Bài Giảng Điều Khiển Chương Trình Số - Máy Công Cụ phần 6 pdf

Do độ cứng trục k2 = N2k1 , ta có khệ xác định theo độ cứng thành phần truyền động ghép nối tiếp : 1 1 1 = + = + = + k Σ k br k 20 k br N k 10 5000 10 (500) ⇒ kΣ = 50000 ≅ 4545 Nm/rad 11 ∗ Nhận xét : Khi thành phần cuối hệ thống truyền động thành phần giảm tốc lớn, độ cứng thành phần trước bỏ qua Đai truyền : Độ cứng truyền đai : kB = AE l (3.27) A : tiết diện đai [mm2] ; E : mô đun đàn hồi đai [N/mm2] l : chiều dài đoạn dây đai tự puly cọng với 1/3 chiều dài đai tiếp xúc với puly [mm] Nối trục Coi nối trục dầm chịu uốn tính độ cứng điểm cuối Đối với nối trục có tiết diện trịn, độ cứng nối trục tính theo cơng thức 3πE (d − d ) k= 64l (3.28) d1, d2 : đường kính ngồi nối trục; l : chiều dài trục E : mô đun đàn hồi chống uốn E ≅ × 1011 N/m2 thép ≅ 2/3 × 1011 N/m2 nhơm Đối với nối trục tiết diện vng, độ cứng k tính k= E( w − w ) 4l (3.29) w1, w2 : kích thước nối trục Hệ thống truyền động tương đương Khảo sát hệ thống truyền động H3.12 Viết phương trình chuyển động cho hệ thống với giả thiết : θ1, θ2 :chuyển vị góc vị trí đặt khối lượng b1, b2 : hệ số ma sát trục 2, tương ứng & (J1 &&1 +b1 θ1 )+ θ & (J2 && +b2 θ ) = M1 θ N 66 thay θ2 = θ1 , ta được: N (J1+ M b J2 & ) && +(b1+ 22 ) θ1 = M1= (viết theo biến θ1 ) θ1 N N N & (J2+N2J1) && +(b2+N2b1) θ = M2 θ : (viết theo biến θ2 ) Như vậy, hệ thống quy hệ thống thu gọn, với quán tính tương đương J2 ( quán tính tương đương đĩa so với đĩa N2 b N2J1) hệ số cản tương đương 22 N2b1 tùy theo biến chuyển vị cần xét N đĩa so với đĩa Để xác định độ cứng tương đương hệ quy đổi, dựa theo phương pháp xác định độ cứng chung hệ phụ thuộc vào độ cứng thành phần cách ghép • Với truyền bánh răng-thanh dùng làm cấu chấp hành:(H3.13a) • Với truyền vít me-đai ốc dùng làm cấu chấp hành : (H3.13b) J0 & θ R Giả sử J0 : momen quán tính bánh ăn khớp với m : khối lượng bàn máy & x m Khi mtđ = m + J0 R2 Jtđ = J0 + mR2 H3.13a : Cơ cấu Bánh Răng-Thanh Răng Giả sử J0 : momen quán tính vít me m & x bàn máy m : khối lượng bàn máy Khi J0 & θ s mtđ = m + 4π J s Jtđ = J0 + ms2 4π H3.13b : Cơ cấu Vít me-Đai ốc s : bước vít me bàn máy 3.3.2 Đặc tính chất lượng hệ truyền động Giá trị số thời gian tương đương hệ thống truyền động ( hệ bậc hai) tính theo công thức sau : – Đối với hệ truyền động thực chuyển động quay T= 2J tđ [s] b tđ (3.30) – Đối với hệ truyền động thực chuyển động tịnh tiến 67 T= Chú ý : Ts 1% 2m tđ [s] b tđ = 4,6T ; Ts 2% (3.31) = 4T ; Ts 5% = 3T Các ví dụ ứng dụng: Phần lớn trường hợp khảo sát hệ truyền động thu gọn, quy sơ đồ tính tốn gồm khối lượng H3.14: Sơ đồ tính tốn hệ quy đổi khối lượng Phương trình chuyển động có dạng: & & ⎧ θ ⎪ j1&&1 = M − b(θ1 − θ ) − k (θ1 − θ ) ⎨ && & & ⎪ j2 θ = k (θ1 − θ ) − b(θ − θ1 ) ⎩ (3.32) hay & & ⎧ θ ⎪ j1&&1 + b(θ1 − θ ) + k (θ1 − θ ) = M ⎨ && & & ⎪ j2 θ − b(θ1 − θ ) − k (θ1 − θ ) = ⎩ (3.33) ⇒ && + b (θ − θ ) + k (θ − θ ) = M & & θ1 2 j1 j1 j1 Do hay && − b (θ − θ ) − k (θ − θ ) = & & θ2 2 j2 j2 ⎛b b (&&1 − && ) + ⎜ + θ θ ⎜j ⎝ j2 ( ) ⎞ M ⎟(θ1 − θ ) = ⎟ j1 ⎠ (3.34) ⎛1 1⎞& ⎛1 1⎞ M && Ψ + b⎜ + ⎟ Ψ + k ⎜ + ⎟ Ψ = ⎜j ⎟ ⎜j ⎟ j1 ⎝ j2 ⎠ ⎝ j2 ⎠ ⎛j +j && Ψ + b⎜ ⎜ jj ⎝ Khi ⎛k k ⎞& & ⎟ θ1 − θ + ⎜ + ⎜j ⎟ ⎝ j2 ⎠ T= ⎛j +j ⎞& ⎟Ψ + k ⎜ ⎜ jj ⎟ ⎝ ⎠ j1 j2 b( j1 + j2 ) ⎞ M ⎟Ψ = ⎟ j1 ⎠ (3.35) (3.36) Ví dụ : Xác định quán tính tương đương độ cứng tương đương hệ thống truyền động sau 68 Các giả thiết : Jm : Momen qn tính rơ to động j1, j2, j3, j4 : Momen quán tính bánh hộp N1, N2 : Các tỉ số truyền giảm tốc ( >1) b1, b2, b3 : Các hệ số ma sát trục I, II, III j1 I k1 x Jm j & M1 b1, θ1 N1 k2 x j2 & θ b2II x x j4 & θ3 N2 III b3 k3 Jt H3.15 : Hệ thống truyền động có giảm tốc cấp Giải : Viết phương trình chuyển động hệ, giả sử chuyển vị góc đầu cuối trục I (trục động )là (θ1), chuyển vị góc đầu cuối trục II (θ2 = θ3 ), chuyển vị góc đầu cuối trục III θ4 & (Jm+j1) &&1 +b1 θ1 + θ Thay θ = 1 & & [( j2 + j3 )&& + b θ ] + θ [( j4 + j t )&& + b θ ] =M1 θ N1 N1 N (3.37) θ1 θ ; θ = ta có : N1 N1 N [(Jm+j1)+ j + j3 j + j t b b & + 2 ] &&1 +(b1+ 22 + ) θ1 = M1 θ N1 N1 N N1 N1 N (3.38) Như vậy, quán tính tương đương viết theo chuyển vị góc θ1 Jtđ1= (Jm+j1) + j + j3 j + j t + 2 N1 N1 N (3.39a) viết theo chuyển vị góc θ4, ta có : Jtđ2 = N N (J m + j1 ) + N ( j2 + j3 ) + ( j4 + j t ) 2 (3.39b) Độ cứng tương đương hệ thống : 1 = + k Σ k br k III0 (3.40) 69 = k III0 k IIIi + 1 = với k III k IIIi N k II0 1 1 1 = + + = + + k II0 k br k IIi k II k br N k I0 k II Do k III0 = 1 ⎛ 1 + 2⎜ + + ⎜ k br k II N k I k III N ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 1 1 1 = + + + + 2 kΣ k br k III N k br N k II N N k I hay (3.41) ⇒ khệ 3.3.3 Một số cấu đặc biệt Máy cơng cụ ĐKS 3.3.3.1 Cơ cấu vít me - đai ốc bi Vít me phần dẫn động cuối truyền động chạy dao phần lớn máy công cụ ĐKS, cần sử dụng vít me có độ xác cao, chịu mịn, đảm bảo cứng vững Loại cấu vít me- đai ốc bi (H3 16) có tiếp xúc vít me đai ốc tiếp xúc lăn nên coi ma sát không đáng kể đáp ứng yêu cầu làm việc kể H3.16: Cơ cấu vít me đai ốc bi Cả vít me đai ốc có profil ren dạng cung trịn gia cơng xác để dẫn bi Các rãnh dẫn bi chạy theo đường ren vòng trở lại theo đường dẫn bên đai ốc bi Rãnh vít me đai ốc chế tạo có hình dạng cung nửa vịng trịn bán kính r1 r2, tỉ số r1/ r2 chọn từ (0.95 ÷ 0,97), với r1: bán kính bi, r2 : bán kính rãnh đai ốc Khe hở đường kính chọn cho góc tiếp xúc 450 Các ưu điểm : 70 – Tổn thất ma sát bé, hiệu suất cấu vít me-đai ốc bi đạt tới 0,9 vít me-đai ốc trượt đạt từ (0,2 ÷0.4) – Độ cứng dọc trục cao nhờ biện pháp tạo lực căng sơ ban đầu – Lực ma sát không phụ thuộc vào vận tốc, đảm bảo chuyển động ổn định – Đảm bảo độ xác làm việc lâu dài H3.17a, b, c: Kết cấu rãnh hồi bi profil ren Đặc điểm tính tốn : Xác định lực kéo cho phép Q : Xuất phát từ điều kiện bền tiếp xúc vật thể lăn bi-rãnh xoắn ốc, trị số ứng suất tiếp xúc lớn cho công thức Hertz σ k = 1,43 PE ( r2 − r1 ) 2 r1 r2 ⎡kg ⎤ ⎢ cm ⎥ ⎣ ⎦ (3.42) P: tải trọng tĩnh tác dụng lên viên bi [kg]; E: mô đun đàn hồi vật liệu [ kg /cm2] Đối với thép E ≈ 2×1011[ N/m2] = 2×106 [ kg/cm2]; r1, r2 [cm] Với r1 r2 0,96 chọn vật liệu thép, thay vào công thức trên: σ k = 4,3 × 10 3 P d1 ⎡kg ⎤ ⎢ cm ⎥ ⎣ ⎦ (3.43) đó, d1: đường kính bi [cm] Ứng suất tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào độ cứng bề mặt tiếp xúc: [σk ] = (2,5 ÷ 3) 104 HRC ⎡kg ⎤ 60 ⎢ cm ⎥ ⎣ ⎦ 71 Giả sử lấy σk ≤ [σk ] = 2,5 × 104 ⎡kg ⎢ ⎣ ⎤ (ứng với bề mặt tiếp xúc đạt HRC= 60), từ cm ⎥ ⎦ công thức (3.43), xác định tải trọng giới hạn viên bi: P ≤ 200 d12 [kg] (3.44) Lực kéo cho phép tác dụng lên vít me: Q ≤ Pzt sinα cosλ[kg] hay Q ≤ 200zt d12 sinαcosλ [kg] (3.45) đó, zt : số bi tính tốn, lấy zt = 0,7z α : góc tiếp xúc, lấy α = 450 λ : góc nâng đường vít, λ ≈ ( ÷ )0, coi cosλ ≈ Thay giá trị số, cuối ta có : Q ≤ 100z d12 [kg] (3.46) Tính tốn theo tuổi thọ truyền : quy việc xác định hệ số tuổi thọ k0: k0 = kQ 60TnC i 10 (3.47) với, T : thời hạn phục vụ[g], ví dụ T = 5000giờ ; n[v/ph]: số vịng quay tính tốn truyền, tính theo cơng thức n = ( nmax + nmin ) / Ci : số chu kỳ tải trọng vịng quay, tính: Ci = 0,5zt ( + r1 cosα ) r0 đó, r0 : bán kính tâm bi kQ : hệ số biến đổi tải trọng, lấy kQ ≈ 0,9 Nếu T = 5000 g, Ci ≈ 20/2 = 10, kQ ≈ 0,9, ta có : k0 = 0,6 n (3.48) Chú ý k0 ≤ 1thì theo (3.48), số vịng quay trung bình n < 5, điều kiện tuổi thọ đảm bảo đảm bảo bền, k0 > 1, dẫn đến công thức cuối là: 100zd1 Q≤ k0 (3.49) Xác định độ cứng vít me a Độ cứng dọc trục k= dQ dδ (3.50) với δ : chuyển vị dọc trục vít me k phụ thuộc vào tham số hình học bề mặt tiếp xúc mô đun đàn hồi vật 72 liệu Có thể chứng minh [9] k = 0,8 d 1Q c z t (3.51) Qc: lực căng sơ [kg] Theo kinh nghiệm, lấy Qc = 0,35 Q, thay zt = 0,7z, ta nhận : k = d 1z ⎤ ⎡kg ⎢ µm ⎥ ⎦ ⎣ (3.52) b Độ cứng xoắn vít me Giá trị độ cứng xoắn vít me xác định theo chiều dài vít đường kính trung bình ren : Gπd tb k= 32l vm (3.53) Các thơng số kích thước truyền vít me- đai ốc bi tham khảo bảng (5.1) (5.2) [11] 3.3.3.2 Các cấu cấp thay tự động dụng cụ Yêu cầu chung cấu cấp thay tự động dụng cụ: – Chứa nhiều dao – Thời gian thay dao tối thiểu – Thay dao theo chu trình tự động, ví dụ đầu Rơ vôn ve : + Tháo lỏng dao vừa gia công xong + Quay thuận thay dao + Quay nghịch kẹp chặc dao mới, kết thúc thay dao Cấp dụng cụ đầu Rơ vôn ve Thường gặp máy phay, khoan, tiện Loại nầy có nhược điểm số lượng dao ít, từ (6 ÷ 12) dao Dao quay chiếm khơng gian làm việc gây trở ngại cho thao tác điều khiển Thời gian thay dao vào khoảng (4 ÷ )s Cấp dao tay máy Loại nầy thường có phận : Ổ trữ dụng cụ tay máy Ổ trữ dụng cụ lắp trực tiếp lên thân máy, ụ trục chính, lắp ngồi máy cần bố trí số lượng dao lớn Tay máy đặt ổ trữ dụng cụ trục Các dao ổ trữ mã hoá Thời gian thay dao vào khoảng (1 ÷ 2)s Các ổ trữ dụng cụ có mạch điều khiển xếp chặc chẽ vào vi mạch EPROM ( Electrically Programmable Read-Only Memory) chứa hai: 73 ký hiệu dụng cụ số liệu vị trí, cho phép chuyển đổi tự động số liệu dụng cụ vào ghi liệu dụng cụ máy ĐKS cách nhanh chóng xác Để kích hoạt loại ổ trữ nầy cần có thêm phần mềm PLC chuyên dùng ( EPROM) Đầu Rơ vôn ve Tay máy H3.18 : Cơ cấu cấp thay tự động dụng cụ 3.3.3.3 Các kết cấu đặc biệt khác : Các loại bàn máy chuyển đổi Để giảm tối đa thời gian phụ, số máy trang bị loại bàn máy chuyển đổi cho phép gá đặt chi tiết gia công bên máy đưa vào chuyển đổi bàn máy thích hợp Các thiết bị kiểm tra chi tiết Các thiết bị đo kiểm hiệu chỉnh dụng cụ Bộ phận ĐKS H3.19: Bộ phận điều khiển máy ĐKS 74 H3.20: Màn hình phím điều khiển Hai hình H3.19 H3.20 mơ tả phận ĐKS điển hình Chúng gồm : – bàn phím ký tự -số (address and numeric keyboard) dùng cho việc nhập trực tiếp liệu chương trình – phím điều khiển máy (machine control keys), nút over-ride (nút thực chế độ ưu tiên) – hình phím mềm (screen and soft keys) H3.21: Sơ đồ thiết kế hệ điều khiển số máy công cụ (Nguồn [7]) 75 Bộ phận ĐKS chứa tất mạch điện tử, phần cứng điều khiển , liên kết tất chức nhập xử lý liệu, cung cấp liệu ra, hiển thị thơng tin, chạy chương trình điều khiển chương trình ứng dụng nhớ, cổng ghép nối với thiết bị ngoại vi để thực điều khiển máy (H3.21) Trên máy công cụ CNC thường cho phép hoạt động chế độ sau : – Manual: Dùng phím điều khiển tay để dịch chuyển bàn máy Chế độ nầy chủ yếu dùng cho việc gá đặt hiệu chỉnh chi tiết máy Ví dụ cho trục quay, cho trục chuyển động theo phương Z, cho bàn máy chuyển động theo phương X, phương Y – Manual Data Input (MDI) : nhập lệnh mã máy (mã G & M) vào hệ điều khiển qua phím bảng điều khiển Mặc dù nhập tồn chương trình gia công vào hệ điều khiển, chế độ MDI thường dùng để soạn thảo, sữa đổi chương trình có sẵn nhớ gá đặt trước dụng cụ – Single Block : chế độ chạy dòng lệnh Chế độ nầy dùng vào việc kiểm tra, hoàn chỉnh trước chuyển chế độ tự động (automatic) – Automatic : chế độ chạy tự động chương trình gia cơng – Các chế độ dừng chương trình: + Dừng khẩn cấp (Emergency Stop): Dừng tức khắc chuyển động máy, thông tin nhớ công tác bị xố Khi đóng mạch trở lại cho hệ điều khiển, phải thực lại chuyển động trở điểm chuẩn + Dừng chạy dao (Feed Hold): Dừng toàn chuyển động chạy dao, số liệu vị trí trục chuyển động khơng bị Chức nầy thường dùng để kiểm tra dao, sau chương trình tiếp tục nhờ phím REPOS (Reposition) để dao trở lại vị trí cơng tác trước dừng chạy dao Một đặc tính bổ sung phận ĐKS khả lập trình theo kiểu hội thoại Lập trình theo kiểu nầy sử dụng mã lệnh dễ nhớ, qua vật liệu dụng cụ, vật liệu phơi nhập, biên dạng hình học chi tiết đường dịch chuyển dụng cụ xác định, mã G tạo tự động Người lập trình cịn mô đồ họa đường dịch chuyển dụng cụ hình, thử kiểm tra lần cuối chương trình 3.4 Các máy trục - Các trung tâm gia công ĐKS 3.4.1 Các đặc điểm chung máy trục (H3.22): 76 H3.22: Máy trục • Các chuyển động tịnh tiến theo trục X-, Y-, Z- chuyển động quay A- B- (phối hợp đồng thời) • Có thể thay đổi hướng dụng cụ cắt đồng thời q trình gia cơng • Nếu có phần bề mặt cần gia cơng dụng cụ cắt khơng thể tiếp cận lần gá đặt, cần chọn máy ĐKS trục a: Gia công máy trục b: Gia công máy trục H3.23: Gia công máy trục so với máy trục So với máy trục, gia công máy trục có nhiều ưu điểm vượt trội, suất cao hơn, có tính dễ tiếp cận dụng cụ với bề mặt gia công phức tạp, dễ cải thiện chất lượng bề mặt H3.23 số trường hợp điển hình bề mặt gia cơng máy trục máy trục Các trung tâm gia công ĐKS thực chất máy công cụ ĐKS 77 tích hợp nhiều ngun công khác với lần gá đặt phôi Nó thiết kế để phay, khoan, doa, khoét lỗ, cắt ren, kể biên dạng phức tạp Với khả tập trung nguyên công cao, trung tâm gia cơng cho phép gia cơng hồn tồn chi tiết phức tạp mà cần lần gá đặt phơi, chúng coi nhân tố việc tự động hoá sản xuất loạt nhỏ đơn 3.4.2 Các vấn đề hiệu chỉnh dụng cụ theo kích thước Vị trí điểm cắt thực tế dụng cụ so với điểm chuẩn PT nhận qua phép cọng véc tơ véc tơ vị trí điểm bề mặt PM véc tơ nối từ điểm cắt thực tế đến điểm chuẩn PT, phụ thuộc vào loại dụng cụ cắt dùng (dao phay chỏm cầu, cầu hay dao phay mặt mút ) H3.24: Hiệu chỉnh dụng cụ kích thước Vị trí điểm chuẩn dụng cụ PT xác định phương trình: [ PT] = [ PM] + [O1] +[O2] +[O3] (3.54) r r O1 = nR r r O = n xy (R − R ) r r O = kR (3.55) (3.56) (3.57) r r Ví dụ với dao phay cầu (hình 3.24b): OB = nR − kR Với dao phay ngón (hình 3.24c): OC = n xy R r [ PM] : toạ độ vị trí điểm cắt gọt bề mặt r n : véc tơ pháp đơn vị điểm cắt gọt bề mặt r r n xy : hình chiếu véc tơ pháp n lên mặt phẳng xy Có thể viết: ⎡n ny ⎤ r n xy = ⎢ x , ,0 ⎥ ⎢ n xy n xy ⎥ ⎣ ⎦ (3.58) r r r i , j, k : véc tơ pháp đơn vị mặt phẳng hệ trục toạ độ 78 ... cuối chương trình 3.4 Các máy trục - Các trung tâm gia công ĐKS 3.4.1 Các đặc điểm chung máy trục (H3.22): 76 H3.22: Máy trục • Các chuyển động tịnh tiến theo trục X-, Y-, Z- chuyển động quay A-... mòn, đảm bảo cứng vững Loại cấu vít me- đai ốc bi (H3 16) có tiếp xúc vít me đai ốc tiếp xúc lăn nên coi ma sát khơng đáng kể đáp ứng yêu cầu làm việc kể H3. 16: Cơ cấu vít me đai ốc bi Cả vít me... Chúng gồm : – bàn phím ký tự -số (address and numeric keyboard) dùng cho việc nhập trực tiếp liệu chương trình – phím điều khiển máy (machine control keys), nút over-ride (nút thực chế độ ưu tiên)