Giao trinh tinh chon he thong dan huong

hướng dẫn đồ án thiết kế cơ khí,.....:: Thiết kế hệ thống dẫn hướng dùng cho máy phay cnc 3 trục...... Tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống vít me bi, hệ thống ray hướng dẫn cho trục X, và Y , chọn ổ bị... Tính toán lựa chọn động cơ điện phù hợp để điều khiển trục X và Y...

NỘI DUNG

CHƯƠNG І TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY CNC 4

1.1 Khái niệm về máy điều khiển số 4

1.2 Kết cấu và hệ thống dẫn động máy CNC 5

CHƯƠNG ІІ: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG HỆ BÀN MÁY CNC 6

2.1 Tính chọn vít me: 6

2.1.1 Kết cấu bộ truyền vitme đai ốc bi 6

2.1.2 Tính chọn vitme bi 7

2.1.3 Ví dụ quá trình tính toán lựa chọn trục vít 17

2.2 Tính chọn ray dẫn hướng 25

2.2.1 Quy trình tính toán 26

2.2.3 Momen tĩnh cho phép M0 27

2.2.4 Hệ số an toàn tĩnh 27

2.2.5 Hệ số tải trọng động định mức C 28

2.2.6 Tính toán tuổi bền danh nghĩa L 28

2.2.7 Tính toán tuổi bền dịch vụ theo thời gian 29

2.2.8 Hệ số ma sát 30

2.2.9 Tính toán tải trọng làm việc 30

2.2.10 Tính toán tải trọng tương đương 33

2.2.11 Tính toán tải trọng trung bình 34

2.2.12 Ví dụ tính toán 34

Chương III: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ 39

3.1 Các bước tính chọn động cơ và inverter 39

3.2 Chọn động cơ servo để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục Ox và trục Oy 40

3.2.1 Tính mô men ma sát: 40

3.2.2 Tính mô men thắng trọng lực của kết cấu 40

3.2.3 Tính vận tốc dài: 40

3.2.4 Tính mô men máy: 40

3.2.5 Tính mô men tĩnh: 41

3.2.6 Tính tốc độ quay của motor: 41

Tài liệu tham khảo 42

LỜI NÓI ĐẦU

Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ trong thời giangần đây, tự động hóa sản xuất có một vai trò quan trọng Nhận thức được điều này, trongchiến lực công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế đất nước, công nghệ tự động được

ưu tiên đầu tư và phát triển

ở các nước có nền công nghiệp phát triển việc tự động hoá các ngành kinh tế, kỹthuật trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỷ trước đây Một trong nhữngvấn đề quyết định của tự động hoá ngành cơ khí chế tạo là kỹ thuật điều khiển số và côngnghệ trên các máy điều khiển số

Các máy công cụ điều khiển số (NC và CNC) được dùng phổ biến ở các nước pháttriển Trong những năm gần đây NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và được sửdụng rộng rãi tại các viện nghiên cứu và các công ty liên doanh Máy công cụ điềukhiển số hiện đại (các máy CNC) là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưngcho ngành cơ khí tự động Vậy để làm chủ được công nghệ cần làm chủ được các thiết bịquan trọng và điển hình

Trong các máy công cụ điều khiển số CNC thì việc đảm bảo điều kiện bền của cácthiết bị dẫn động bàn máy, cụm trục chính và ảnh hưởng của chúng đến dao động của bànmáy là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế máy CNC Đảm bảo những điều kiệnnày sẽ giúp cho quá trình gia công liên tục, sai số trong quá trình gia công là nhỏ nhất,góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng máy

Việc tính toán lựa chọn các thiết bị dẫn động là một công việc đòi hỏi sự chính xác

và hợp lí để có thể lựa chọn được thiết bị phù hợp nhất với nhu cầu sử dụng, đảm bảođiều kiện bền và tính kinh tế Thông thường với mỗi máy nhất định, người sản xuất phảitính toán cho từng thiết bị rất vất vả, và khi sản xuất một loại máy mới lại phải tính chọnlại từ đầu

Quyển sách này trình bày về quá trình thiết lập công thức tính, xây dựng chươngtrình tự động tính chọn các thiết bị dẫn động và phương pháp tính chọn động cơ điện đểđiều khiển dịch chuyển theo các trục Đây là một bài toán điển hình giúp sinh viên tíchlũy được những kiến thức cơ bản về máy điều khiển số, sử dụng các kiến thức tổng hợp

từ các môn học để vào giải một bài toán kỹ thuật cơ bản

Để cuốn sách ngày càng được hoàn thiện hơn, chúng tôi rất mong nhận được sựđóng góp quý báu của các độc giả.

Hà Nội, ngày 20 tháng 12 năm 2011

Nhóm tác giả

CHƯƠNG І TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY CNC

1.1 Khái niệm về máy điều khiển số

Điều khiển số ra đời cách đây trên 30 năm đã tác động mạnh mẽ đến ngành chếtạo máy, đã tạo ra những máy mới và công cụ tự động hoá kết cấu cơ khí mới Máy điềukhiển số CNC-Computer Numerical Control là máy công cụ điều khiển theo chương trình

số, quá trình gia công được thực hiện một cách tự động Trước khi gia công người ta đưavào hệ thống điều khiển một chương trình gia công dưới dạng một chuỗi các lệnh điềukhiển Hệ thống điều khiển số cho khả năng thực hiện các lệnh này và kiểm tra chúngnhờ một hệ thống đo dịch chuyển của các bàn trượt của máy

 Các loại máy CNC phổ biến hiện nay gồm có:

• Máy khoan tia lửa điện CNC

• Máy cắt dây CNC

 Ưu điểm của máy CNC

So với các máy công cụ thông thường, máy CNC có nhiều nét ưu việt hơn, thểhiện ở các điểm sau:

 Gia công được các chi tiết phức tạp hơn

 Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn

 Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao và giảm thời gianphụ

 Tính linh hoạt cao hơn

 Độ lớn loạt tối ưu nhỏ hơn

 Độ chính xác gia công cao và ổn định đều

 Chi phí kiểm tra giảm

 Chi phí do phế phẩm giảm

 Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất

 Giảm số nhân công

 Hiệu suất cao

 Tăng năng lực sản xuất.

 Có khả năng tích hợp trong hệ thống gia công linh hoạt.\

- Các bộ điều khiển, động cơ bố trí ở mỗi bàn máy,…

Hình 1.1 Máy tiện phay CNCThông thường, bàn máy gắn chặt với các block, dịch chuyển nhờ lực đẩy của vít

me và trượt trên hai thanh ray dẫn hướng Trong các máy CNC, đặc biệt là máy phay caotốc, việc đảm bảo điều kiện bền của các thiết bị dẫn động là một phần rất quan trọngtrong quá trình tính toán và lựa chọn thiết bị

CHƯƠNG ІІ: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG HỆ BÀN MÁY CNC

Các thiết bị dẫn động có một vai trò quan trọng trong máy CNC, là nhân tố chínhđảm bảo sự vận hành và gia công chính xác của máy Việc tính toán lựa chọn các thiết bịdẫn động là một công việc bắt buộc và phức tạp với rất nhiều công thức cần thiết lập Vìvậy, để thuận tiện cho công việc lựa chọn thiết bị dẫn động, trong chương này chúng ta đixây dựng công thức tính toán và chương trình tính chọn các thiết bị dẫn động

Nội dung chương này gồm có

• Tính chọn vít me

• Tính chọn block, thanh ray dẫn hướng

Các tính toán ở đây được thực hiện theo catalog của hãng NSK

2.1 Tính chọn vít me:

Hình 2.1 Trục vít me dùng trong máy CNC

2.1.1 Kết cấu bộ truyền vitme đai ốc bi

2.1.1.1 Kết cấu chung:

Bộ truyền vít me - đai ốc bi thường được dùng trong chuyển động chạy dao của

máy công cụ NC, CNC và dùng trong các máy công cụ chính như máy mài, máy doa tốc

độ và các loại máy khác Đôi khi còn dùng trong máy tiện, máy tổ hợp, dùng trong truyềndẫn di động xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng Ngoài dẫn ra còn dùng trong bộ

truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường, máy chuốt

- Gần như độc lập hoàn toàn với lực ma sát (biến đổi theo tốc độ), ma sát tĩnh rất

bé nên chuyển động êm

Hình 2.2 Kết cấu sơ bộ của vít me đai ốc biKết cấu bộ truyền vít me - đai ốc bi hình trên bao gồm trục vít me, đai ốc, dòng bichuyển động trong vít me - đai ốc và ống hồi bi đảm bảo dòng bi tuần hoàn liên tục.2.1.1.2 Các dạng prôfin ren của vít me và đai ốc như sau

Dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung tròn và dạngrãnh (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 độcứng 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 2.3 Các dạng profin ren vít me và ổ biDạng 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

2.1.2 Tính chọn vitme bi

Chọn kiểu trục vít me chính xác(Precision Ballscrew) Quá trình tính toán như hình vẽ sau:

Hình 2.4 Sơ đồ tính chọn vít me bi

- nmax: Tốc độ quay lớn nhất của động cơ dẫn động vít me

- Vmax: Tốc độ dịch chuyển lớn nhất của bàn máy

- amax: Gia tốc lớn của bàn máy

Trong đó: α : hệ số an toàn (α =0.5 )

E : Suất Young (E=2,1.104 kgf/mm2)

I : mômen quán tính hình học min của trục vitme

4 4

- support-support : m=5,1 (N=1)

- fix-support : m=10,2 (N=2)

- fix-fix : m=20,3 (N=4)

- fix-free : m=1,3 (N=1/4)

b Tải kéo nén cho phép:

Tải kéo nén có thể tính theo công thức:

P : tải trọng kéo nén cho phép (kgf)

σ : ứng suất kéo nén cho phép

A: diện tích tiết diện của trục vitme

Trong đó: n : tốc độ vòng quay giới hạn

α : hệ số an toàn, α =0.8

E : Suất Young (E=2,1.104 kgf/mm2)

I : mômen quán tính hình học min của trục vitme

4 4

b dm.n – Giá trị của vitme

dm là đường kính trục vít, n là tốc độ quay lớn nhất Giá trị dm.n liên quan và ảnh

hưởng đến tiếng ồn, độ tăng nhiệt độ , tuổi đời làm việc, vòng bi của vitme Nói

chung, giá trị này được lựa chọn theo mẫu Trên thực tế, giá trị này được quyết định bởi cách lắp đặt phần cuối vitme và khoảng cách giữa chúng

- Đối với độ chính xác cao : dm.n≤70000

 Chạy đều (về bên trái): F2 =µmg+ f

 Gia công (về bên trái): F a3 =F m +µ(mg F+ mz)+ f

 Giảm tốc (về bên trái): F3 =µmg ma f− +

 Tăng tốc (về bên phải): F4 = −µmg ma f− −

 Chạy đều (về bên phải): F5 = −µmg− f

 Gia công ( về bên phải): F a5 = − −F m (µmg F+ mz)− f

 Giảm tốc (về bên phải):

 Tăng tốc (Đi lên): F a1 =ma+mg

 Chạy đều (Đi lên): F mg

a2 =

m mz

 Gia công (Đi xuống):

mz m

i i i t n

t n F

2.1.2.5 Tính toán tải trọng tĩnh (C0), tải trọng động (Ca)

Các công thức tính tương ứng:

max

a s

- fs : Hệ số bền tĩnh, với máy công cụ fs = 1,5 – 3

- f w : Hệ số tải trọng, được cho theo bảng 2.5

Hình 2.9 Sơ đồ tính lực

- l: chiểu dài khoảng làm việc(mm)

- fw: hệ số lực, tra theo bảng bên

2.1.2.7 Tính toán momen

2.1.2.7.1 Momen điều khiển trục vít

a Điều khiển thông thường:

Là momen cần sinh ra khi chuyển từ chuyển động quay sang chuyển động tịnh

× η1: hiệu suất của quá trình

b Điều khiển đảo:

Là momen cần sinh ra khi chuyển từ chuyển động tịnh tiến sang chuyển độngquay(momen phát động nằm ở phần tịnh tiến):

2

2

a b

c Momen do tải trọng đặt trước:

Momen ma sát sinh ra do tải trọng đặt trước của trục vít:

0

2

a p

a Khi chạy với tốc độ không đổi:

Momen phát động = Momen do tải đặt trước + Momen ma sát trên trục vit + Momen ma

- F0: tải đặt trước

- F a: lực dọc trục

- T B: Momen ma sát ở ổ đỡ

- N1, N2: số vòng quay bánh răng 1 &2

Hình 2.10 Sơ đồ tính mô men phát động của động cơ

b Khi chạy với gia tốc không đổi:

2 1

2 2

- J M: momen quán tính động cơ

- J G1, J G2 : momen quán tính của bánh răng 1&2 trong bộ truyền

- J SH: momen quán tính của trục vit

- J w: momen quán tính của các phần dịch chuyển(bàn máy, ổ bi,…)

- J C: momen quán tính của phần ghép nối

- m: tổng khối lượng

- β: gia tốc góc của động cơ.

• Momen quán tính của hình trụ:

kg m

ρππγ

=

=

=

2.1.3 Ví dụ quá trình tính toán lựa chọn trục vít

2.1.3.1 Tính toán trên máy phay

Hình 2.11 Sơ đồ tính toán trục vít2.1.3.1.1 Các thông số

a Các thông số của máy:

7( )2000

7

2 7

60

102

f

λα

dr≥ mm Do đó, lấy đường kính trục vit nằm trong khoảng 20mm đến 50mm.

- Nếu l=10mm→dr≥10.8(mm), nếu tốc độ vòng yêu cầu lớn hơn 1400 vong/ph thì

11( )

dr≥ mm Do đó, lấy đường kính trục vit nằm trong khoảng 16mm đến 50mm.

e Xem xét độ cứng : xem thêm trong catalog của hãng PMI

Từ độ cứng yêu cầu và các yếu tố bên trên, ta chọn được một số series phù hợp nhưsau:

Kết hợp với các yếu tố kinh tế….v…, ta chọn series sau

f Chiều dài trục vitme

L= tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài ổ bi + chiều dài vùng thoát

1000 180 100 1280 1300

g Kiểm tra sơ bộ

Tuổi thọ làm việc:

3 6

3 6

11060

- Thời gian cần thiết để đạt tốc độ lớn nhất là 0.15s

a.momen quán tính khối:

- Momen ước lượng : T M >T L

- Momen khối lượng của roto: J M ≥J L/ 3

Từ các điều kiện trên, ta chọn động cơ có các thông số như sau:

d Kiểm tra thời gian cần thiết để đạt được vận tốc cực đại:

'

260

Do vậy, trục vitme đảm bảo an toàn.

2.1.3.2 Tính toán cho trường hợp bàn gá phôi di chuyển theo phương ngang hoặc thẳng đứng

Tính toán tương tự như trên, có thể thao khảo thêm trong catalog Technique support của PMI

2.2 Tính chọn ray dẫn hướng

Hình 2.12 Hình dạng của ray dẫn hướng

2.2.1 Quy trình tính toán

Hình 2.13 Quy trình tính toán ray dẫn hướng

2.2.2 Hệ số tải tĩnh C0

Tải trọng tĩnh định mức C0 được đặt

theo giới hạn tải trọng tĩnh cho phép

Sự biến dạng tập trung không đổi sẽ

tăng giữa kênh dẫn và bi lăn khi ray

dẫn hướng nhận tải trọng thừa hay

chịu va đập diện rộng Nếu độ lớn của

biến dạng vượt quá giới hạn cho phép,

nó sẽ cản trở sự di trượt của ray dẫn

hướng

2.2.3 Momen tĩnh cho phép M0

Mômen tĩnh cho phép M0 được đặt theo giới hạn của mômen tĩnh

Khi 1 mômen tác dụng vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu áp lực lớn nhất giữa các áp lực phân bố trên toàn bộ bi lăn của hệ thống

2.2.5 Hệ số tải trọng động định mức C

Thậm chí khi các ray dẫn hướng như nhau được sản xuất theo cùng một cách và chịu tác dụng dưới điều kiện như nhau, tuổi bền dịch vụ cũng khác nhau Vậy nên, tuổi bền dịch vụ được sử dụng như một chỉ tiêu xác định tuổi bền của hệ thống ray dẫn hướng.Tải trọng định mức động C được sử dụng để tính toán tuổi bền dịch vụ khi hệ thống ray dẫn hướng chịu tải Tải trọng định mức động C được xác định như một tải trọng có

hướng và độ lớn khi nhóm các ray dẫn hướng làm việc cùng điều kiện, tuổi bền trung bình cuả ray dẫn hướng là 50 km( nếu bộ phận lăn là bi )

2.2.6 Tính toán tuổi bền danh nghĩa L

Tuổi bền danh nghĩa của ray dẫn hướng chịu ảnh hưởng của tải trọng làm việc thực tế Tuổi bền danh nghĩa có thể được tính toán dựa trên tải trọng động định mức và tải trọng làm việc thực tế

Tuổi bền của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn của hệ số môi trường như độ cứng vững của đường ray , nhiệt độ môi trường , điều kiện chuyển động Vì vậy,những thông

số này có trong tính toán tuổi bền danh nghĩa

nhân với hệ số cững vững trong tính toán Bảng dưới đây là đồ thị độ cứng vững đảm bảoHRC lớn hơn 58, do đó f H =1.0

 Với hệ số nhiệt f T: Khi nhiệt độ điều khiển lớn hơn 100 độ C, tuổi bền danh nghĩa

sẽ giảm bớt Do đó tải trọng động và tĩnh định mức sẽ được nhân với hệ số nhiệt

độ trong tính toán Xem hình bên dưới Nhiều phần của ray được làm từ nhựa và cao su, nên nhiệt độ phải dưới 100 độ C là tốt nhất Các yêu cầu đặc biệt phải liên

hệ với nhà sản xuất

 Hệ số tải trọng fw : Mặc dù tải trọng làm việc của ray đã đước xét trong tính toán, nhưng tải trọng thực tế hầu hết đều cao hơn khi tính toán Đó là do rung động và va đập khi máy chuyển động Rung động xảy ra khi điều khiển tốc độ cao, va đập xảy ra khi máykhởi động lại và dừng máy

Do đó, xét đến tốc độ chuyển động và rung động, tải trọng động định mức phải được chia cho hệ số tải trọng theo bảng bên cạnh

2.2.7 Tính toán tuổi bền dịch vụ theo thời gian

Khi tuổi bền danh nghĩa đã được xét đến , tuổi bề

dịch vụ được tính toán theo những thông số có

được khi chiều dài hành trình và vòng quay là