Trục Y của máy đƣợc gắn trên đế trục X đồng thời treo giá đỡ đầu cắt nên khi thiết kế sao cho chiều dài không quá lớn để tránh bị lật khi chuyển động.
Yêu cầu trục Y:
- Đảm bảo độ vuông góc với trục X khi lắp ghép
- Không mất cân bằng khi chuyển động
3.2.3.Lựa chọn, tính toán thanh trƣợt bi.
Hình 3.9
Việc lựa ch n thanh trƣợt cho một hệ thống máy móc đòi hỏi qua rất nhiều công đoạn để đảm bảo ch n đƣợc loại thanh trƣợt phù hợp yêu cầu về độ chính xác, khả năng chịu tải, thời gian phục vụ..., đồng thời đảm bảo tính kinh tế.
Dƣới đây là lƣu đồ lựa ch n thanh trƣợt bi cho hệ thống dựa trên tài liệu của hãng THK- một công ty của Nhật chuyên sản xuất vítme, thanh trƣợt.... Quá trình lựa ch n thanh trƣợt bi cho mô hình máy phay CNC đƣợc tiến hành theo sơ đồ này, tuy nhiên do yêu cầu về độ chính xác không quá khắt khe nên một số bƣớc trongquy trình sẽ đƣợc đơn giản hóa.
Hình 3.10 10 Lƣu đồ lựa ch n thanh trƣợt
Tùy vào nhu cầu sử dụng mà thanh trƣợt bi có nhiều kiểu lắp đặt khác nhau, tuy nhiên cần chú ý mỗi loại thanh trƣợt bi chỉ thích hợp với một số kiểu lắp đặt nhất định và đƣợc quy định trong catalogue của hãng sản xuất.
Hình 3.11 Vị trí lặp đặt cho thanh trƣợt
Khi sử dụng thanh trƣợt cần lƣu ý đến số lƣợng thanh trƣợt lắp đặt trên một mặt phẳng để đảm bảo tính cứng vững và đồng thời đảm bảo tận dụng đƣợc tối đa
42 thông số kỹ thuật mà nhà sản xuất đã cung cấp (chẳng hạn để đảm bảo độ chính xác, khe hở..., khi chuyển động tịnh tiến).
Hình 3.12 Kí hiệu thanh trƣợt.
Kí hiệu số thanh trƣợt yêu cầu đƣợc viết bằng số Lamã trong dãy kí hiệu của thanh trƣợt, có một số trƣờng hợp tƣơng ứng I, II, III thanh trƣợt đƣợc yêu cầu lắp đặt.
Hình 3.13 Số lƣợng thanh trƣợt yêu cầu trong một mặt phẳng
Căn vào nhu cầu sử dụng có thể lựa ch n sơ bộ loại thanh trƣợt thông qua kích thƣớc và khả năng chịu tải qua catalogue của hãng sản xuất .
Hình 3.14 Trích catalogue của thanh trƣợt bi hãng THK
Tiếp theo, xét đến khả năng chịu tải, lực và mômen tác dụng lên thanh trƣợt.
Tùy vào vị trí của dãy bi trong khối trƣợt mà có sự khác nhau về khả năng chịu tải ở các hƣớng từ đó quyết định nên khả năng lắp đặt thanh trƣợt. Đối với thanh trƣợt có bi đƣợc bố trí thành 4 dãy thì khả năng chịu tải ở các hƣớng nhƣ nhau nên có thể lắp thanh trƣợt theo kiểu H (nằm ngang), R (ngƣợc lại H) và K (kiểu lắp Wall mount). Còn đối với thanh trƣợt kiểu Radial các dãy bi bố trí trên cung tròn thì chịu lực tốt nhất khi lắp kiểu H (nằm ngang).
Quá trình tính toán của thanh trƣợt khá phức tạp, trải qua rất nhiều bƣớc, kết quả của bƣớc trƣớc là đầu vào cho bƣớc tính tiếp theo và mục đích cuối cùng là tính đƣợc hành trình phục vụ của thanh trƣợt (hay tuổi đời của thanh trƣợt).
Hình 3.15 Lực, mômen tác dụng lên thanh trƣợt
Hình3.16 Thanh trƣợt dƣới tác động của mômen.
Hình 3.17 Khả năng chịu tải theo các hƣớng.
44 Khi đặt tải ngoài lên thanh trƣợt, tƣơng ứng xuất hiện các giá trị MA, MB, MC ta có thể tính đƣợc lực tác dụng lên khối trƣợt theo các hƣớng P = K * M với K là các hệ số tra bảng tùy theo từng loại thanh trƣợt. Đối với bài toán cụ thể cần tính lực tác dụng khi tải chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc. (Trang 130 tài liệu THK)
Hình 3.19 Lực tác dụng lên thanh trƣợt.
Sau đó, cần tính tải tƣơng đƣơng tác dụng lên khối trƣợt: PE = PR + PT tiếp theo tính tải tr ng trung bình (xét cả 3 quá trình chuyển động đều, khi tăng tốc và giảm tốc).
√ ∑
Với:
Pm: Tải tr ng trung bình (N)
Pn: Tải tƣơng tƣơng theo các phƣơng (N) L: Hành trình của thanh trƣợt (mm) Ln: Hành trình chịu tải Pn (mm)
Hệ số an toàn tĩnh: Fs = Co / Pmmaxvới Co là tải tr ng tĩnh - thông số đặc trƣng cho từng loại thanh trƣợt. Đối với máy công cụ, nếu không có rung động và va đập thì Fs ≥ 1÷1.3, nếu có rung động và va đập thì Fs ≥ 2.5÷7. (Tham khảo catalogue bảng 10 của THK trang 122)
Hình 3.20 Hệ số an toàn khuyến cáo của nhà sản xuất.
Thông thƣờng khi chế tạo máy móc ngƣời ta thƣờng quan tâm đến thời gian phục vụ của chi tiết, để thuận tiện cho quá trình bảo trì, sửa chữa cũng nhƣ đảm bảo tính kinh tế. Đối với thanh trƣợt bi, tuổi th của nó đƣợc tính theo hành trình mà nó có thể di chuyển đƣợc trong suốt thời gian phục vụ (Ttrang 127).
Với:
L: hành trình phục vụ (km). C: tải tr ng động (N). Pc: tải tr ng trung bình (N)
fH, fT, fC, fW: các hệ số độ cứng, nhiệt độ, va chạm, hệ số tải (tra bảng).
Nếu tuổi th của thanh trƣợt tính ra không phù hợp với nhu cầu sử dụng thì cần thay đổi loại thanh trƣợt. Một thông số quan tr ng khác khi ch n thanh trƣợt là
preload là tải tr ng ban đầu đặt lên khối trƣợt nhằm khử khe hở và tăng độ cứng vững. Thanh trƣợt có hỗ trợ preload cao thì độ chính xác, cứng vững cao hơn và giá thành cũng đắt hơn.
Độ chính xác của thanh trƣợt đƣợc chia ra làm nhiều cấp khác nhau tùy theo từng loại, đối với ứng dụng cho máy CNC thì nên sử dụng độ chính xác P (Precision grade) hoặc SP (Super Precision grade). Đây cũng là một thông số khá quan tr ng để lựa ch n thanh trƣợt phù hợp.
Tùy vào điều kiện làm việc của thanh trƣợt có thể có thêm một số tùy ch n khác khi mua thanh trƣợt nhƣ chống ăn mòn loại thanh trƣợt có phủ crôm, thanh trƣợt có bố trí thêm các tấm chắn bụi xâm nhập vào các vòng bi....
Trên đây là quy trình chuẩn để lựa ch n thanh trƣợt bi phù hợp, tuy nhiên tùy vào từng ứng dụng cụ thể, quy mô của dự án và điều kiện tài chính mà có thể linh hoạt điều chỉnh cho phù hợp.
46 TỔNG HỢP CÁC LỰC KHI CHUYỂN ĐỘNG 1 1 1 210 Eu u tu P P P N 2 2 2 210 Eu u tu P P P N 3 3 3 210 Eu u tu P P P N 4 4 4 210 Eu u tu P P P N
>Lực tác động khi đi xuống: during descent
1 1 1 158 Ed d td P P P N 2 2 2 158 Ed d td P P P N 3 3 3 158 Ed d td P P P N 4 4 4 158 Ed d td P P P N
Lực trung bình tác động vào con trƣợt: (Trang 137 THK)
Pm1 = √ = 1495.1 N Pm2 = √ = 1495.1 N Pm3 = √ = 1495.1 N Pm4 = √ = 1495.1 N Tính toán hệ số an toàn
Nhƣ đã tính toán ở trên lực tác động lớn nhất vào con trƣợt là 210N. Vậy hệ số an toàn đƣợc tính nhƣ sau: 3 0 max 34.4*10 163 210 s E C f P
Đối với máy công cụ nhà sản xuất khuyến cáo fs> 2.5-7.Vậy hệ số an toàn nhƣ trên là chấp nhận đƣợc.
Tính toán tuổi thọ của ray trƣợt
3 *50 34870 . w m C L Km f P
Với fw=1.2, C=19.9kN
Vậy tuổi th của bộ ray trƣợt dƣới điều kiện sử dụng trên là 31594 km
3.2.4.Tính toán, lựa chọn vítme-đai ốc bi.
Hình 3.21 Quy trình lựa ch n vítme bi.
Khi ch n vítme trƣớc hết cần xem xét lựa ch n cấp chính xác, giả sử độ chính xác mong muốn là ±0.1/300mm thì tra catalogue của hãng sản xuất để lựa ch n cấp chính xác tốt nhất, nếu dùng catalogue của THK thì có cấp chính xác C7 là đáp ứng đƣợc yêu cầu (với sai số ±0.05/300mm).
Căn cứ vào nhu cầu về không gian làm việc của máy CNC để lựa ch n chiều dài vítme, vì là mô hình máy CNC nên không cần kích thƣớc quá lớn, có thể ch n vítme dài khoảng 30cm và thanh trƣợt đƣợc ch n có kích tƣơng đƣơng với chiều dài vítme.
Bƣớc ren của vítme có thể ch n theo kính nghiệm nhƣ sau: Đối với thanh vítme ngắn và ứng dụng cho máy cần độ phân giải cao có thể sử dụng bƣớc ren nhỏ, còn đối với thanh vítme dài hơn 500mm, dùng cho máy cần tốc độ cao thì có thể ch n bƣớc ren lớn 10mm, 20mm.... Ngoài ra ta cũng có thể tính bƣớc ren thông qua công thức sau:
bƣớc ren ≥ Vmax /Nmax Với:
Vmax là tốc độ di chuyển lớn nhất (mm/s). Nmax là tốc độ quay lớn nhất (vòng/s).
Khi đã ch n đƣợc bƣớc ren ta tiếp tục tra bảng để tìm ra đƣờng kính ngoài của vítme tƣơng ứng với bƣớc ren đó, đồng thời đƣờng kính ngoài của vítme lại có liên hệ với chiều dài vítme thông qua cấp chính xác (các bảng tra có thể sẽ khác
48 nhau đối với từng hãng sản xuất, dƣới đây tác giả trích một phần bảng tra của hãng THK trang 718 v 720).
Việc lắp đặt thanh vítme là một vấn đề cần lƣu ý, có nhiều cách lắp đặt, ứng với mỗi cách có ƣu nhƣợc điểm riêng, ảnh hƣởng đến độ chính xác và độ ổn định của hệ thống.
Hình 3.22 Trích bảng tra đƣờng kính, chiều dài, bƣớc ren của vítme bi Vítme bi có 3 cách lắp đặt: fixed-fixed, fixed-support, fixed-free. Nếu xét về kết cấu và độ đơn giản khi lắp đặt thì kiểu lắp fixed-free là đơn giản nhất, kiểu lắp fixed-fixed thì có kết cấu phức tạp nhất, yêu cầu lắp đặt phải chính xác cao nếu không sẽ làm hỏng thanh vít me. Kiểu lắp fixed-support thì đơn giản hơn và đƣợc sử dụng khá nhiều trong thực tế.
Nếu xét về khả năng chịu tải d c trục, độ cứng vững và tốc độ quay tối đa cho phép thì kiểu lắp fixed-fixed là tốt nhất, kiểu lắp fixed-free là kém nhất. Nếu xét về sai số vi trí khi chuyển động thì fixed-fixed tốt nhất, còn kiểu lắp fixed-free và fixed-support tƣơng đƣơng nhau.
Hình 3.23 Kiểu lắp vít me fixed-fixed, fixed-free và fixed-support Nhƣ vậy, nhóm ch n lắp vít me kiểu fixed-support vừa đơn giản mà vẫn đáp ứng đƣợc yêu cầu về độ cứng vững, độ chính xác ở mức trung bình.
Việc lựa ch n vítme bi cũng cần khảo sát trƣớc loại vítme hiện có trên thị trƣờng, bao gồm cả vấn đề giá cả, nhóm đã lựa ch n loại vítme bi có chiều dài 495 mm, bƣớc ren 5 mm, đƣờng kính ngoài 20 mm.
Để đảm bảo an toàn cho thanh vítme có thể kiểm tra độ cứng vững của nó thông qua các thông số độ uốn d c trục, khả năng chịu kéo và tốc độ quay tối đa cho phép.
Lực có khả năng gây uốn d c trục cho vít me bi: (Trang 721 THK)
(N) la: khoảng cách giữa 2 điểm gắn
d1: đƣờng kính trục vít.
Lực kéo-nén gây nguy hiểm: (N) Tốc độ quay tối đa cho phép:
(vòng/ph)
Với :
2: hệ số phụ thuộc cách lắp vít me (kiểu lắp fixed-support có 2=10 và 2=15.1)
d1: đƣờng kính trong của vít me (mm) la: chiều dài thanh vít me (mm)
Ứng dụng kiểm tra thanh vítme đang có: Với: d1= 20mm , la= 605mm
Lực gây ra uốn d c trục cho vítme: (Trang 753 THK) P1=10*
4 2 20 605 * 10 4= 43712 N
Lực gây kéo-nén cho vítme: P2= 116* 2
20 = 46400 N
Tốc độ quay tối đa không phá hủy trục vítme: N1= 15.1* 7 2
20 *10
605 = 8250
vòng/ph
Các giá trị trên rất lớn so với tải đặt lên mô hình máy CNC cỡ nhỏ nên gần nhƣ trong hầu hết trƣờng hợp trục vítme luôn đảm bảo độ cứng vững.Đồng thời, tốc độ của động cơ dẫn động vítme chỉ dƣới 2000v/ph nên không xảy ra hiện tƣợng cộng hƣởng phá hỏng vítme.
Phần tiếp theo trong quy trình là lựa ch n và tính toán cho đai ốc bi, căn cứ vào bƣớc ren và đƣờng kính trục vít me đã ch n ở trên để ch n đai ốc, mỗi loại đai
50 ốc khác nhau có cấu tạo và thông số tải tr ng động C, tải tr ng tĩnh Co khác nhau, từ đó quyết định nên khả năng chịu tải và tuổi th của vít me-đai ốc bi.
Trƣớc hết, tính toán tải d c trục thanh vít me-đai ốc bi.
Tải d c trục khi tăng tốc sang trái: Fa1= µ*mg + f + mα (Trang 752 THK) Tải d c trục khi chuyển động đều sang trái: Fa2 = µ*mg + f
Tải d c trục khi giảm tốc sang trái: Fa3 = µ*mg + f - mα Tải d c trục khi tăng tốc sang phải: Fa4 = -µ*mg - f – mα Tải d c trục khi chuyển động đều sang phải: Fa5 = -µ*mg – f Tải d c trục khi giảm tốc sang phải: Fa6 = -µ*mg - f + mα
Với µ: hệ số ma sát (µ≈0.003†0.01), m: khối lƣợng tải (kg), α: gia tốc (m/s2) f: lực cản ban đầu khi không có tải ngoài (N), Fan: tải d c trục tƣơng ứng (N) Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh: fs = Tải tr ng tĩnh Co / lực d c trục lớn nhất Famax. Tƣơng tự thanh trƣợt, hệ số an toàn tĩnh dành cho mô hình máy CNC đƣợc ch n fs ≥2.5†7, theo bảng dƣới đây.
Công thức tính toán tải d c trục trung bình: (Trang 756 THK)
√∑
Với Fm: Tải d c trục trung bình (N), Fn: Tải thành phần (N)
ln: Quãng đƣờng chịu tải Fn (mm), l: Tổng hành trình vít me (mm)
Tuổi th thanh vítme-đai ốc bi tính theo số vòng quay đƣợc: (Trang 756 THK)
(vòng)
Tuổi th thanh vítme-đai ốc bi tính theo thời gian (giờ): (Trang 757 THK) Lh
(h)
Với C: Hệ số tải tr ng động (N), Fa: Tải d c trục trung bình lớn nhất (N) fw: Hệ số tải (tra bảng hình 5.14), N: Tốc độ quay (vòng/ph)
Sau khi tính giá trị thời gian phục vụ có thể so sánh với nhu cầu sử dụng, nếu không đáp ứng đƣợc thì có thể đổi loại đai ốc khác với giá trị tải tr ng động lớn hơn.
Ứng dụng tính toán sơ bộ thanh vítme-đai ốc bi hiện có dựa trên các công thức trên với tải tr ng động C = 2.5 kN = 2500 N và tải tr ng tĩnh là Co = 5.8 kN = 5800 N. (Momen quán tính của trục vít me Js = 1.6 *10-4 kg.cm2/mm.)
Hình 3.25 Bảng tra hệ số an toàn tĩnh.
3.2.5.Tính toán, lựa chọn động cơ bƣớc.
Xác định công suất động cơ truyền động trục Y:
Ta có momen xoắn cần thiết để cung cấp cho trục vitme đƣợc tính theo công thức 9-1trang 221 sách thiết kế chi tiết máy của Nguyễn Tr ng Hiệp:
Trong đó : : Công suất cần thiết
n=350(v/ph): Số vòng quay trục chủ động T: Mômen xoắn cần thiết
Tính momen xoắn cần thiết:
Để tính ta dựa vào phần mềm của trang web www.orientalmotor.com
52 Hinh 3.26
Chú thích:
Total mass of loads and table: Tổng khối lƣợng vật nặng và bàn máy (m): 30 kg.
- Friction cocfficient of the guide: Hệ số ma sát của thiết bị dẫn hƣớng (): 0.05 Ball/lead screw specification: Thông số kỹ thuật vitme
Diameter (mm) đƣờng kính: 20 mm
Total length(mm) tổng chiều dài: 1500 mm
Lead(pitch) (mm/rev) (bistance the screw moves in one rotation) Bƣớc vitme: 10 mm
Efficiency (%): Hiệu suất 95 % Materical chất liệu: thép.
Break away torque of the screw (Nm): Moment xoắn của vítme bi:200 N.m External force : Ngoại lực FA: 55 N
Transmission belt and pulley or gears( leave the fields blank if a direct coupling structure is used): Dây đai và bánh răng truyền động.
Primary pulley(gear) thickness (mm): Độ dày buli 12 mm Primary pulley(gear) material chất liệu buli: nhôm.
Mechanism placement: Cơ chế vị trí.
Mechanism angle: Góc làm việc của cơ cấu: Operating condition: Điều kiện hoạt động.
Variable speed operation: Biến tốc độ hoạt động: v1=1mm/s; v2= 5mm/s.
Stopping accuracy: Dừng chính xác: 0.1 mm Safety factor : Hệ số an toàn 1.75
Ta tính đƣợc mômen xoắn cần thiết theo phần mềm là: M=368.6(N.m)
54 Vậy công suất cần thiết là:
Một cách gần đúng, ta có công suất của động cơ điện đƣợc xác định nhƣ sau:
với hệ số truyền động:
Tiến hành chọn công suất động cơ với: = 0.02 KW n = 350 v/ph
3.3.Lựa chọn vật liệu cắt, đặc điểm kim loại cắt
3.3.1.Thép xây dựng (thép cán nóng thƣòng)(<12mm)