3.2.1. Tính toán, thiết kế đài gá dao của hệ thống
3.2.1.1. Các thông số đầu vào để tính toán kết cấu cơ khí của hệ thống thay dao tự động
- Loại máy CNC: Phay
- Loại thay dao: Không tay máy
- Nguồn động lực di chuyển: Khí nén
- Nguồn động lực quay ổ chứa: Động cơ điện
- Số lượng ổ chứa dao: N = 16
- Loại côn gắn dao: BT40, như Phụ lục A thì bán kính lớn nhất chuôi kẹp Rmax1 = 31,5mm
- Chiều dài chuôi dao: L = E + L1 + L2 = 35 + 65,4 + 27 = 127,4 mm (Hình 4-3)
- Bán kính lớn nhất của dao: Rmax2 = 40 mm (Hình 4-4)
- Khối lượng tối đa của một con dao: M = 7 kg
- Thời gian thay dao gần nhất: Tmin = 3 s
- Thời gian thay dao xa nhất: Tmax = 7 s
- Không gian chứa cụm thay dao và các kích thước cụm trục chính cho trước bằng bản vẽ 2D
29
L4 L1 L2
Rmax1
Hình 3-3. Kích thước của chuôi dao
Rmax1
Rmax2
Hình 3-4. Kích thước trên dao
30
3.2.1.2. Tính kích thước tang của đài chứa dao
Hình 3-5. Sơ đồ tính toán kích thước hình học của tang chứa dao
Muốn tính toán bộ thay dao tự động với số dao là 16 dao loại BT40 trong ổ chứa dao ta phải tính được bán kính từ tâm dao đến trục ổ chứa dao (R) để đảm bảo các dao hoặc các chuôi dao không chạm vào nhau khi bố trí trên một vòng tròn.
Để tránh va chạm dao khi ta cho dao vào ổ dao:
R
R: Bán kính từ tâm dao đến trục ổ chứa dao
C:Chu vi của vòng tròn bố trí dao khi coi các dao là xếp sát nhau: C = 2.Rmax .N= 2. 40.16 = 1280 (mm)
Với Rmax là bán kính lớn nhất trong hai giá trị Rmax1 và Rmax2. Dựa vào đầu bài ta có được Rmax = 40 (mm)
Bán kính từ tâm đến trục dao: 1280 >2 = 2 = 203,7( ) Chọn R = 300 (mm) 31 download by : skknchat@gmail.com
=> C = 2πR = 2π.300 = 1885 (mm) Tính toán các thông số tay kẹp dao Tính khe hở giữa các kẹp dao: Ta có C = N.(2Rmax1 + 2h + L) Trong đó:
- Rmax1: Bán kính cổ dao. Theo tiêu chuẩn Rmax1 = 31,5 (mm)
- L: khe hở cần tính
- h: chiều dày kẹp dao. Với chuôi dao loại BT40 thì h = 10 mm Thay số tính toán => = − 2 1− 2ℎ =1885 16 − 2.31,5 − 2.10 = 34,8( ) R2 o1 L o2 c
Hình 3-6. Sơ đồ khe hở giữa các tay kẹp
Chuôi dao gồm kẹp trái, kẹp phải và chốt định vị dao. Bề dày đuôi tay kẹp được tính như sau:
K = 2hđ + llx
Trong đó:
- hđ: chiều dày đuôi thanh kẹp dao. Lấy hđ = 10 mm
- llx: chiều dài lo xo. Lấy llx = 20 mm 32
=> K = 2.10 + 20 = 40 (mm)
Để đảm bảo khi các mỏ kẹp mở ra để thay dao và kẹp dao khi nhận dao thì giữa các chuôi tay kẹp phải có khe hở. Ta lấy khe hở đó là c = 20 mm.
Gọi C’ là chu vi vòng trong của tang:
C’ = N. (K + c) = 16.(40 + 20) = 832 (mm) Bán kính tối thiểu vòng trong của tang:
′ 832
2 =
2π= 2π= 152 (mm)
Chọn bán kính vòng trong của tang để phần đuôi các kẹp dao không chạm nhau => R2 > R2min
Chọn R2 = 155 mm
Chiều dài tối đa của tay kẹp dao:
ltkmax = R – R2 + Rmax1 = 300 – 155 + 31,5 = 176,5 (mm) Chọn ltk = 155 mm.
33
Hình 4-7. Tay kẹp và chốt định vị
Thiết kế tay kẹp dao từ chiều dài chuôi ngàm kẹp và bán kính cổ dao ta có thể thiết kế tay kẹp dao có dạng như sau:
B O1 O1 5° A K O 2 O2
Vị trí ban đầu Dao tiến vào tay kẹp
O
1
O2
Vị trí cuối
Hình 3-8. Quy trình kẹp dao Kiểm tra hở khi kẹp mở: Khi thay dao, tay kẹp sẽ xoay quanh chốt một góc α = 5o, vậy lượng mở:
34
lm ≈ 83,5.tan(α) ≈ 83,5.tan(5o) = 7,3 (mm) lm < L 7,3 < 34,8
Vậy các tay kẹp không bị va chạm vào nhau trong quá trình thay dao.
• Tính các bán kính tang đài chứa dao Bán kính vòng ngoài của tang đài chứa dao:
R1 = R – Rmax1 – ΔR1 = 300 – 31,5 – 10 = 258,5 (mm)
Bán kính bên ngoài của các rãnh răng điều khiển tay quay (cơ cấu Maltese): R3 = R2 + ΔR2 = 155 +10 = 165 (mm)
Với ΔR1, ΔR2 là độ lệch, chọn ΔR1 =10, ΔR2 = 10 mm Hình 3-9. Sơ đồ tang chứa dao
35
Hình 3-10. Sơ đồ tính chiều cao tang Tính chiều cao tang
Chiều cao tang được tính theo công thức: H = L + f + ΔH
Trong đó:
- H: chiều cao tang
- L: chiều dài chuôi dao BT40, theo tiêu chuẩn L = 127,4 mm
- f: chiều dày thành tang, lấy f = 15 mm
- ΔH: chiều cao dự phòng, lấy ΔH = 20 mm => H = 127,4 + 15 + 20 = 172,4 (mm)
Lấy H = 165 mm.
3.2.1.3. Tính toán cơ cấu Maltese
a, Tính toán thông số hình học cho cơ cấu Man
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man: là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa Man thành chuyển động quay gián đoạn của Tang. Chuyển động quay gián đoạn của Tang chính là chuyển động quay phân độ các vị trí của đài dao tham gia vào vị trí thay dao.
Với đĩa chứa dao gồm có 16 con dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số lượng rãnh: N = 16. Từ kết cấu của Tang chứa dao, ta tính toán cơ cấu Man với bán kính của đĩa là: RD = 165 (mm)
Hình 4.11. Sơ đồ tính toán cơ cấu Man Điều kiện bắt buộc để chống va đập là:
α+ β = 90o
Trong đó góc α được xác định theo số rãnh của đĩa Man N = 16: =360 = 360 = 11,252. 2.16
Do đó: β = 90o – 11,25o = 78,75o
Khi thiết kế góc quay thực tế αT là tích số góc α với tỉ số truyền i của cơ cấu Man: αT = α.i
37
Khi quay góc αT sau một thời gian tT thì thời gian của cơ cấu Man tm sau một góc α có thể tính:
tm = t
iT
Ta có tỷ số giữa thời gian quay của đĩa Man tm và thời gian không quay của nó t0 là:
tm t0
Khi Man quay với tốc độ góc đều ω = const thì thời gian quay đúng một vòng là:
T = 60
n (giây)
Trong đó n là số vòng quay/phút của động cơ – HGT Ta có: t m T t m = N−2 30 n. N t m (vòng/phút)
Các thông số hình học của Man được xác định: Khoảng cách trục cần và trục đĩa Man LM:
165 = ( ) = (11,25 ) = 168,2(mm), lấy LM= 169 (mm)
Chiều dài của rãnh đĩa Man:
h = LM.(sin(α) + cos(α) – 1) + r
Trong đó: r là bán kính của chốt cần quay: r = 6 (mm)
h = 165.(sin(11,25o) + cos(11,25o) – 1 ) + 6 = 35 (mm) Lấy h = 40 (mm)
Bán kính quỹ đạo cần:
Rc = LM.sin(α) = 165.sin(11,25o) = 33 (mm)
Hình 4.12. Thông số hình học của đĩa Man
Hình 4.13. Thông số hình học của cần quay Man
b, Tính toán động học cơ cấu Man
Xác định góc ψ của đĩa Man khi cần quay một góc φ: 39
Trong đó: =
+Vậy tốc độ góc của đĩa Man có thể được xác định:
D = d
dt
Với α = 11,25o thì:
+Gia tốc của đĩa Man:
= D dt D = (1 − sin( ) sin( )cos cos( ) + sin Khi bắt đầu và kết thúc thì: ωD=0 = − 2
(1 Gia tốc max của đĩa Man xảy ra khi:
( ) =√(
φ = 52,31o
= arctan (
Vận tốc lớn nhất khi φ = 0o
D =
Vậy khi cần Man quay đều với vận tốc góc ω thì đĩa Man sẽ quay không đều với vận tốc góc ωD, gia tốc góc εD và vận tốc góc lớn nhất khi φ = 0o, gia tốc góc lớn nhất khi φ = 52,31o khi đó
ψ = 10,35o.
Thời gian thay dao của hệ thống gồm: T = 2.Txl + Tnd + Tt + Tkd
Trình tự thay dao:
- Xylanh đẩy đài dao tịnh tiến sang phải vào vị trí thay dao (Txl). 40
- Trục chính nhả dao và tịnh tiến đi lên (Tnd).
- Đài dao xoay để dao cần thay vào vị trí thay dao (Tt). Tt có giá trị min khi dao hiện tại và dao cần thay ở hai vị trí liền kề, đài dao chỉ cần quay một bước. Tt có giá trị max khi dao hiện tại và dao cần thay ở vị trí xa nhau nhất, đài dao cần quay (N/2) bước.
- Trục chính di chuyển xuống và kẹp dao (Tkd).
- Xylanh đẩy đài dao tịnh tiến sang trái (Txl).
Hình 4.14. Sơ đồ tính toán thay dao
Tt min là thời gian thay hai dao liền kề (hình 4.14: từ dao 1 sang dao 2), đĩa Man sẽ quay một bước góc θ = 2.α = 22,5o. Tt max là thời gian hai dao đối diện (hình 4.14: từ dao 1 sang dao
đĩa Man quay
+Với thời gian thay dao của hệ thống là: 3/7 (s) Trong đó:
- Tmin = 3 (s) là thời gian thay dao nhanh nhất của hệ thống khi dao cần thay ở gần vị trí thay dao nhất
- Tmax = 7 (s) là thời gian thay dao lâu nhất của hệ thống khi dao cần thay ở xa vị trí thay dao nhất
Thời gian thay đổi một vị trí của đĩa tích dao:
41
Để đơn giản chọn tỉ lệ Txl:Tnd:Tkd = 1:1:1 => Txl = Tnd = Tkd = 2,4/4 = 0,6 (s)
Ttmin = tc + td =
tc = 0,246 s, td = 0,326 s
+Xét thời gian một bước góc θ:
Ta có: tm + t0 = Tt min =4 7 (s) Mà = −2=16−2=7 0 +2 16+2 9 tm = 0,25 (s); t0 = 0,32 (s)
Ta tính vận tốc góc và gia tốc góc cho đĩa Man: Số vòng/phút của cần được xác định:
=
−2
Vận tốc góc của cần =
Vận tốc góc và gia tốc góc ở vị trí bắt đầu và kết thúc của đĩa Man: ωD=0
= ± 2 ( ) = ±112. ( 11,25 ) = ±24,07 (rad/s2)
Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi φ = 52,31o:
=
D
(1 − 2 sin( ) cos( ) + sin
=
Vận tốc góc lớn nhất khi φ = 0o:
Hình 4.15. Biểu đồ phụ thuộc vận tốc góc và gia tốc góc của đĩa Man vào góc ψ
3.2.1.4. Tính toán chọn ổ bi cho đài dao a. Tính toán sơ bộ ổ
Với kết cấu của hệ thống thay dao ta lựa chọn ổ như sau:
Ổlăn dạng ổ bi đỡ 1 dãy: Chịu lực hướng tâm
Ổlăn dạng ổ đũa côn: Chịu lực hướng tâm và lực dọc trục
Ở đây lực hướng tâm không lớn lắm so với lực dọc trục nên ta tính toán cho ổ đũa côn và kích thước ổ bi lựa chọn theo kích thước ổ đũa côn.
Lựa chọn loại ổ lăn:
Do ổ lăn chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do trọng lượng tang gây ra còn lực hướng tâm khá nhỏ nên ta có thể bỏ qua. Vì vậy ta chọn ổ đũa côn đỡ chặn.
43
Hình 3-16. Sơ đồ bố trí ổ lăn trên hệ thống thay dao
Ổchịu tác dụng của trọng lượng tang và các dụng cụ được gá đặt trên tang.
Do hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, mỗi lần hoạt động tang chỉ quay từ 1 đến 2 vòng nên ta tính toán sơ bộ khả năng tải tĩnh cho ổ.
Hình 3-17. Sơ đồ phân bố lực Trong đó :
G:trọng lượng của tang Fa: phản lực tại ổ
44
Ta chọn loại ổ thông dụng cỡ trung
Ổ lăn được chọn theo khả năng tải tĩnh nhằm đề phòng biến dạng dư theo điều kiện: Qt ≤ C0
Trong đó:
C0 – khả năng tải tĩnh, cho trong bảng các ổ lăn phụ thuộc vào loại và cỡ ổ, tính theo kN
Bảng 3-1. Bảng các ổ lăn phụ thuộc vào loại và cỡ ổ
Qt – tải trọng tĩnh được tính theo công thức với ổ đỡ - chặn: Qt = Xo.Fr+ Yo.Fa
Fr: lực hướng tâm ≈ 0 Fa: lực dọc trục Fa = G Trọng lượng của đài dao bao gồm:
- Tổng khối lượng dao: m1 = N.M = 16.7 = 112 (kg)
- Tổng khối lượng các tay kẹp m2 =N.mtk= 16.0,8 = 12,8 (kg) mtk: khối lượng của 1 tay kẹp. Chọn mtk = 0,8 kg
- Khối lượng của các chi tiết phụ: mp = 10 (kg)
Trọng lượng tang m3 = 70 (kg) với vật liệu làm tang là thép C45
Tổng khối lượng của tang và dao là: m = m1 + m2 + m3 + mp = 112 + 12,8 + 70 +10 = 204,8 (kg)
=> Fa = G = m.g = 204,8.10 = 2048 (N)
Xo, Yo – hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục tính theo bảng giá trị:
Bảng 3-2. Bảng hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục
45
=> Xo = 0,5 và chọn Yo = 1 => Thay vào công thức ta được:
QT = Xo.Fr+ Yo.Fa = 0,5.0 + 1.2048 =2048 (N)
Tra bảng P2.11- Tính Toán Thiết kế Hệ Dẫn Động Cơ Khí – Tập 1 ta chọn sơ bộ Ổ đũa côn có kích thước như sau:
Kí hiệu d
mm
7309 45
Hình 3-18. Kích thước ổ đũa côn
b. Kiểm nghiệm lại ổ
Trọng lượng thực của tang sau khi tối ưu hóa kết cấu là: Q3 = 70 kg m = m1 + m2 + m3 + mp = 112 + 12,8 + 70 +10 = 204,8 (kg) => Fa = G = m.g = 204,8.10 = 2048 (N)
Xo: Hệ số tải trọng hướng tâm Yo: Hệ số tải trọng dọc trục
Xo = 0,5 , Yo= 0,22.cotgα = 0,22.cotg(10,83o) = 1,15 Thay số ta tính được:
QT = Xo.Fr+ Yo.Fa = 0,5.0 + 1,15.2048 = 2355,2 (N) = 2,3552 kN QT ≤ Co = 59,3 kN
Vậy Ổ đủ điều kiện làm việc.
c. Lựa chọn ổ bi đỡ chặn
Với các thông số của Ổ đũa côn, ta chọn Ổ bi cỡ trung tương ứng với các kích thước sau. Tra theo bảng P2.7 – Tính Toán Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cơ Khí – tập 1.
Kí hiệu d mm
46211 55
Hình 3-19. Kích thước ổ bi đỡ chặn
3.2.1.5. Tính toán trục đỡ tang
a. Tính toán đường kính trục đỡ tang
Đường kính ngoài trục đỡ tang được lấy theo đường kính trong của ổ lăn, D = 45 mm. Chọn sơ bộ đường kính trong của trục: d = 15 mm.
Trục đỡ tang chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do trọng lượng tang và các cơ cấu kẹp trên tang gây ra G = 2048 (N).
Ta đi kiểm nghiệm độ bền kéo của trục : Vật liệu của trục là thép C45 có :
- giới hạn bền là σb = 550 MPa
- giới hạn chảy là σch = 280 MPa
Hình 4-20. Mô hình trục đỡ tang Kiểm nghiệm độ bền kéo của trục theo công thức:
k = G F [ ]
Với: =(452−152) = 1413,7 2= 14,14 2
4
=2048.1014,144 = 1,4.106 = 1,4 ≤ 280 Vậy trục thỏa mãn điều kiện bền.
Biến dạng dài của trục Δl được tính theo công thức:
= Trong đó:
L = 210mm - Chiều dài trục
48
E = 2.104 kN/cm2 - Modul đàn hồi của thép
b. Tính chọn bu-lông lắp ghép trên trục đỡ tang
Bu lông chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do trọng lượng tang và các cơ cấu kẹp trên tang gây ra. Tính ứng suất kéo theo công thức :
Trong đó: - - - G [ ] 2ZF
G = 1980 N - Trọng lượng tang và các cơ cấu kẹp trên tang [σ] = 280 MPa – giới hạn chảy của vật liệu làm bu lông - thép
= d
F
- 2Z: số lượng bu lông lắp ghép trên trục – lắp ghép đối xứng qua tâm. Chọn Z = 2.
=> =2048
2 ≤ 280.106 => ≥ 1,52.10−3( ) = 1,52
2.2 . 4
Chọn theo tiêu chuẩn: M8.
Vậy với 4 bu lông M8 bắt đối xứng qua tâm trục đủ điều kiện làm việc.
c. Chọn kiểu lắp ghép của ổ
Chọn kiểu lắp vòng ngoài ổ với tang là kiểu lắp theo hệ thống trục: 100 8 ℎ7 Chọn kiểu lắp vòng trong ổ với trục đỡ tang là kiểu lắp theo hệ thống lỗ: 45 7 8
3.2.2. Tính toán động học cho đài dao3.2.2.1. Động học dẫn động quay đài dao