đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử: Thiết kế hệ thống Thay dao tự động

Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp. Sự xuất hiện của máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng được dễ dàng thực hiện và một lượng lớn các thao tác của con người được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất tạo nên sự chính xác và chất lượng ngày càng cao. Máy CNC phổ biến hiện nay như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC,... Sự tiến bộ của kĩ thuật, trí thông minh nhân tạo, điều khiển số tạo ra những máy CNC có nhiều trục chính như 3, 6 trục chính chuyển động ngày càng linh hoạt và khéo léo. Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử này, em sẽ tìm hiểu và thiết kế hệ thống thay dao trên máy phay CNC. Nhiệm vụ chính là xây dựng sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao, sơ đồ khối thuật toán điều khiển thay dao; sử dụng phần mềm máy tính mô phỏng hoạt động của máy

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật

là vấn đề quan trọng và cần sự quan tâm lớn Mỗi ngành như cơ khí, điện tử, tinhọc đều có nền tảng khoa học vững chắc và tạo ra các sản phẩm đặc trưng riêng.Tuy nhiên, yêu cầu của thời đại đặt ra yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máymóc, yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn vàthông minh hơn Việc sử dụng máy móc để thay thế sức lao động của con người làmột xu hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm chất lượngcao

Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp Sự xuấthiện của máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất công nghiệp.Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3chiều cũng được dễ dàng thực hiện và một lượng lớn các thao tác của con ngườiđược giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất tạo nên sựchính xác và chất lượng ngày càng cao Máy CNC phổ biến hiện nay như: máy tiệnCNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC, Sự tiến bộ của kĩ thuật,trí thông minh nhân tạo, điều khiển số tạo ra những máy CNC có nhiều trục chínhnhư 3, 6 trục chính chuyển động ngày càng linh hoạt và khéo léo

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử này, em sẽ tìm hiểu và thiết kế hệ thốngthay dao trên máy phay CNC Nhiệm vụ chính là xây dựng sơ đồ động của toàn hệthống thay dao, sơ đồ khối thuật toán điều khiển thay dao; sử dụng phần mềm máytính mô phỏng hoạt động của máy Do kiến thức còn hạn hẹp và lần đầu tìm hiểu

đồ án, bản báo cáo này khó tránh khỏi những thiếu xót nên em rất mong muốn cóđược sự góp ý của thầy cô

MỤC LỤC

1.4

2.1

2.3 Tính toán lựa chọn ổ 19 2.4 Tính trục đỡ tang và động cơ 22 2.5 Tính toán cơ cấu culit 23

Tài liệu tham khảo ………42

PHẦN I: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐỘNG, QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG

1 Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động

1.1.Khái niệm sơ đồ động

Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn ác bộ truyền, các cơcấu liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động, xác định những chuyển độngcần thiết của máy Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay củađộng cơ điện, đường kính bánh đai, số răng của bánh răng, số đầu mối của trục vít,

số răng của bánh vít

1.2.Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động:

Từ định nghĩa sơ đồ động như trên và phân tích các chuyển động cầnthiết của hệ thống thay dao CNC, cùng với các hình vẽ quy ước ta xây dựng nên sơ

đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động như sau:

Mô tả hoạt động:

Khi có lệnh thay dao, trục chính (9) đi xuống vị trí thay dao

Tay quay (4) đẩy cụm chứa dao về phía trục chính;

Khi tới cảm biến hành trình cb1_2 (5), xylanh 2 (7) đi ra; tới cảm biến hành trìnhcb2_2 (8) <trục chính nhả dao>

Trục chính (11) đi lên

Động cơ điện (10) quay phân độ đĩa (1) để xác định dao cần thay bằng cảm biếnquang (9)

Trục chính (11) đi xuống,

Kẹp dao (2) bằng cách xylanh 2 (7) đi về; tới cảm biến hành trình cb2_1 (6), xilanh 1(4) thu

Cảm biến hành trình cb1_1 (3), trục chính (10) đi lên, kết thúc quá trình thay dao

1.3 Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động

Các dữ liệu đầu vào Z: số lượng dao của ổ chứa dao, Z=20 Dmax: đường kính lớn nhất của dao Dmax= 65mm BT30: loại chuôi dao

M: khối lượng 1 con dao m=6 kg Dtrc: đường kính trục chính Dtrc= 120mm

1.4 Xác định gốc tính toán cho hệ thống thay dao

Để đảm bảo quá trình thay dao với độ an toàn cao ta cần phải xác định mộtđiểm chuẩn cho hệ thống thay dao, đó là điểm trùng với điểm gốc của trục chínhmáy CNC trong quá trình thay dao Điểm này phải đảm bảo sao cho đường tâmcủa trục chính và đường tâm của dụng cụ được gọi ra thay phải trùng nhau và phảiđảm bảo hành trình thay dao của trục chính Ltrục = 130mm và hành trình dẫn hướngcủa cơ cấu culit L = 250mm không xảy ra va đập

xác định bán kính vòng tròn chứa dao

Kiểm tra độ an toàn hình

học :

- Kiểm tra đường kính trục

chính khi vào thay dụng cụ

-Kiểm tra lượng mở của

Bản vẽ kết cấu của hệ thống thay dao tự động

Tính toán về lựa chọn ổ đĩa côn

để đỡ Tang Lựa chọn ổ bi để đỡ trục

Kết cấu của thân đỡ

quay phân độ Tang chứa dao

Lựa chọn và bố trí trục dẫn hướng

Kiểm nghiệm độ bền của trục

Tính toán hệ thống dẫn động Tang vào thay dao – hệ thống xylanh khí nén

Để tính toán hệ thay dao thì ta cần phải xác định một điểm gốc tính toán cho

hệ thống Từ điểm chuẩn thay dao và hành trình của cơ cấu culit L = 250mm, vậyđiểm gốc tính toán cho hệ thống thay dao cách điểm chuẩn thay dao 250mm

2 Thiết kế cơ khí hệ thống thay dao tự động

2.1 Tính toán Tang chứa dao

a_ Bán kính từ tâm của dao đến tâm của Tang chứa dao R0 được xác định :

Để giữa các dao có Rmax có khoảng cách ta lấy R0 = 250 mm

Khi đó chu vi của vòng tròn chứa dao la:

C = 2..R0 = 2.3,14.250= 1570,8 (mm)

b_Xác định khoảng cách giữa các dao gần nhau trong Tang :

Khoảng cách giữa hai tâm của dao có thể xác định gần đúng :

1570,8

78,5 20

c_Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao

Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần kiểm tra xem khi trục chínhvào thay dao số 1 có bị va chạm với các đài dao số 2 và đài dao số 20 hay không Đường kính lớn nhất của trục chính :max= 120(mm)

Đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT30 là:C = 31,75(mm)

Khoảng cách giữa tâm các đài dao L = 78,5 (mm)

Ta đi xác định khoảng cách từ tâm đài dao số 1 đến độ côn của các đài dao số 2

 Vậy thoả mãn điều kiện

d_Lựa chọn cơ cấu kẹp dao trên Tang

Để trục chính tham gia vào thay dao được chính xác thì dao cần có một vị tríxác định trên Tang chứa dao.Vậy ta cần hạn chế 5 bậc tự do của dao trên Tang

Để kẹp dao lên Tang ta có thể dùng hệ thống kẹp dao của hệ thống thay dao

tự động của trung tâm gia công CNC_V30.Hệ thống kẹp dao gồm :Tay kẹptrái_Tay kẹp phải_Chốt định vị_và một loxo tạo ra lực kẹp dao

Các thông số hình học của tay kẹp :

Các thông số của tay kẹt

H : chiều dày kẹp dao : H = 23 (mm)

L : khe hơ cần tính để tránh va đập giưa các tay kẹp

N : số dao kẹp Tang có thể chứa

Kiểm tra khi tay kẹp mở

Khi thay dao tay kẹp sẽ xoay quanh điểm O1một góc  = 5o vậy lượng mở thêmcủa tay kẹp ứng với điểm cách xa O1 nhất :

Lk 83.tg 83.tg5o 7,26 < 8,6(mm)

Vậy các tay kẹp không bị va chạm vào nhau trong quá trình thay dao

e_Tính toán các thông số hình học của Tang

Tính bán kính vòng ngoài của Tang R 1 :

R1 = R0 – h – Rmaxd

Trong đó :

R0 : bán kính từ tâm dao đến đường tâm Tang R0= 220(mm)

h : Lượng nhô ra của tấm định vị so với Tang h = 16(mm)

Rmaxd: bán kính lớn nhất của đài dao Rmaxd=

Bán kính vòng trong của Tang R 2 :

Để có không gian cho tay kẹp di chuyển va lắp ghép lò xo để tạo ra lực kẹp tacần phải xác định bán kính vòng trong của Tang R2

R2< R1 - Lk –L

L : khoảng cách từ chốt tay kẹp đến vòng tròn ngoài của Tang L = 16 (mm)

Lk : Chiều dài chuôi tay kẹp Lk= 58 (mm)

R2< 180–58 – 16 = 106(mm)

Lấy R2= 100 (mm)

 Vậy kết cấu hình học của đĩa Man :

Tính kích thước chiều cao Tang

H = E + f + H

H: chiều cao tang

E : chiều dài chuôi dao BT30

Theo tiêu chuẩn lấy E=70,4mm

F: chiều dài thành tang ,lấy f=30mm

H : chiều cao dự phòng Lấy H=45mm

Vậy ta có H= 70,4+30+45=145,4 Lấy H=150mm

 Vậy kết cấu hình học của đĩa Man

2.2 Tính toán cơ cấu Man cho Tang chứa dao

a Tính toán các thông số hình học của cơ cấu Man

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :

Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2

thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1 Chuyển động gián đoạn của đĩa O1

chính là chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị tríthay dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8, ,16,18,24

Với hệ thống thay dao gồm có 20 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với sốrãnh là : Z = 20

Bán kính vòng ngoài của đĩa Man R = R2 +l

Với l là lượng nhô ra của đĩa Man so với vòng trong của Tang

Hình: Sơ đồ tính toán cơ cấu Man

Điều kiện bắt buộc để chống va đập là :

Khi thiết kế góc 2T thực tế nhận được là tích số của góc 2 đã cho trước với tỷ

số truyền động i của cơ cấu Man :

Các thông số hình học của cơ cấu Man được xác định :

Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L :

b Tính toán động học của cơ cấu Man

Xác định góc  của đĩa Man khi cần quay được một góc  :

ε d= ±sin α cos2α sin ϕ

(1−2 sin α cos ϕ+sin2α )2 ω

Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi

Với thời gian thay dao hệ thống là :3/7 (s)

Txl = 1 (s) thời gian hành trình xylanh vào thay dụng cụ

Ttr = 0,5 (s) thời gian truyền tín hiệu

Ttrc = 1 (s) thời gian hành trình trục chính vào thay dụng cụ

Tt = tm+to= 0.5 (s) thời gian thay đồi một vị trí của Tang

Ta đi tính gia tốc góc và vận tốc góc cho đia Man.

ε d= ±sin 11,25o.cos211, 25 o sin 52 ,3169 o

(1−2sin 11, 25 o cos52, 3169 o+sin211, 25 o)2.12 , 492=±36 ,24

(rad/s2)Vận tốc góc lớn nhất khi  = 0o

ω d=sin 11, 25 o 12,49

1−sin 11,25 o =3,03 (rad/s)

Biểu đồ sự phụ thuộc vận tốc góc và gia tốc góc của đĩa man vào góc ᴪ

c Tính toán động lực học của cơ cấu Man

Khối lượng của Tang chứa dụng cụ :

GT= GĐ+16.GK+16.GD+G

Trong đó:

GĐ: khối lượng của đĩa man gắn với Tang là : 32 (kg)

GK: khối lượng của cơ cấu kẹp dao :GK= 2.GT+GC

GG= 2.0,35 + 0,1 = 0,8 (kg)

GD: khối lượng của một đài dao : 5 (kg)

G : khối lượng của các chi tíêt phụ lấy :10 (kg)

GT= 32 + 16.0,8 + 16.5+ 10 = 134,8 (kg)

Xét các lực tác dụng lên đĩa Man trong quá trình làm việc

Vậy trọng lượng của Tang chứa dụng cụ là :

Hình2 1 Sơ đồ tính động lực học cơ cấu Man

Sơ đồ phân bố lực trên cơ cấu Man

Trong đó :

Pđ : Lực do cần khi quay tác dụng lên rãnh của đĩa Man

Pms: Lực masát tạ ổ côn do trọng lượng của Tang tạo ra

Pms= PT.f = 1322.0,02 = 26,44 N

f = 0,02 Hệ số ma sát của ổ đũa côn đỡ chặn

P : Lực của cần

Ro: Bán kính trung bình của ổ côn = 82,5 mm

Phương trình cân bằng momen với đĩa Man ứng với lúc đĩa Man có gia tốc lớnnhất :

d : khoảng cách từ tâm dụng cụ đến tâm của Tang chứa dao là 220 mm

max= 36,24 rad/s2 gia tốc góc lớn nhất của đĩa Man khi  = 52,3169o

Tính toán và lựa chọn động cơ

Công suất động cơ được xác định theo công suất của cần

409 0,98

(W) (Chọn động cơ có công suất 550W)

Theo bảng P1.3 các thông số kỹ thuật của động cơ 4 A ( Tính toán thiết kế hệ dẫnđộng cơ khí tập 1) ta chọn

Kiểu động

cơ

Công suấtkW

Vận tốcVg/ph

Vậy ta chọn hộp giảm tốc có tỷ số truyền là 675/119,3=5.66

2.3 Tính toán và lựa chọn ổ lăn

Với kết cấu của hệ thống thay dao ta dùng một ô lăn dạng ổ bi đỡ một dãy vàmột ổ lăn dạng ổ đũa côn Ổ bi chỉ chịu tác dụng của lực hướng tâm,còn ổ côn chịutác dụng của lực hướng tâm và lực dọc trục Ở đây lực hướng tâm không lơn lắm

so với lực dọc trục nên ta chỉ tính toán cho ổ côn còn ổ bi ta lấy theo kích thướccủa ổ côn

Hình2 2 Sơ đồ bố trí ổ lăn trên hệ thống thay dao

a Lựa chọn loại ổ lăn :

Với kết cấu của cơ cấu chứa dao ta thấy ổ lăn chỉ phải chịu tác dụng của lực dọctrục,còn lực hướng khá nhỏ nên ta có thể bỏ qua.Vậy ta dùng ổ đũa côn đỡ chặn

b Chọn sơ bộ kích thước ổ :

Với kết câu của Tang chứa dao ta lựa chọn ổ đũa côn cỡ đặc biệt nhẹ 2007113( theo GOST 333-71 ) với các thông số : đường kính trong d1= 65mm ; đường kínhngoài D = 100 mm , khả năng tải động C = 52,9 kN , khả năng tải tĩnh Co= 51,3 kN

c Tính kiểm nghiệm khả năng tải của ổ :

Ổ chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của Tang và dụng cụ được gá đặt trên Tang.Với hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, Tang quay với vận tốclớn nhất là  = 3,5rad/s,số vòng quay n = 8,6 vòng/phút,với mỗi lần hoạt độngTang chi quay 1 đến 2 vòng , nên ta chỉ kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh cho ổ

Với các thông số của ổ côn : d1= 65mm , D = 100 mm

Ta lựa chọn ổ bi đỡ một dãy loại 113 (theo GOST 8338-75) với các thông số của ổ(bảng P2.2 trang 254)

d = 65mm , D = 100mm , B = 18 mm , C = 24,1 kN , Co = 20 kN

2.4 Tính toán trục đỡ Tang

Đường kính trục đỡ Tang được lấy theo đường kính trong của ổ lăn và bằng :

D = 65 mmChọn sơ bộ đường kớnh trong của trục là d=30mm

Ta đi kiểm nghiệm độ bền của trục :

Trục đỡ Tang chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do khối lượng của Tang và dụng

cụ là PT = 1322 N) Vậy ta chỉ đi kiểm nghiệm độ bền kéo của trục

Vậy trục thoả món điều kiện bền

Biến dạng dài của trục l được tớnh theo cụng thức :

E = 2.104 kN/cm2 : mụđun đàn hồi của thộp

2.5 Tính chọn cơ cấu Culit

Số liệu đầu vào :

Khối lượng tang dao M = 203,5 kg, hành trình H = 250 mm

Thời gian tang dao từ vị trí không hoạt động vào vi trí thay dao T =1s

Yêu cầu tính chọn động cơ cho cơ cấu Culit di chuyển Tang dao

→ 2 l cos 20 ° = 250

l=133,5 mm

Chọn l = 135 mm

Tính mô men

Khối lượng của tang dao tối đa m = 203,5 kg

Chọn khối lượng cu-lit và các chi tiết phụ M1=22,5 kg

Tổng khối lượng M = 230 kg

Tìm vận tốc của cơ cấu

Tang dao được gắn trên cơ cấu cu-lit chuyển động từ trạng thái đứng yên v = 0Hành trình H =250 mm =0,25 m, trong khoảng thời gian 1s

¿ > ¿gia tốc của cơ cấu :

A = 2 H1 = 0,5 (m/s2)

Xét tại điểm cuối hành trình :

Khi tang dao từ vị trí không hoạt động vào vị trí thay dao

Với

P : trọng lực của cơ cấu tang dao + cu-lit

P = M.g = 2300 N

F qt : lực quán tính F qt = M.a = 2300 0,5 = 1150 N

F ms : lực ma sát giữa con lăn và thanh dẫn hướng

Trên thực tế, xuất hiện 4 lực ma sát ở 4 con lăn, để đơn giản cho việc tính toán,

Với 15 mm khoảng cách từ điểm trên cùng đến điểm dặt lực

Chuyển động tương đối : chuyển động tịnh tiến của chốt A so với cu-lit K : v r

Chuyển đông theo : chuyển động v e của culit so với điểm O cố định

P dc ≥ 0,3 10,82

0,84 = 3,86 kW

Lựa chọn động cơ dẫn động cho cơ cấu cu-lit

Với yêu cầu tính toán

P dc ≥ 3,86 kW ta chọn động cơ điện xoay chiều 3 pha không đồng bộ 4A100L4Y3(Tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí – Trịnh Chất, Lê Văn Uyển)

Đầu vàon đ c = 1420 v/p , công suất P dc = 4 kW

Mô men xoán đầu vào M V = 30 P dc

Ta lấy tỉ số truyền của hộp số là i h s = 13,65

Mô men đầu ra : M R = 30 13,65 = 409,5 N.m

Thỏa mãn mô men cản M C = 282,2 N.m

Hộp số cần thiết kế có tỉ số truyền: i h s = 13,65

Chọn bánh răng : Z1 = 19 ; tỉ số truyền 13,65 nên

Z2 = 19 13,65 = 259,35 chọn Z2 = 260

PHẦN 2 XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN TRẢ DAO/ LẤY DAO

1 Khái niệm sơ đồ khối thuật toán :

Phương pháp dung sơ đồ khối mô tả thuật toán là dung theo sơ đồ trên mặtcác bước của thuật toán Sơ đồ khối có ưu điểm là rất trực quan, dễ bao quát.Hoạt động của thuật toán theo lưu đồ được bắt đầu từ nút đầu tiên Sauk hithực hiện các thao tác hoặc kiểm tra điều kiện ở mỗi nút thì bộ xử lý sẽ đi theomột cung để đến nút khác Quá trình thực hiện thuật toán dừng khi gặp nút kếtthúc hay nút cuối

2 Sơ đồ khối thuật toán trả dao/ lấy dao (quá trình thay dao)

Txx.M06

DTC=DYCY

NĐịnh hướng trục chính

Trục chính

có dao

YN

Trục chính đi xuống điểm thay dao

ổ chứa dao đi vào vị trí thay dao + kẹp dao cũ

Khí nén giải phóng, mở chốt kẹp dao trên trục chính

Trục chính di chuyển về vị trí ban đầu

Tìm dao được gọi, xoay đài dao vào đúng vị trí

Trục chính đi xuống vị trí lấy dao

Khí nén giải phóng lò xo hồi mở cháu kẹp trên trục chính kẹp dao cần thay

ổ chứa dao về vị trí ban đầu

Trục chính di chuyển về vị trí ban đầu

end