Máy điều khiển CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy công nghiệp, xưởng công nghiệp ở nước ta. Điều này giúp tăng năng suất, cải tiến hiệu quả công việc, cải thiện mẫu mã sản phẩm. Vì vậy, việc phát huy hiệu quả sử dụng, vận hành và bảo dưỡng máy CNC là vấn đề đang được quan tâm.
HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu, thiết kế, mô chế tạo thay dao tự động máy CNC nhiều trục Researching, designing, simulating, and manufacturing automatic knife changers of multiple-axed CNC machines Nguyễn Xuân Đạt, Nguyễn Ngọc Hào, Nguyễn Trương Công Thắng, Nguyễn Quang Thành*, Ngô Kiều Nhi PTN Cơ học Ứng dụng, Đại học Bách khoa TPHCM *Email: nqthanh@hcmut.edu.vn Tel: +84-838367868; Mobile: 0973 184 199 Tóm tắt Từ khóa: Bộ điều khiển CNC, hệ thống thay dao tự động, thay dao, phôi Máy điều khiển CNC ngày sử dụng rộng rãi nhà máy công nghiệp, xưởng công nghiệp nước ta Điều giúp tăng suất, cải tiến hiệu công việc, cải thiện mẫu mã sản phẩm Vì vậy, việc phát huy hiệu sử dụng, vận hành bảo dưỡng máy CNC vấn đề quan tâm Muốn phát huy hiệu sử dụng cải tiến máy CNC cho phù hợp địi hỏi phải có hiểu biết sâu sắc Như trình vận hành trước đây, hầu hết máy chạy giao gia công dạng sản phẩm, muốn sử dụng nhiều loại dao để gia công sản phẩm nhiều biên dạng khác trình thay đổi dao cần có can thiệp người Vì lý đó, nhóm nghiên cứu đưa biện pháp chế tạo hệ thống thay dao tự động cho máy CNC dạng dao đứng Kết từ nghiên cứu cho thấy khả tự chủ động việc thiết kế, chế tạo lắp đặt hệ thống thay dao tự động Việt Nam Abstract Keywords: CNC remote control; automatic knife changing systems; knife changers; billet Ngày nhận bài: 03/07/2018 Ngày nhận sửa: 12/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 CNC control machines are gradually being widely used in many industrial factories and workshops in Vietnam This helps increase productivity, improving work performance and products’ designs Therefore, promoting the effectiveness, operation, and maintenance of CNC machines is attracting particularly significant attention Promoting the effectiveness as well as improving CNC machines accordingly requires much profound knowledge As in previous operating process, it is likely that one machine only runs on a single cutting tool and processes the same product model If we want to use more than one type of cutting toolto process products of different patterns, the changing process among knives requires human’s intervention Because of this, the research team has figured out methods for manufacturing automatic knife changing systems for CNC vertical machines The findings show the initiative possibility in designing, manufacturing, and assembling automatic cutting tool changing systems in Vietnam HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG Một thành tựu lớn tiến khoa học kĩ thuật tự động hóa sản xuât Trong dây chuyền sản xuất linh hoạt máy điều khiển số CNC đóng vai trị quan trọng Máy CNC cho phép giảm khối lượng gia cơng chi tiết, nâng cao độ xác gia cơng va hiệu kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất Chình nhiều nước ứng dụng rộng rãi máy CNC vào trình sản xuất Ở Việt Nam vậy, máy CNC sử dụng rộng rãi để chế tạo chi tiết khí đặc biệt chế tạo khn mẫu xác Ngồi máy CNC sử dụng phổ biến nghiên cứu khoa học, đào tạo đại học, học nghề trường kĩ thuật Trước đòi hỏi thực tế yêu cầu chất lượng số lượng gia công Nhiều máy CNC nâng cấp hệ thống để đạt hiệu gia công cao Một hệ thống sử dụng thay dao tự động Thơng thường, q trình gia cơng chi tiết thực nhiều công đoạn khác nhau, nguyên công sử dụng loại dao mà mũi dao tối ưu với sản phẩm gia cơng Do đó, thiết bị tự động hóa yêu cầu dụng cụ tương ứng lắp điều chỉnh sẵn đài dao Việc gá đặt dụng cụ vào phận cơng tác máy thực tay thay tự động Tuy nhiên, thay tay, trình điều chỉnh lắp đặt dụng cụ phụ chuôi côn, đài dao tiến hành trực tiếp máy, điều tốn nhiều thời gian gây sai sót, sai số khơng đáng có q trình gia cơng sản phẩm Cịn thay phương pháp tự động, việc điều chỉnh lắp đặt dụng cụ phụ tiến hành bên máy trước lắp vào máy nhờ dụng cụ chuyên dùng, phương pháp dùng phổ biến máy điều khiển số CNC, bao gồm giai đoạn lựa chọn dụng cụ phù hợp, đồng thời lắp ráp, điều chình kích thước dụng cụ phụ thiết bị chuyên dụng Bước cuối thay kẹp tự động đưa đài dao [1-6] Tầm quan trọng lợi ích thay dao tự động cho máy CNC hiệu Bộ thay dao tự động cho máy CNC làm cho q trình gia cơng sản phẩm q trình hồn tồn khép kín khơng cần tới can thiệp người Tránh số rủi ro an toàn Ngoài ra, phận thay dao tự động hạn chế sai số không cần thiết gia cơng tác động bên ngồi gây Đồng thời phận giúp tiết kiệm thời gian người vận hành bận tay cho việc thay dao số nguyên công phức tạp dao gá chặt đài dao máy CNC Việc làm rút ngắn thời gian gia cơng tăng hiệu suất q trình sản xuất Hình Bộ thay dao dạng bàn ngang Mục tiêu nghiên cứu lựa chọn thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy CNC có sẵn, chế tạo thành công hệ thống thay dao tự động cho máy CNC vận hành mơ hình thực tế HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG 2.1 Các thông số hệ thống kỹ thuật hệ thống 2.1.1 Thông số khung máy trục Các thơng số máy CCN để thiết kế hệ thống thay dao tự động: Bảng Thông số khung máy Thông số Chiều cao Chiều ngang Chiều rộng Chiều dài (mm) 1390 1800 1100 Bảng Thơng số động trục Động trục Spindle 1.5kW Kí hiệu ZHEN YU 80*190 Hiệu điện 220V Cường độ dòng điện 4A Khối lượng 4kg Số vịng quay lớn 24000rpm Hình Spindle trục Bảng Thơng số trục vitme Trục Đường kính (mm) Bước ren (mm) X 25 Y 16 Z 16 2.1.2 Thông số thay dao tự động Bộ thay dao sử dụng spindle NR50-5100 ATC-RS dùng để thay dao Spindle NR50-5100 ATC-RS gắn trực tiếp với spindle trục có tốc độ với spindle trục Hình Spindle thay dao gắn với động trục HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Thông số động spindle thay dao Kí hiệu spindle thay dao NR505100 ATC-RS Đường kính spindle Hiệu điện Cường độ dịng điện Khối lượng Số vòng quay lớn Sai số Ø50 mm 220V 4A 1,37kg 50000 rpm 1e-6 m Áp suất cần để mở đầu kẹp dao 0,55 - 0,6 MPa Hệ thống bàn gá dao (Hình 5) thiết kế theo spindle thay dao Hình Hình Spindle NR50-5100 ATC-RS thay dao Hình Kích thước bàn gá dao 2.2 Các nguyên lý hoạt động thay dao tự động [10] Khi chương trình gia cơng đến dịng lệnh thay dao, phận điều khiển lập tực phát lệnh dừng chuyển động chạy dao X, Y dừng động trục Z Động dẫn động trục quay vị trí thay dụng cụ xác định (vị trí chốt dao trục hướng với chốt giá kẹp dao) Trục dừng quay Bộ điều khiển phát lệnh điều khiển cho trục Z xuống vị trí thay dao (Vị trí mà giá kẹp giao nằm giá đỡ kẹp dao) Bộ điều khiển phát lệnh điều khiển bơm khí nén vào động spindle thay dao, giá kẹp dao mở cho đài dao rời khỏi trục động nằm gọn giá đỡ kẹp dao Sau đó, điều khiển phát lệnh điều khiển cho trục Z lên di chuyển tới vị trí dao cần thay xác định trước Sau đó, điều khiển phát lệnh điều khiển cho trục Z xuống vị trí lây dao cho đầu trục động spindle thay dao ngang với giá kẹp dao Bộ điều khiển phát lệnh điều khiển ngừng bơm khí nén vào động spindle thay dao, giá kẹp dao đóng lại kẹp chặt đài dao, lấy dao khỏi giá đỡ kẹp dao Trục Z lên lấy dao khỏi giá đỡ kẹp dao kết thúc trình thay dao tự động HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.3 Sơ đồ điều khiển Hình Sơ đồ thuật tốn trả dao Hình Sơ đồ lấy dao TÍNH BỀN CHO CƠ CẤU THAY DAO Cụ thể nghiên cứu tính bền phận kẹp dao bàn gá dao Trong đó, tính toán lực tác dụng lên phận kẹp dao bàn gá dao Độ cứng lò xo: k = 2200N/m; Chiều dài ban đầu lò xo: l0 = 3cm = 0,03m; chiều dài lò xo sau bị cấu trục z tác dụng lực nên: l = 2cm = 0,02m; Vậy độ biến thiên lò xo: Δl = 0,01mm Vậy lực đàn hồi lò xo: Fđh = k.Δl = 2200.0,01 = 22N Để đầu kẹp dao mở lấy dao lực tác dụng thay dao lên phận kẹp dao phải lớn lực đàn hồi của lò xo Trọng lực trục Z tác dụng lên phận kẹp dao bao gồm khối lượng spindle trục (4kg), spindle thay dao (1,37kg) phận gá spindle là: P = 58,7 N Vậy để tính bền cho phận thay dao, chọn lực tác dụng lên phận kẹp dao bàn gá dao P = 60N Vì tính chất đối xứng dao, dao dao có điều kiện biên giống có vị trí giống nhau, phân bố lực giống Nên chúng có phân bố ứng suất, chuyển vị biến dạng giống Tương tự cho dao Bảng Bảng thông số cho gá dao Thông số Modul đàn hồi Hệ số Poisson Khối lượng riêng Giới hạn ứng suất Giá trị 2,1e+11 0,28 7800 6,204e+8 Đơn vị N/m2 N/A Kg/m3 N/m2 Hình 8a Cấu tạo phận thay dao HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Phầm mền mô dùng nghiên cứu phần mền ansys workbench Đặc trưng phương trình ma trận độ cứng khối lượng, mơ hình tính tốn cách ghép ma trận phần tử loại lại với thể công thức sau: M U + K U = Trong [M] [K] ma trân khối lượng ma trận độ cứng tổng thể Ta sử dụng phần tử khối tứ diện làm phần tử chủ đạo cho mơ hình số ba chiều (Hình 8b) Hình 8b Phần tử tứ diện phầm mền ansys workbench 3.1 Tính bền cho dao dao Lực tác dụng vào gá dao chủ yếu trọng lực spindle trục spindle thay dao tác dụng khoảng 60N Hình Kết tính bền ứng suất theo Von Mises lỗ dao Hình 11 Kết biến dạng lỗ dao Hình 10 Kết chuyển vị lỗ dao HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ta thấy ứng suất lớn khối thay dao tự động với σ max = 6,724e+1 N/m2 bé nhiều ứng suất thép [σ] = 6,204e+8 N/m2 Ngoài ra, ta thấy chuyển vị lớn 2,895e-9 (mm) biến dạng lớn 1,896e-10 (mm) Các giá trị nhỏ nên gá dao thỏa bền 3.2 Tính bền cho dao dao Hình 12 Kết tính bền ứng suất theo Von Mises lỗ dao Hình 13 Kết chuyển vị lỗ dao Hình 14 Kết biến dạng lỗ dao Tương tự kết mô từ lỗ dao 1, kết mô từ lỗ dao Hình 12, 13, 14 Ứng suất lớn vật 6,639e+1 N/m2 bé nhiều ứng suất thép 6,204e+8 N/m2 Ta thấy chuyển vị lớn 2,9e-9 (mm) biến dạng lớn 1.876e-10 (mm) Các giá trị nhỏ nên gá dao thỏa bền 3.3 Tính bền cho phận kẹp dao Lực tác dụng lên phận kẹp dao chủ yếu trọng lực spindle trục z có giá trị khoảng 60N, ta thấy ứng suất lớn vật 7,59e+1 N/m2bé nhiều ứng suất thép 6,204e+8 N/m2, chuyển vị lớn 5,141e-9 (mm) biến dạng lớn 2,706e-10 (mm) Các giá trị nhỏ nên gá dao thỏa bền HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình 15 Kết tính bền ứng suất phận kẹp dao Hình 16 Kết chuyển vị phận kẹp dao Hình 17 Kết biến dạng phận kẹp dao KẾT LUẬN Nghiên cứu lựa chọn thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy CNC có sẵn, chủ động chế tạo điều kiện làm việc nước Chế tạo hệ thống thay dao tự động vận hành môi trường thực tế Các kết từ nghiên cứu cho thấy hầu hết chi tiết thay dao tự động thỏa điều khiện bền nhiên việc lắp đặt nhiều hạn chế TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Cẩn Máy cắt kim loại NXB ĐHQG Tp Hồ Chí Minh, 2005 [2] Trần Văn Địch Công nghệ CNC NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 [3] Nguyễn Hồng Sơn Chuyên đề công nghệ CNC [4] Karlo Apro Secrets of 5-Axis Machining, 2008 [5] Nguyễn Văn Khang Bài giảng động lực học nhiều vật ĐHBK Hà Nội, 2002 [6] Trần Hoàng Nam Giải toán ngược động học, động lực học điều khiển trượt Robot dư dẫn động dựa thuật toán hiệu chỉnh gia lượng vec-tơ toạ độ suy rộng, 2010 ... kích thước dụng cụ phụ thiết bị chuyên dụng Bước cuối thay kẹp tự động đưa đài dao [1-6] Tầm quan trọng lợi ích thay dao tự động cho máy CNC hiệu Bộ thay dao tự động cho máy CNC làm cho q trình... cứu lựa chọn thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy CNC có sẵn, chủ động chế tạo điều kiện làm việc nước Chế tạo hệ thống thay dao tự động vận hành môi trường thực tế Các kết từ nghiên cứu... thay dao, phận điều khiển lập tực phát lệnh dừng chuyển động chạy dao X, Y dừng động trục Z Động dẫn động trục quay vị trí thay dụng cụ xác định (vị trí chốt dao trục hướng với chốt giá kẹp dao)