiếp theo vào gia công
Hình 2 5 Sơ đồ động học hệ thống cấp phôi tự động và gia công CNC
2.2 Thiết kế máy gia công CNC
2.2.1 Thiết kế động học và động lực học của máy
2.2.1.1 Nguyên lý máy phay CNC 3 trục
Phay là một nguyên công gia công cắt gọt bằng lưỡi cắt xác định Trong đó chuyển động chính là chuyển động quay tròn của dao phay và chuyển động chạy dao thường được thực hiện bởi phôi
Máy phay CNC 3 trục có cấu tạo gồm 1 trục chính có tốc độ quay cao có gắn đầu cắt như mũi dao phay, khoan, khoét để cắt sản phẩm Khi làm việc trục chính sẽ quay và tịnh tiến theo trục Z Khi gia công biên dạng trên bề mặt phẳng, phôi sẽ được
gá cố định trên bàn máy và tịnh tiến theo trục X, Y
Trang 27Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý máy phay CNC 3 trục
2.2.1.2 Phương án động học của máy
Để thiết kế phương án động học của máy ta có thể sử dụng nhiều phương án động học khác nhau như sử dụng bộ truyền đai, thủy lực, vít me-đai ốc Sau khi phân tích điều kiện thực tế và yêu cầu của đề tài, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương án động học vít me - đai ốc, phương án của máy thiết kế được trình bày trong Hình 2 7
Hình 2 7 Sơ đồ động học máy sử dụng vít me-đai ốc
- Ưu điểm của bộ truyền vít – đai ốc:
+ Bộ truyền vít đai ốc có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành không cao
có kích thước nhỏ gọn, tiện sử dụng
+ Bộ truyền có khả năng tải cao, làm việc tin cậy Không gây tiếng ồn + Có tỷ số truyền rất lớn tạo ra được lực dọc trục lớn, trong khi chỉ cần đặt lực nhỏ vào tay quay
+ Có thể thực hiện được di chuyển chậm, có độ chính xác cao
- Nhược điểm của bộ truyền vít – đai ốc:
+ Hiệu suất của bộ truyền rất thấp
+ Ren bị mòn nhanh, tuổi bền không cao, nhất là khi phải làm việc với tốc
độ lớn
Trang 282.2.1.3 Nguyên lý hoạt động máy thiết kế
Máy CNC 3 trục có cấu tạo gồm 1 bàn gá sản phẩm, một cụm kẹp phôi tự động,
1 trục chính(spindle) quay ở tốc độ cao gắn các loại dao cụ để thực hiện gia công và các trục X,Y,Z Khi cấp điện cho các động cơ gắn vào các trục và thông qua bộ truyền vitme, trục X, Y, Z sẽ di chuyển tạo ra chuyển động tạo hình khi gia công Khi động
cơ gắn trên trục Z được khởi động sẽ kéo theo sự dịch chuyển lên xuống của động cơ trục chính( spindle) gắn dao cụ gia công khiến tạo ra chiều sâu cắt nhất định
- Chuyển động của các trục X, Y, Z được điều khiển bởi động cơ được cung cấp bởi dòng điện xoay chiều hoặc dòng điện 1 chiều
- Tốc độ dịch chuyển của máy được thực hiện bởi đưa ra các lệnh
- Tất cả hoạt động của máy được thực hiện bằng các mã CNC code như dịch chuyển các trục về 1 vị trí xác định, vận tốc cắt, chiều sâu cắt, đóng mở trục chính
- Đối với mỗi mã đều được hoạt động riêng biệt
- Hệ thống cảnh báo có sẵn để bảo vệ các hoạt động và các thành phần khác nhau
2.2.2 Lựa chọn các cơ cấu truyền động
Các thiết bị dẫn động có một vai trò quan trọng trong máy CNC, là nhân tố chính đảm bảo sự vận hành và gia công chính xác của máy Việc tính toán lựa chọn các thiết bị dẫn động là một công việc bắt buộc và phức tạp với nhiều công thức cần thiết lập Vì vậy, để thuận tiện cho việc lựa chọn thiết bị dẫn động, trong phần này chúng ta tiến hành tính toán và lựa chọn các thiết bị dẫn động
- Nội dung phần này gồm có:
+ Tính chọn vít me
+ Tính chọn block, thanh ray dẫn hướng
Các tính toán được thực hiện theo catalog của hãng PMI
Trang 29ra còn dùng trong bộ truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường, máy chuốt
Hình 2 9 Kết cấu sơ bộ bộ truyền vitme đai ốc bi
b Các dạng biên dạng ren của vitme 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° ∆d = 4.(r2 − r1 ).(1 − cos α )
Hình 2 10 Các dạng profin ren vít me và ổ bi
Trang 30Dạng 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
2.2.2.2 Tính toán lựa chọn cụm trục vitme bi trục Y
a Các thông số đầu vào
- Loại máy CNC: Phay
- Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT :
+ Phay
+ Dao có 4 lưỡi (z=4), đường kính D= 4mm
+ Tiêu chuẩn quốc gia: JIS
+ Vật liệu SUS440C
+ Vận tốc : v= 5mm/ph
+ Chiều sâu cắt : t= 0,15mm
+ Lượng chạy dao phút : F=50mm/ph
- Khối lượng lớn nhất của chi tiết: M=100g = 0.1KG
=> W = 0.1kgf = 1N
- Trọng lượng bàn gá trục Y : Wy=15N
- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1=1800v/ph
- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công: V2 = 1200v/ph
- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a=0,5g=5m/s2
- Tính toán và chọn thông số đầu vào để điền vào công cụ :
+ Feed per cutting edge (Fz)
+ Lượng chạy dao răng
- Tốc độ quay của động cơ quay dao:
Trang 31- (Theo công thức trong cuốn Sổ tay CN-CTM tập 2-trang 26 )
+ Sau khi tính toán, lựa chọn kết hợp với các thông số đề cho ta điền vào bảng của công cụ ta được kết quả như trong hình :
Bảng 2 1 Bảng tính lượng an dao
d Tính toán lựa chọn trục vít, ổ lăn cho bàn máy di chuyển theo trục Y
* Điều kiện làm việc
Trang 32+ Lực cắt theo phương z ( phương thẳng đứng ) : Fmz = 0
Fa2 = μ.mg + f = 0,1.1,6.10 + 1,6 = 3,2N + Gia công (về phía trước):
Fa3 = Fm + μ(mg + Fmz) + f = 76 + 0,1.(1,6.10 +76) + 1,6 = 86,8N + Giảm tốc (về phía trước):
Fa4 = μ(mg + Fmz )- ma + f = 0,1.(1,6.10 + 76) – 1,6.5 + 1,6 = 2,8N + Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công: F1max= 11,2N
+ Lực dọc trục lớn nhất khi gia công: F2max= 86,8N
=> Lực dọc trục trung bình:
Trong đó:
+ , : Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công
+ , : Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công + : Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải
* Tính toán tải trọng ( )
- Tải trọng tĩnh:
Các công thức tính tương ứng:
(2.6)
Trang 33– áp suất cho phép, phụ thuộc vật liệu vít và đai ốc
+ Với thép – gang = 5 : 6 Mpa
+ Với thép – đồng thanh = 8 : 10 Mpa
- Ta có vật liệu vít đai ốc là thép – đồng thanh nên chọn = 8 Mpa
- Lực dọc trục:
- Chọn đường kính trung bình =12mm,
- Chọn các thông số của ren:
+ Chiều cao profin ren: h = 0,1 = 1,2mm
Trang 34+ Theo công dụng của bộ truyền và yêu cầu tự hãm, chọn số đầu mối ren =1, nếu yêu cầu vít thực hiện hành trình lớn hơn sau một vòng quay thì chọn ren nhiều đầu mối ( >1)
+ Chọn =6, ta có bước vít: = p = 6.2 = 12 (8.2/163_TL TK dẫn động cơ khí tập 1)
+ Và góc vít = arc tg = arc tg =17°≈ 20° (8.3/163_TL TK dẫn động cơ khí tập 1)
- Kiểm tra điều kiện tự hãm (ρ > )
ρ = arc tg( ) (8.5/163_TL TK dẫn động cơ khí tập 1) (2.9) Trong đó: δ- góc nghiêng của cạnh ren làm việc, ren hình thang chọn δ=15 + f- hệ số ma sát, phụ thuộc vật liệu vít đai ốc, với thép – đồng thanh, f= 0,4
=> ρ = arc tg( ) = 22,5° (Thỏa mãn)
- Kiểm tra điều kiện vít về độ bền
+ Trường hợp kích vít, tiết diện nguy hiểm tiếp nhận toàn bộ lực dọc trục và momen xoắn là giá trị lớn hơn trong 2 giá trị của và
+ Với thép C45 = 360Mpa, = = = 120(Mpa)
- Vậy điều kiền bền đảm bảo
- Điều kiện ổn định được đảm bảo
- Xác định chiều cao đai ốc và số vòng ren
Trang 35Từ và hệ số chiều cao đai ốc tính được chiều cao đai ốc
- Từ các thông số trên ta chọn động cơ bước STEP57 Các thông số đầu vào:
Bước góc: 1.80; Cường độ dòng điện: 3A; Lực mô men xoắn: 1.8(Nm); Điện trở pha: 1 ()
me Tuy nhiên trong quá trình hoạt động xảy ra hiện tượng rung trong cơ cấu, do đó yếu tố định tâm cũng quan trọng, do vậy
=> Chọn ổ đỡ chăn 1 dãy cho trường hợp này (Tra bảng phần chọn ổ lăn trong quyển tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1)
Trang 36Hình 2 12 ổ lăn
Trong đó:
+ M=3 đối với ổ bi m=10/3 với ổ đũa
+ L: tuổi thọ của ổ lăn được tính theo công thức:
𝐿 = 60 10-6 𝑛 𝐿ℎ = 60 10-6 1800.20000 = 2160 (𝑡𝑟𝑖ệ𝑢 𝑣ò𝑛𝑔)
+ Q: Tải trọng động của ổ lăn được tính:
𝑄 = (𝑋 𝑉 𝐹𝑟 + 𝑌 𝐹𝑎) 𝐾đ 𝐾𝑡 (2.12) + : tải trọng tĩnh của ổ lăn được tính:
- Khả năng tải tĩnh: Cor = 30,5 kN
Nội lực dọc trục Fsi của 4 ổ là như nhau:
Trang 38Do yêu cầu của cơ cấu cùng với sự tham khảo các nguồn tài liệu về chọn gối đỡ
em chọn 2 gối đỡ đều là loại gối cố định nhằm hạn chế sự di chuyển dọc trục theo tiêu chuẩn của hãng SKF Cở sở để lựa chọn dựa trên đường kính trục vitme và tải trọng động (tĩnh) là hai yếu tố quan trọng cho việc lựa chọn gối đỡ đạt yêu cầu
* Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo trục Y
Chọn bạc dẫn hướng và khớp nối lò xo có kích thước sau:
Hình 2 13 Khớp nối mềm 6x8 mm 2.2.2.3 Tính toán lựa chọn cụm trục vime bi trục z
a Các thông số đầu vào
- Loại máy CNC : Phay
- Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT :
+ Phay
+ Dao có 4 lưỡi (z=4), đường kính D= 4mm
+ Tiêu chuẩn quốc gia: JIS
+ Vật liệu SUS440C
+ Vận tốc : v= 5mm/ph
+ Chiều sâu cắt : t= 0,15mm
+ Lượng chạy dao phút : F=50mm/ph
- Khối lượng lớn nhất của chi tiết : M=100g=0.1KG
=> W=0.1kgf=1N
- Trọng lượng bàn gá trục Z : Wz =35N
- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1=1800v/ph
- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công: V2 = 1200v/ph
- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a=0,5g=5m/s2
Trang 39+ Tốc độ ăn dao (Fz)
+ Lượng chạy dao răng
- Tốc độ quay của động cơ quay dao:
- Lượng chạy dao vòng:
- Lượng chạy dao răng:
- (Theo công thức trong cuốn Sổ tay CN-CTM tập 2-trang 26 )
+ Sau khi tính toán, lựa chọn kết hợp với các thông số đề cho ta điền vào
bảng của công cụ trên web www.coroguide.com ta được kết quả như trong hình :
Bảng 2 5 bảng tính cutting data module
d Tính toán lựa chọn trục vít , ổ lăn cho bàn máy di chuyển theo trục Z
* Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn
Trang 40Fa2 = μ.mg + f = 0,1.3,5.10 + 3,5 = 7 N
+ Gia công (về phía trước):
Fa3 = Fm + μ(mg + Fmz) + f = 30,8 + 0,1.(3,5.10 +30,8) + 3,5 = 40,88 N + Giảm tốc (về phía trước):
Fa4 = μ(mg + Fmz )- ma + f = 0,1.(3.5.10 + 30,8) – 3,5.5 + 3,5 = -7,42 N + Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công: F1max= 24,5 N
+ Lực dọc trục lơns nhất khi gia công: F2max= 40,88 N
=> Lực dọc trục trung bình:
=Trong đó:
+ , : Lực dọc trục lớn nhất khi không gia công và gia công
+ , :Tốc độ quay lớn nhất của trục khi không gia công và gia công + : Thời gian máy hoạt động ở chế độ không tải và có tải
Bảng 2 6 Bảng lực dọc trục phần trăm tương ứng
Tải trọng trên trục (kgf) Tốc độ quay (rpm) Tỷ lệ (sec or %)