NGHIÊN cứu và THIẾT kế máy PHAY CNC3D

Vì vậy, việc áp dụng điều khiển số vào máy công cụ là một bước tiến nhảy vọt về công nghệ gia công.. + Khung máy: Để tăng độ cứng vững cho máy, dễ cho quá trình chế tạo vàlắp ráp máy ta

Trang 1

sử dụng trong các máy gia công, chế biến Cho phép thực hiện các quy trình giacông trên cơ sở các thông số về kích thước, hình dáng của sản phẩm, chuyểnsang thành quỹ đạo chuyển động trên không gian ba chiều

I.2 Lịch sử hình thành và phát triển

Trước đây, các chi tiết máy hoặc khuôn mẫu phức tạp thường được chiathành những phần nhỏ, đơn giản Sau đó, chúng được ghép nối lại với nhauthành chi tiết hoàn chỉnh bằng phương pháp hàn, tán Việc gia công này khôngđảm bảo độ chính xác cao, chi phí tốn kém Sau này nhờ công nghệ chép hình cóthể gia công được những chi tiết phức tạp hơn Tuy vậy, việc gia công này vẫncòn nhiều nhược điểm như năng suất thấp và với khó đảm bảo độ chính xác cao

Vì vậy, việc áp dụng điều khiển số vào máy công cụ là một bước tiến nhảy vọt

về công nghệ gia công Nó đảm bảo độ chính xác cao, có thể gia công được cácchi tiết phức tạp

Vào những năm 80 của thế kỉ 19, những tấm thẻ đục lỗ được sử dụngtrong khung cửi ngành dệt Trước đó, trong ngành công nghiệp dầu mỏ và hoáchất đã sử dụng khái niệm này để điều khiển quá trình Những mẫu đàn piano cổcũng sử dụng nguyên lý điều khiển kiểu NC

Mẫu đầu tiên của máy công cụ điều khiển số NC – Numerical Control doViện công nghệ Massachusetts - Mỹ thiết kế và chế tạo năm 1949, theo đặt hàng

Trang 2

của Không lực Hoa kỳ, để sản xuất các chi tiết phúc tạp và chính xác của máybay Năm 1952, chế tạo thành công mẫu máy 3 trục và đến năm 1964 có 3500chương trình NC được sử dụng Tuy nhiên, các bộ điều khiển số đầu tiên dungđèn điện tử nên tốc độ xử lý chậm, tiêu tốn nhiều năng lượng, kích thước lớn.Không có màn hình giao diện nên việc điều khiển gặp khó khăn Khi công nghệbán dẫn phát triển, việc ứng dụng công nghệ bán dẫn làm cho máy NC gọn hơn,tốc độ xử lý cao hơn Các băng đục lỗ thay bằng băng hoặc đĩa từ Nhưng tínhnăng sử dụng của máy NC vẫn chưa được cải thiện

Sự xuất hiện IC (1959), LSI (1965), vi xử lý ( 1974) và các tiến bộ kỹthuật vể lưu trữ và xử làm thay đổi to lớn trong sự phát triển của máy công cụ.Các bộ điều khiển trên máy công cụ được tích hợp máy tính Việc điều khiểnthông qua bàn phìm và giao diện màn hình máy tính nên việc điều khiển trở nên

dễ dàng hơn

Chúng ta đã có bước tiến từ ống chân không và máy cơ khí lặp lại tớicông nghệ cao dòng điện tích hợp dày đặc Khả năng của điều khiển tới phátsinh của 3 kích thước tạo hình được mở rộng Ngày nay, bộ vi xử lý điều khiển(CNC) có khả năng xử lý cao Nó có thể đưa ra lệnh điều khiển, cất giữ, phântích chương trình và giao diện với người sử dụng Đồng thời nó có thể giám sátchất lượng sản phẩm, thay đổi dụng cụ khi cần thiết và truyền thông với các máytính khác, robot như việc tải và gửi chương trình Những máy CNC có thể phântích những vấn đề bên trong và cảnh báo cho người sử dụng biết những vấn đềnguy hiểm Sự khác nhau lớn nhất giữa máy NC và CNC là khả năng của bộđiều khiển Máy NC không có khả năng phân tích, giám sát như máy CNC

Hiện nay, với việc áp dụng Cad/Cam (thiết kế và sản xuất có trợ giúpcủa máy tính) vào việc thiết kế, tính toán kết cấu, mô phỏng quá trình gia công

đã trợ giúp hiệu quả cho quá trình thiết kế và điều khiển

HV: Trương Văn Hợi Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ khoa học

Trang 3

Chính vì những tính năng nổi bật của máy CNC mang lại nên chúng được

sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới Ở nước ta, trong hơn 10 năm qua Nhà nước

đã đầu tư nhiều nhằm mục tiêu tạo ra thiết bị CNC

I.3 Lợi ích của máy CNC

I.3.1 Tự động hóa sản xuất

Máy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà còn trongnhiều ngành khác như may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất cứ máy CNC nàocũng cải thiện trình độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậmchỉ không còn phải can thiệp vào hoạt động của máy Sau khi nạp chương trìnhgia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, vànhư vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc dolỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành khôngđòi hỏi phải có kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụtruyền thống

I.3.2 Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm

Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chínhxác và độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Mộtkhi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảocho “ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vôcùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn

I.3.3 Linh hoạt

Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy mộtchương trình gia công mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, côngnghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với cácthay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm của khách

Trang 4

Xuất phát từ các ứng dụng ban đầu của công nghệ chế tạo máy, chủ yếu làgia công cắt gọt kim loại, hiện tại CNC được dùng trong nhiều loại máy thuộccác lĩnh vực khác nhau: trải dài từ chế tạo máy tới ngành dệt may, điều khiểnrobot hay chế tạo thiết bị điện tử Từ dạng thiết bị NC (Numerical Control) đơngiản bằng vi mạch Lôgic rời ở đầu thập kỉ 70 (của thế kỉ trước) tới CNC ngàynay sử dụng các loại vi điều khiển với tính năng mạnh Trong nhiều ứng dụng,thậm chí ta không thể hình dung ra được sự thiếu vắng của CNC, đặc biệt làcông nghệ chế tạo máy, ngành công nghệ đẻ ra các máy cái, phục vụ cho mọingành công nghiệp khác Chính vì vậy, thật dễ hiểu khi chúng ta – một đất nướccòn chậm phát triển – đã và đang nỗ lực tìm ra con đường đi để tiến tới thiết bịCNC của riêng mình Bây giờ chúng ta sẽ đi vào một số máy ứng dụng cụ thể:

Trang 5

Hình 1.1: Mô hình máy khoan CNC loại 2 và 3 trục

Hình 1.2: Hai dạng máy khoan đứng với khả năng tự động thay mũi khoan

Hình 1.3: Máy phay 5 trục có trục chính nằm ngang

Trang 6

Hình 1.4: Máy phay 5 trục có trục chính thẳng đứng

Hình 1.5: Máy phay 5 trục loại thay dao thủ công (trái) và loại có 4 trục chính

song song (phải)

Trang 7

Hỡnh 1.6: Mỏy phay CNC

Chơng II: thiết kế cơ khí

* Đặt yêu cầu thiết kế

- Thiết kế loại máy phay CNC 3 trục loại nhỏ với giá thành hợp lý

1 GIỚI THIỆU VỀ KẾT CẤU THễNG SỐ MÁY PHAY CNC.

* Thông số kỹ thuật dự kiến đạt đợc sau khí chế tạo:

Trang 8

+ Khung máy: Để tăng độ cứng vững cho máy, dễ cho quá trình chế tạo vàlắp ráp máy ta chọn vật liệu là khung là nhôm hợp kim A5052H112.

+ Trục chay dao: Đây là bộ phận quan trọng ảnh hởng trực tiếp tới chất ợng của sản phẩm gia công.Để giảm sai số gia công, ma sát chuyển động ta sửdụng thanh trợt bi, vít me - đai ốc bi và sử dụng bộ chuyền động đai răng

l-+ Mạch công suất: Thiết kế mạch công suất sử dụng mosfet để tăng côngsuất điều khiển, sử dụng đợc động cơ có dòng điều khiển lớn

+ Điều khiển: Lập trình điều khiển phối hợp các trục, xây dựng các modul bộ nộisuy.Sử dụng Visual Basic để thiết kế giao diện

II.1 Thiết kế hệ chuyển động chay dao.

hỡnh 2.1: truyền động chay dao

Cấu trúc của một hệ truyền động chạy dao đợc thể hiện nh trờn Hệ truyền động bao gồm: một động cơ dẫn động qua một cặp truyền động nữa đi tới bộ vít me-đai ốc biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Đó là phơng thức tiêu chuẩn của một hệ truyền động chạy dao hiện đại

II.1.2 Nhiệm vụ của truyền động chạy dao

Trang 9

Nhiệm vụ chính của các hệ truyền động chạy dao là chuyển đổi các lệnhtrong bộ điều khiển thành các chuyển động tịnh tiến hay quay tròn của nhữngbàn máy mang dao hoặc chi tiết gia công trên máy công cụ Các chuyển độngtịnh tiến là các chuyển động thẳng theo phơng ba trục toạ độ của không gian bachiều, còn các chuyển động quay tròn là các chuyển động xung quanh các trụctoạ độ này.

Chuyển động chạy dao là chuyển động dịch chuyển tơng đối giữa dao và chi tiếttheo một phơng trình xác định và phải đảm bảo đợc tốc độ cắt

Truyền động chạy dao phải đảm bảo dịch chuyển của dụng cụ cắt theo quỹ đạo

và đảm bảo các yếu tố: biên dạng đờng cắt, biên dạng của dụng cụ cắt và các yêucầu chi tiết gia công khác phải đạt đợc, do đó sẽ có các động cơ khác nhau điềukhiển chuyển động cắt

Hệ truyền động chạy dao của một máy công cụ CNC phải thể hiện đợc nhữngtính chất sau đây:

+ Có tính động học cao: nếu đại lợng dẫn biến đổi, bàn máy phải theokịp biến đổi đó trong khoảng thời gian ngắn nhất

+ Có độ ổn số vòng quay cao: khi các lực cản chạy dao biến đổi, cầnhạn chế tới mức thấp nhất ảnh hởng của nó đến tốc độ chạy dao, tốt nhất làkhông ảnh hởng gì Ngay cả khi chạy dao tốc độ nhỏ nhất cũng đòi hỏi một quátrình tốc độ ổn định

+ Phạm vi điều chỉnh số vòng quay lớn

+ Phải giải quyết đợc cả độ phân giải kích thớc nhỏ nhất ( 1m)

II.1.3 Cơ sở tính toán cho chuyển động chạy dao.

Lực tác dụng lên đai ốc đợc tính theo công thức:

F =

Trong đó: μ - hệ số ma sát giữ vít me và đai ốc;

β - Góc nghiêng của biên dạng ren;

tv - bớc vít me, mm;

F - lực tác dụng lên vít me - đai ốc, N;

T – Mô mem đặt lên trục vít me, N.m;

Trang 10

dm- đờng kính danh nghĩa của trục vít me, mm.

Trang 11

II.1.4 Tr c vớt me - đai c ục vớt me - đai ốc ốc

II.2.1 Xác định thông số dao sử dụng

Với yêu cầu của thiết kế, ta chọn dao gia công là dao phay ngón

Trang 12

II.2.2 Ph©n tÝch lùc t¸c dông lªn ®Çu dao

hình 2.2: Ph©n tÝch lùc t¸c dông lªn ®Çu dao

Trang 13

Tổng hợp lực R1 có thể đợc chia ra 2 thành phần: Lực vòng P (lực Pz) tácdụng theo tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động của lỡi cắt và lực hớng kính Py.

Ngoài ra tổng hợp lực R1 có thể đợc chia ra: lực năm ngang Ph và lựcthẳng đứng Pv Nếu dao có rang xoắn (răng nghiêng) ngoài lực R1 tác dụng lênrăng dao trong mặt phẳng vuông góc với trục dao, còn xuất hiện lực dọc trục P0,khi đó tổng hợp lực sẽ là R

II.2.3 Xác định công suất và mômen xoắn trên trụ động cơ

Lực P là lực cần quan tâm nhất, vì nó thực hiện công việc chính để cắtphoi Dựa theo lực này mà ngời ta tính ra công suất cắt và tính các chi tiết của cơcấu chuyển động chính của máy Lực hớng kính Py gây ra áp lực lên ổ bi củatrục chính của máy và uốn võng trục dao Dựa theo lực nằm ngang Ph (lực chạydao) Ngời ta tính cơ cấu chuyển động chay dao và đồ gá kẹp phôi Lực này cóthể gây ra rung động khi giữa vít me - đai ốc có khe hở Lực hớng kính Pv có xuhớng nâng phôi lên khỏi mặt bàn và nâng bàn máy lên khỏi thân máy

Để tính lực Pz ta dựa vào giáo trình “ Sổ tay công nghệ chế tạo máy”

Trang 14

Cv : hệ số xét đến vật liệu gia công và điều kiện khi tính vận tốc cắt.

D1 : đờng kính dao phay

T1 : tuổi bền trung bình của dụng cụ cắt

t : chiều sâu phay

Số vòng quay trong 1 phút của dao :

Trang 15

Các giá trị trên đợc tính cho gia công phôi là thép carbon.Với yêu cầu của

đồ án này ta có thể áp dụng các giá trị tính toán trên cho kế quả gia công với vậtliệu là nhôm

Trang 16

T2 = 60 (phút)

Theo b ng (2-1) trang 15:ảng (1-5)

Trang 17

Tốc độ quay này là rất lớm so với thực tế chế tạo, vì vậy ta chọn tốc độquay của động cơ là: ntt2 = 1500(vòng/phút)

Các giá trị trên đợc tính cho gia công phôi là thép carbon.Với yêu cầu của

đồ án này ta có thể áp dụng các giá trị tính toán trên cho kế quả gia công với vậtliệu là nhôm

Cp = 68,2; xp = 0,86; yp = 0,72; up = 1,0; ωp = 0; qp = 0,86

Trang 19

Hỡnh 2.3: Lực chiều trục khi khoan

P0 = Cp.Dzp.Syp.Kmp (KG)

Trong đó:

Cp : hệ số đối với lực chiêu trục xét đến điều kiện cắt nhất định

D : đờng kính dao

S : lợng chạy dao khi khoan

Kmp = KmM : hệ số hiệu chỉnh khi tính chất cơ lý của vật liệu khácvới điều kiện đang xét

zp; yp : chỉ số mũ xét đến ảnh hởng của đơng kính dao, lợng chạydao

Ta thấy lực P0 tỷ lệ thuận với đờng kính dao D, vì vậy ta chọn dao có đờngkính lớn nhất để tính

* chọn dao: - Đờng kính dao: D = 5mm

Trang 20

II.3.2 Công suất động cơ trục Z

z

Z3 F'msz Fmsz Z2 Z1

Z

Hỡnh 2.4: Lực động cơ lờn trục z

- Tổng khối lợng động cơ đầu cắt và bàn mang đầu cắt : mz = 2(kg)

⇒ Trọng lực ấn đầu dao xuông:

Trang 21

Tốc độ quay truc Z lớn nhất :

Trong đó: η dcz : hiệu suất động cơ ( chọn η dcz = 0,95)

Kz : hệ số quá tải cho phép ( Kz = 1,3 – 1,5 )

Chọn Kz = 1,5

η z = η knz. η obz. η vmz

Theo giáo trình “ tính toán thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí”- Trịnh Chất– Lê Văn Uyển.Bảng (2.3)

η knz : hiệu suất khớp nối Chọn η knz = 1

η obz : hiệu suất ổ bi Chọn η obz = 0,99

η vmz: hiệu suất vít me Chọn η vmz = 0,99

⇒ η z = 1.0,99.0,99 = 0,98

Trang 22

⇒ NDCZ =

0,714.27,9 0,95.0,98 .1,5 = 32,1 (W)

Ftty = Pmy η tty = mz.g η tty = 3.9,8.0.1 = 2,94 (N)

Để tính chọn công suất động cơ trục Y, ta tính chọn khi lực tác dụng lên

đầu dao theo phơng Y là lớn nhất

Các thành phần lực cắt theo phơng X, Y đợc xác định theo tỷ lệ đối với lựccắt vòng P

- Phay nghịch:

Py = (0,6 – 0,8)P; Ph = (1,1 – 1,2)P; Pv = (0,2 – 0,3)P

Trang 24

Y1 = Y.cos250 = 265,34.cos250 = 240,5(N)

Y2 = Y.sin250 = 265,34.sin250 = 112,14(N)

Y3 = Y2.cos250 = 112,14.cos250 = 101,6(N)

- Lực ma sát tác dụng lên vítme:

Fvmy = Y1 η vmy = 240,5.0,1 = 24,05(N)

⇒ Lực ma sát chiếu lên phơng vuông góc với trục vitme:

F’vmy = Fvmy.cos250 = 24,05.cos250 = 21,8(N)

⇒ Tổng hợp lực tác dụng lên vitme theo phơng vuông góc với trụcvitme:

Trong đó: η dcy : hiệu suất động cơ ( chọn η dcy = 0,95)

Trang 25

Ky : hệ số quá tải cho phép ( Ky = 1,3 – 1,5 )

Chọn Ky = 1,5

η y = η dy. η oby. η vmy

η dy : hiệu suất bộ truyền đai Chọn η dy = 0,96

η oby : hiệu suất ổ bi Chọn η oby = 0,99

η vmy: hiệu suất vít me Chọn η vmy = 0,99

II.5 Chọn động cơ trục X

Trang 26

* Sơ đồ lực tác dụng lên thanh trợt:

Pmx

Fmsx

Hỡnh 2.7: Lực động cơ lờn trục x

- Khối lợng trục Y và 2 thanh đứng: my = 7(kg)

Tổng khôi lợng trục Z, trục Y và 2 thanh đứng tác dụng lên thanh trợt Xlà: mx = 3 + 7 = 10(kg)

Trang 27

x

Fvmx F'vmx X3 X1

Trang 28

⇒ Mômen xoăn tác dụng lên trục vitme :

Trong đó: η dcx : hiệu suất động cơ ( chọn η dcx = 0,95)

Kx : hệ số quá tải cho phép ( Kx = 1,3 – 1,5 )

Chọn Kx = 1,5

η x = η dx. η obx. η vmx

η dx : hiệu suất bộ truyền đai Chọn η dx = 0,96

η obx : hiệu suất ổ bi Chọn η obx = 0,99

η vmx: hiệu suất vít me Chọn η vmx = 0,99

⇒ η x = 0,96.0,99.0,99 = 0,94

Tốc độ quay trục X lớn nhất :

Trang 29

* Bảng thông số về công suất và mômen động cơ sử dụng:

II.6 Tính toán thiết kế bộ truyền động

Để tính toán, thiết kế bộ truyền động ta dựa trên giáo trình “ Tính toánthiết kế hệ thống dẫn động”- Trịnh Chất - Lê Văn Uyển

II.6.1 Bộ truyền động trục Z

Trang 30

Máy CNC đợc thiết kế là loại 2,5D và nguyên công gia công chỉ là cắt vàtạo rãnh trên phôi Vì vậy để đơn giản cho việc chế tạo và lắp ráp, chúng emchấp nhận sai số lớn hơn ở trục Z và sử dụng khớp nối trục là khớp đàn hồi với

đĩa hình sao để nối trục động cơ và vitme

- Mômen xoắn trên trục động cơ là:

Trang 31

⇒ Khớp nối đủ an toàn với ứng suất dập.

* Kiểm tra mômen xoắn:

II.6 2 Bộ truyền động trục Y

Trục X, Y dùng để điều khiển chạy dao cắt theo biên dạng mong muốn.Vì vậy cần điều khiển chính xác về vị trí và tốc độ Để làm đợc nh vậy ta cần sử

Trang 32

đơn giản cho việc lắp ráp, chế tạo ta sử dụng bộ truyền động đai răng.

Đai răng là loại đai dẹt đợc chế tạo thành vòng kín, có răng ở mặt trong khi vàotiếp xúc với bánh đai, các răng của đai sẽ ắn khớp với các răng trên bánh đai Dotiếp xúc bằng ăn khớp, truyền động đai răng có những u điểm sau: không có trợt,

tỉ số truyền lớn (u≤12), hiệu suất cao, không cần lực căng ban đầu lớn, lực tácdụng lên trục và ổ nhỏ Đai răng đợc chế tạo bằng cao su trộn với nhựa natrichoặc đợc đúc từ cao su poliuretan Lớp chịu tải chủ yếu là dây thép, sợi thuỷ tinhhoặc sợi poliamit

banh dai nho

banh dai lon

Trong đó: Py: Công suất trên bánh đai chủ động (kW)

ndcy: Số vòng quay trên bánh đai chủ động(vòng/phut)

Py = NDCY = 11,57 (W) = 11,57.10-3 (kW)

ndcy = 100(vòng/phút)

Trang 34

Theo bảng (4.30) chọn zdy = 50 (răng) và chiều dài đai răng ldy=314(mm)

Từ chiều dài đai răng ta xác định lại khoảng cách trục:

Trang 35

- §êng kÝnh ngoµi cña b¸nh ®ai:

VËy Za1y = 8,4 > 6 ⇒ tho¶ m·n ®iÒu kiÖn vÒ sè r¨ng ¨n khíp

II.6 2.3 KiÓm nghiÖm ®ai vÒ lùc vßng riªng

Lc vßng riªng trªn ®ai ph¶i tho¶ m·n ®iÒu kiÖn:

Trang 36

qmy: khèi lîng 1m ®ai cã chiÒu réng 1mm

u = 0,95HV: Trương Văn Hợi Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ khoa học

Trang 37

34,8(mm) 52,8(mm)

36(mm) 54(mm)

II.6 3 Bộ truyền động trục X

banh dai nho

banh dai lon

Trang 38

II.6 3.1 Xác định môdun và chiều rộng đai

Trong đó: Px: Công suất trên bánh đai chủ động (kW)

ndcx: Số vòng quay trên bánh đai chủ động(vòng/phut)

Theo bảng (4.29) chọn số răng của bánh đai nhỏ:

Trang 39

Theo bảng (4.30) chọn zdx = 56 (răng) và chiều dài đai răng ldx=351,7(mm)

Từ chiều dài đai răng ta xác định lại khoảng cách trục:

Trang 40

89,25 .57,3

0

=1570HV: Trương Văn Hợi Luận văn tốt nghiệp thạc sỹ khoa học

Định dạng
Số trang	87
Dung lượng	2,82 MB