Đồ án thiết kế hệ thống dẫn hướng máy CNC

Máy công cụ điều khiển số hiện đại máy CNC là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí tự động.Vậy để làmchủ được công nghê cần làm chủ được các thiết bị q

Mục lục

1 Tổng quan về máy CNC và kết cấu máy CNC 1

1.1 Khái niệm máy công cụ 1

1.2 Khái niệm máy CNC 2

1.3 Kết cấu máy CNC 2

1.3.1 Kết cấu của máy CNC và máy công cụ truyền thống 2

1.3.2 Hệ thống dẫn hướng trong máy CNC 7

2 Tính toán lựa chọn ray dẫn hướng 9 2.1 Cơ sở tính toán 10

2.1.1 Khả năng tải tĩnh (C0) 10

2.1.2 Momen tĩnh cho phép M0 10

2.1.3 Hệ số an toàn tĩnh fs 12

2.1.4 Khả năng tải động C 12

2.1.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa L 12

2.1.6 Tính toán tuổi thọ làm việc theo thời gian 14

2.1.7 Tính toán tải trọng làm việc 14

2.1.8 Tính toán tải trọng tương đương 14

2.2 Tính chọn ray dẫn hướng bàn X,Y 15

2.2.1 Các thông số ban đầu 15

2.2.2 Tính chọn ray dẫn hướng 18

2.3 Tính tải tương đương 20

2.3.1 Trong chuyển động nhanh dần qua trái 21

2.3.2 Trong chuyển động chậm dần qua trái 21

2.3.3 Trong chuyển động nhanh dần qua phải 21

2.3.4 Trong chuyển động chậm dần qua phải 21

2.3.5 Tính hệ số tải tĩnh 21

2.4 Tính tải trọng trung bình trên mỗi carriage 22

2.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa 22

3 TÍnh toán lựa chọn cụm trục vít me bi 24 3.1 Trục X 25

3.1.1 Thông số đầu vào 25

3.1.2 Bước vít me 25

3.1.3 Tính lực cắt chính của máy 26

3.1.4 Điều kiện làm việc: 27

3.1.5 Chọn trục vít 27

3.1.6 Chọn ổ lăn 30

3.2 Tính chọn cho trục Y 32

3.2.1 Thông số đầu vào 32

3.2.2 Bước vít me 33

3.2.3 Tính lực cắt chính của máy 33

3.2.4 Điều kiện làm việc: 33

3.2.5 Chọn trục vít 34

3.2.6 Chọn ổ lăn 37

4 Lựa chọn động cơ 40 4.1 Trục X 40

4.1.1 Momen quán tính 40

4.1.2 Momen phát động 40

4.1.3 Chọn dộng cơ 41

4.1.4 Kiểm tra thời gian đạt tốc độ tối đa 41

4.1.5 Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít 41

4.1.6 Mat on dinh 42

4.2 Trục Y 42

4.2.1 Momen quán tính 42

4.2.2 Momen phát động 42

4.2.3 Chọn dộng cơ 43

4.2.4 Kiểm tra thời gian đạt tốc độ tối đa 43

4.2.5 Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít 43

Tóm tắt nội dungHiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vì vậy việc ứng dụng các kỹ thuật tiêntiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, mà giá thànhchấp nhận được ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt đối với những nước đang phát triển nhưViệt nam Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ trong thời giangần đây, tự động hoá sản xuất có vai trò rất quan trọng Nhận thức được điều này, trong chiếnlược công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế, công nghệ tự động được ưu tiên đầu tư pháttriển Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, tự động hoá các ngành kinh tế kỹ thuật trong

đó có cơ khí chế tạo đã được thực hiện từ những năm trước đây Một trong những vấn đề quyếtđịnh của tự động hoá ngành cơ khí chế tạo là kĩ thuật điều khiển số và công nghệ trên các máyđiều khiển số Các máy công cụ điều khiển số được dùng phổ biến ở nước phát triển như NC

và CNC trong những năm gần đây đã được nhập vào Việt nam và được sử dụng rộng rãi tạicác viện nghiên cứu và các công ty liên doanh Máy công cụ điều khiển số hiện đại (máy CNC)

là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho ngành cơ khí tự động.Vậy để làmchủ được công nghê cần làm chủ được các thiết bị quan trọng và điển hình Máy pha CNC làmột trong những thành tựu của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới Nó ngày càng đượcứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa

Sự ra đời của máy CNC đã giải quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoáquá trình sản xuất và nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt Đề tài này đi sâu vàoviệc tìm hiểu ,thiết kế và mô phỏng máy phay CNC nhằm ứng dụng vào học tập, giảng dạy vànghiên cứu Đồ án được phân thành 5 chương :

Chương 1

Tổng quan về máy CNC và kết cấu

máy CNC

1.1 Khái niệm máy công cụ

Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người, để phục vụ cho cuộc sống con người đã phải

sử dụng đôi bàn tay cùng sức khỏe của mình để lao động, tạo ra các công cụ, đồ vật Để hỗtrợ cho đôi bàn tay, con người chê tạo ra công cụ lao động cầm tay thực hiện những quá trìnhđơn lẻ rời rậc nhưng vẫn sử dụng sức người, từ các loại đá, rìu thô sơ cho tới các công cụ hiệnđại như búa, tua vít, cưa , đục Theo thời gian, yêu cầu công việc ngày càng đòi hỏi nhiềucông sức, tốc độ cũng như độ chính xác dẫn tới hình thành các loại máy thay con người thựchiện các quá trình công nghệ nặng nhọc mà sức người không làm được, sử dụng nguồn nănglượng từ bên ngoài, hình thành khái niệm máy công cụ Các máy công cụ truyền thống chủyếu do con người điều khiển như chuyển động, vận tốc, nên thời gian phụ khá lớn, phụ thuộcvào người thợ vận hành Để giảm thời gian phụ, các máy công cụ đa có khả năng tự động hóabằng các mấu tỳ, cam trên trục phân phối, mặt cam được định hình để điều khiển khối lượngchuyển động liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao, hay cơ cấu con cóc

để điều chỉnh bước tiến trong máy bào tuy nhiên chuẩn bị cho một đợt sản xuất rất phứctạp, tốn thời gian,chỉ thích hợp với sản xuât loạt lớn và ít có thay đổi theo thời gian, khôngđáp ứng được yêu cầu sản xuât cũng như sự thay đổi liên tục về sản phẩm Chính vì vậy, đặt

ra yêu cầu về máy công cụ có năng suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt hơn Ban đầu cácmáy tự động được điều khiển bằng đầu đọc băng từ, động cơ được điều khiển nhờ các chỉ dẫnxung điện của băng từ phát ra khi đọc vị trí các băng giấy đục lố Các xung điện được quản lýđơn giản bời máy tính không có bộ nhớ Chúng được gọi là các máy NC hay máy điều khiển

số Máy NC có những nhược điểm như khó sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng giấy dục

lỗ không bền, hệ thống cồng kềnh phức tạp

Bên cạnh đó sự phát triển của công nghệ bán dẫn khiến vi xử lý máy tính phát triển mạnh,các máy CNC ra đời khắc phục các khuyết điểm trên nhờ khả năng đọc hàng ngàn các bit nhịphân lưu trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, chỉnh sửa nhanh chóng chính xác Vậy máy công

cụ là công cụ phục vụ các quá trình công nghệ dưới dạng máy móc mà sức người không làmđược

Hình 1.1: Băng đục lỗ

1.2 Khái niệm máy CNC

CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control có thể hiểu là điều khiển số bằng máy tínhcác máy móc sản xuất Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuấtcông nghiệp Các chi tiết có bề mặt phức tạp được thực hiện dễ dàng, giảm thiểu tối đa cácthao tác của con người Qua đó, chất lượng cũng như năng suất sản phẩm được nâng cao MáyCNC có những đặc điểm vượt trội so với các máy gia công khác:

• Gia công được nhiều chi tiết phức tạp hơn

• Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao hơn và giảm thời gian phụ

• Tính tự động hóa linh hoạt cao hơn

• Phế phẩm ít

• Hiệu suất cao

• Giảm số lượng nhân công

Các loại máy CNC phổ biến ngày nay:

Sự khác nhau giữa máy CNC và máy công cụ truyền thống.

Các cơ cấu truyền dẫn:

Ở các máy công cụ truyền thống, để tạo các đường chuyển động phức tạp các cơ cấu chấp hànhđược liên kết với nhau bằng các cơ cấu cơ khí để tạo mối quan hệ động học, tạo nên nhiều xíchtruyền động phức tạp, trong khí đó, các trục của máy CNC có các trục chuyển động hoàn toànđộc lập có thể lập trình bằng máy tính, qua đó làm đơn giản về mặt kết cấu cơ khí, chỉ còn 2xích động học: cắt gọt, chạy dao

Hình 1.2: Sơ đồ kết cấu động học máy phay ren vít

Hình 1.3: Xích động học trong máy CNC

Tiêu chí Máy cc truyền thôngs Máy CNC

Vào chương trình Không có Từ bán phím

(a) Sống trượt (b) Rãnh mang cá

Hình 1.4: Ví dụ hệ dẫn hướng trong máy công cụ truyền thống

Hệ thống dẫn hướng:

Trong các máy công cụ truyền thống như các máy tiện vạn năng, máy bào thường sử dụngsống trượt gắn liền với thân máy hoặc rãnh mang cá trong máy bào Đặc điểm chung là hệthống dẫn hướng đều gắn với thân máy

Trong các máy CNC ngày nay, hệ thống đường hướng đã được tiêu chuẩn hóa, được modulethành các cụm riêng sãn xuât với số lượng lớn, qua đó giúp thay đổi sửa chữa dễ dàng, giảmgiá thành

Hình 1.5: Ray dẫn hướng trong máy CNC

Trong máy công cụ truyền thống thường biến đôi chuyển động bằng cơ cấu vít me đai ốc có

hệ số ma sát lớn nên hiệu suất thấp nên trong các máy CNC cơ cáu vit me bi thường được sửdụng

Sự khác nhau của nguồn động lực:

Máy công cụ truyền thống thường sử dụng động cơ 3 pha còn máy CNC ngày này thường sửdụng động cơ AC servo với hệ thống điều khiển hồi tiếp kín Tín hiệu ra của động cơ được nốivới một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điềukhiển này Nếu có bất kỳ lí do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽnhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệchcho động cơ đạt được điểm chính xác

Hình 1.6: Động cơ servo và mạch điều khiển

Máy CNC gồm 2 khối chính là: Khối chấp hành và khối điều khiển

∇ Khối điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm

∇ Khối chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ,cụm trục chính và băng dẫn hướng

Hình 1.7: Kết cấu máy CNC

1 Thân máy và đế máy: Bên trong thân máy chứa các bộ phận, hệ thống của máy Đế máy

có tác dụng đỡ để tạo sự cân bằng, ổn định cho máy Vì vậy, thân và đế phải có độ cứngvững cao, có giảm chấn Mục đích đảm bảo độ chính xác cho máy

2 Bàn máy: là nơi gá đặt chi tiết, phải có độ cứng vững cao và được điều khiển chính xác

để tạo được biên dạng cần thiết

Hình 1.8: Bàn máy có thể xoay

3 Cụm trục chính: là nơi lắp dụng cụ cắt, chuyển động quay sinh ra lực cắt gọt.

5 Trục vít me, đai ốc: có công dụng dẫn động từ động cơ để tạo chuyển động cho máy

6 Ổ tích dụng cụ: chưa nhiều dao khác nhau phù hợp với từng quá trình gia công

1.3.2 Hệ thống dẫn hướng trong máy CNC

Nguyên lý dẫn động trong máy CNC là biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyểnđộng tịnh tiến của bàn máy theo các trục kết hợp với các hệ thống đo lường dịch chuyển đểđiều chỉnh chính xác Vai trò của hệ thống dẫn hướng là dẫn động cho bàn máy theo các trụcx,y và chuyển động lên xuống theo trục z của trục chính, tạo nên quỹ đạo mong muốn Vì vậy

hệ thống dẫn hướng phải đạt được những yêu cầu sau:

• Phải có khả năng dẫn động chính xác, độ thẳng cao

• Các trục truyền dẫn không được có khe hở, giảm tối đa hiện tượng stick-slip (hiện tượngdính - trượt do ma sát)

• Đạt hiệu suất cao, hoạt động êm ái ở tốc độ cao

• Trong quá trình vận hành, các trục truyền động phải chịu lực cắt, lực quán tính lớn ở tốc

độ cao nên phải đảm bảo đủ bền, cứng vững ổn dịnh trong thời gian yêu cầu

Chính vì vậy, tính toán lựa chọn hệ thống dẫn hướng cho máy CNC là nhiệm vụ quan trọng,đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt cũng như tuổi thọ cho máy Trong đó, hệ thống vít me biđáp ứng tốt các yêu cầu trên

Vít me đai ốc bi là loại và vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn

Hình 1.12: Chi tiết Vít me bi đai ốc

Hệ thống vít me bi giúp làm giảm ma sát Nhờ việc 2 nửa đai ốc láp theo chiều dài, giữa chúng

có vòng cách nên có thể khử khe hở dọc trục

Hình 1.13: Cơ cấu chỉnh khe hở.

Chương 2

Tính toán lựa chọn ray dẫn hướng

Hình 2.1: Sơ đồ mô hình hệ bàn máy X , Y

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 làmột công việc bắt buộc và phức tạp với nhiều công thức cần thiết lập Vì vậy, để thuận tiệncho công việc lựa chọ thiết bị dẫn động, trong chương này chúng ta đi xây dựng công thức tínhtoán và chương trình tính chọn các thiết bị dẫn động Nội dung chương này là: tính chọn hệthống đường hướng cho bàn máy trục X, Y

Có rất nhiều các hãng để chúng ta có thể sử dụng cho công việc tính toán và lựa chọn các sảnphẩm phục vụ vào thiết kế, em chọn hãng PMI để lựa chọn cho tính toán của mình Sơ đồ tínhtoán của hãng nhu sau

Hình 2.2: Quy trình tính chọn hệ thống đường hướng

2.1 Cơ sở tính toán

Để chọn được ray dẫn hướng phù hợp nhất với các điều kiện làm việc của hệ thống thì khảnăng chịu tải và tuổi thọ phải được chú trọng nhất.Để kiểm nghiệm khả năng tải trọng tĩnhdanh nghĩa có thể đánh giá qua hệ số an toàn với qua giá trị C0 (khả năng tải tĩnh) của raydân hướng Tuổi thọ có thể thu được bằng cách tính toán trên cơ sở lý thuyết bằng công thứcthực nghiệm dựa trên việc đánh giá thông qua khả năng tải động của ray dẫn hướng

2.1.1 Khả năng tải tĩnh (C0)

Khả năng tải tĩnh C0 là tải trọng tĩnh mà tại vùng tiếp xúc với ứng suất lớn nhất mà tổngbiến dạng dư bằng 0.0001 lần giá trị đường kính con lăn Vì nếu biến dạng vượt quá giá trị chophép sẽ làm cản trở chuyển động của hệ thống

2.1.2 Momen tĩnh cho phép M0

Khi 1 mômen tác dụng vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu áp lực lớn nhất

Hình 2.3: Ray dẫn hướng

Hình 2.4

giữa các áp lực phân bố trên toàn bộ bi lăn của hệ thống Moment tĩnh cho phép M0là momenttĩnh mà tại vùng tiếp xúc có ứng suất lớn nhất biến dạng dư bằng 0.0001 đường kính con lăn.

Hình 2.5: Hệ số an toàn của một số máy

2.1.4 Khả năng tải động C

Khả năng tải động C là tải trọng mà nhóm các ray dẫn hướng cùng loại hoạt động với cùngđiều kiện có tuổi thọ là 50 km( với bộ phận lăn là bi) mà chưa xuất hiện tróc mỏi

2.1.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa L

Tuổi thọn danh nghĩa của ray dẫn hướng phụ thuộc tải trọng làm việc thực tế Tuổi thọ danhnghĩa có thể được tính toán dựa trên khả năng tải động và tải trọng làm việc thực tế Tuổithọ của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn bởi hệ số môi trường như độ cứng vững của đườngray , nhiệt độ môi trường , điều kiện chuyển động Vì vậy,những thông số này có trong tínhtoán tuổi bền danh nghĩa Công thức tính toán tương ứng với loại xích bi và xích cuộn

Hình 2.6: Mối quan hệ độ cứng và hệ số

Hệ số tải trọng fw Mặc dù tải trọng làm việc của ray đã đước xét trong tính toán, nhưngtải trọng thực tế hầu hết đều cao hơn khi tính toán Đó là do rung động và va đập khi máychuyển động Rung động xảy ra khi điều khiển tốc độ cao, va đập xảy ra khi máy khởi độnglại và dừng máy Vì vậy cần xét tới hệ số tải trọng theo bảng sau:

Hình 2.7: Xác định hệ số tải trọng

Hệ số nhiệt độ fT

Khi nhiệt độ lớn hơn 100 độ C, tuổi thọ danh nghĩa sẽ giảm Do đó khả năng tải tĩnh, động sẽđược nhân với hệ số nhiệt độ trong tính toán Xem hình bên dưới Nhiều phần của ray đượclàm từ nhựa và cao su, nên nhiệt độ phải dưới 100 độ C là tốt nhất Các yêu cầu đặc biệt phảiliên hệ với nhà sản xuất

Hình 2.8: Xác định hệ số nhiệt

2.1.6 Tính toán tuổi thọ làm việc theo thời gian

Sau khi xác định được tuổi thọ danh nghĩa , tuổi thọ phục vụ theo thời gian có thể được tínhdựa vào chiều dài hành trình và số chu trình là hằng số

Lh = L × 10

3

2 × ls× n1 × 60

2.1.7 Tính toán tải trọng làm việc

Trong đồ án này, phương án sử dụng 2 ray dẫn hướng cho mỗi bàn X,Y năm ngang như sau:

Hình 2.9: Sơ đồ

2.1.8 Tính toán tải trọng tương đương

Hệ thống dẫn hướng có thể chịu lực và moment theo 4 hướng đồng thời Các tải tác dụng đều

có thể phân tích thành tải hướng tâm và tải mặt bên để tính toán hệ số an toàn tĩnh và tuổithọ Nếu sử dụng 2 ray dẫn hướng thì tính tải trọng tương đường PE theo tải hướng kính PR

Pm là tải trọng tương đương

Pn là tải trọng biến thiên

L là tổng độ dài (mm)

Ln là độ dài tương ứng với tải Pn (mm)

e hệ số tương ứng với kiểu bi, kiểu đũa

2.2 Tính chọn ray dẫn hướng bàn X,Y

2.2.1 Các thông số ban đầu

Gia tốc tối đa a = 4 với vận tốc v = 20m/ph ta tính được thời gian đạt vận tốc t1 = t3 = 0.0825s,quãng đường tăng giảm tốc X1 = X3 = 0.014m, quãng đường chuyển động đều X2 = 572 đốivới bàn X và X2 = 372 đối với bàn Y

- Khi tính cho bàn Y, coi bàn X và phôi là một khối duy nhất có khối lượng bằng tổng haithành phần

Hình 2.12: Sơ đồ động va kích thước

Các thông số đầu vào tương ứng với bàn X,Y:

Thông số Bàn X Bàn YHành trình 600 400Khối lượng phôi 300 380Khối lượng bàn gá 80 150Vận tốc tối đa 20 20

Chuyển động nhanh dần 14 14Chuyển độn đều 572 372Chuyển động châm dần 14 14

2.2.2 Tính chọn ray dẫn hướng

Chọn model MSA 20 A cho ray dẫn hướng bàn X : C0 = 29.5kN, C = 19.2kNChọn model MSA 25 LA cho ray dẫn hướng bàn Y :C0 = 56.6kN, C = 34.4kN

Hình 2.13: Model ray và con chạy

Trong chuyển động đều, Pn

Trong chuyển động nhanh dần qua trái Pnla1,P tnla1

P1la3 = P1+ m1a3l6

2l1 +

m2a3l52l1 1332 4459

Trong chuyển đọng nhanh dần qua phải Pnra1

2.3 Tính tải tương đương

Trong chuyển động đều