CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÍ THUYẾT
2.5. Khái quát về hệ thống thay dao tự động
2.5.2. Các bộ phận chính
Để hệ thống thay dao tự động có thể hoạt động thì cần có các bộ phận thiết yếu: - Spindle ATC.
- Dụng cụ kẹp dao (BT, collect,...).
Tùy vào kết cấu sẽ có thêm nhiều chi tiết phụ trợ đi kèm ..
Hình 2.17 Cấu tạo Spindle ATC
Hình 2.18 Ổ chứa dao và cán kẹp dao 2.5.3. Nguyên lý hoạt động
Khi chương trình gia cơng đọc đến dịng lệnh thay dao, thì bộ phận điều khiển lập tức phát lệnh dừng các chuyển động chạy dao X, Y và dừng động cơ trục chính.
Động cơ dẫn động trục ụ trục chính quay dao về vị trí thay dụng cụ đã được xác định (vị trí chốt của dao trên trục chính đúng hướng với chốt của đài dao). Trục chính dừng quay. Bộ điều khiển phát lệnh điều khiển cho trục Z cho ụ trục chính đi xuống vị trí thay dao (vị trí mà đài dao nằm ngang với cổ dao). Đài dao quay sao cho tay kẹp dụng cụ tới vị trí thay dao để chuẩn bị kẹp dụng cụ trên trục chính, ụ thay dao tiến từ trái sang phải hai tay kẹp mở ra và giữ chặt lấy dao lò xo nén bị nén kẹp chặt lấy dao trên ụ trục chính, bộ điều khiển phát lệnh cho thanh kéo trong ụ trục chính đi xuống nhả kẹp, đầu trục chính đi lên trả dao vào vị trí của dao đã được nhớ trong bộ điều khiển. Bộ điều khiển phát lệnh cho động cơ dẫn động đài dao quay phân độ sao
thay thanh kéo đi lên kẹp chặt dao mới, ụ thay dao tiến từ phải qua trái kết thúc quá trình thay thế dao tự động.
2.5.4. Các dạng ổ dao
Tùy thuộc vào loại và lĩnh vực ứng dụng, các cụm thay dao có thể đồng thời lấy số lượng dao khác nhau và đặt dao được gọi bởi chương trình NC vào vị trí làm việc. CĨ nhiều loại ổ dao theo từng lĩnh vực gia công riêng. Các loại phổ biến nhất là: Đài dao (trên máy tiện) và mâm dao (trên máy phay).
Ổ dao dạng trống trên máy phay
Hình 2.19 Ổ dao dạng trống
Hình 2.20 Mâm dao và đài dao
Mâm dao: Có ổ dao chuỗi, ổ dao vịng, ổ dao dạng nấm và ổ dao phẳng, như hình
dưới đây, liên tiếp. Tùy thuộc vào loại và kích thước, các đài dao của máy CNC có 8 đến 16 vị trí dao. Trong các trung tâm gia cơng lớn có thể sử dụng đồng thời 3 đài dao. Nếu nhiều hơn 48 dao được sử dụng mâm dao thuộc các loại khác nhau được sử dụng trong các trung tâm gia công như vậy cho phép chưa tới 100 và thậm chí nhiều dao hơn.
Hình 2.21 Mâm dao dạng xích
Mâm dao dạng xích:
Bộ kẹp có độ bền cao, ít hư hỏng và chống ăn mịn.
Chuỗi được hỗ trợ ở cả hai bên; hoạt động rất ổn định.
Cơ chế đảo ngược dao sử dụng thiết kế đường cong cam đảm bảo chuyển động ngược của dao trơn tru.
Kết cấu mâm dao cứng vững. Giúp thay dao tốc độ cao và các dao nặng. Chuyển động khay dao sử dụng thiết kế cam thùng; chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính xác.
Mâm dao dạng nấm:
Độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, bảo vệ trục chính và khay dao khi thay dao khơng phù hợp.
Mâm dao có thể được gắn kiểu cố định hoặc kiểu di động, được điều khiển bởi động cơ chính xác, thay dao chính xác, chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính xác.
Nguồn điều khiển mâm dao có thể là động cơ servo và động cơ điện.
Mâm dao phẳng:
Độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, cũng bảo vệ trục chính và khay dao trong q trình thay dao khơng phù hợp.
Xích dẫn hướng kèm ray hỗ trợ cho cả hai bên, chuyển động trơn tru và định vị chính xác.
Thiết kế kẹp dao đặc biệt cho phép mâm dao được sử dụng trong các thay dao ngang.
Giá đỡ dao có thể được sử dụng với các hệ thống lựa chọn dao khí nén, hệ thống quay thủy lực hoặc nhiều cụm thay dao có sẵn trên thị trường.
2.5.5. Một số kiểu thay giao hiện nay
Trên các máy CNC hiện đại ứng dụng rất nhiều kiểu thay dao khác nhau như thay dao bằng tay gắp, thay dao bằng cơ cấu thẳng, ...
Hình 2.22 Thay dao bằng tay gắp
Hình 2.23 Cơ cấu tay gắp thay dao
Cơ cấu thay dao dạng đĩa xoay với ưu thế thay dao nhanh chính xác có thể kết hợp với đài dao dạng đĩa, dạng xích để tăng khả năng chứa dao rất lớn nhưng nhược điểm là cơ cấu phức tạp,khó chế tạo khó diều khiền.
Hình 2.24 Cơ cấu đĩa xoay
Cơ cầu thay dao dạng đĩa chúng ta thường thấy ở các máy robodrill, với sự kết hợp giữa cam và spindle servo giúp thay dao nhanh chóng và độ chính xác cao mà khơng cần đến hệ thống khí nén hay thủy lực. Nhược điểm là khó chế tạo và điểu khiển.
Ngồi ra cịn có cơ cấu thay dao thẳng là cơ cấu dùng đầu trục chính di chuyển đến vị trí chứa dao sau tho thực hiện các thao tác thay dao, ưu điểm của dạng này là đơn giản dễ chế tạo dễ diều khiển. Nhược diểm là số lượng dao chứa ít, tốc độ thay dao chậm..
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁNTRUYỀN ĐỘNG TRUYỀN ĐỘNG
Thiết kế là công đoạn rất quan trọng trong chế tạo máy, giúp định hình ý tưởng, vị trí tổng quan của các chi tiết, đồng thời thơng qua bản thiết kế có thể đánh giá được tính hợp lí và khả thi của tồn bộ dự án.
Quy trình thiết kế mơ hình trung tâm gia cơng CNC được tiến hành như sau:
Lên ý tưởng thiết kế ban đầu.
Tìm nơi mua vật tư.
Vẽ 3D lại các chi tiết đã mua trên phần mềm Solidworks.
Thiết kế các chi tiết máy còn lại và tiến hành lắp ráp mô phỏng.
Lắp ráp và phân rã bộ phận máy trên phần mềm Solidworks 2018
Tiếp tục chuẩn bị vật tư cho quá trình chế tạo.
Tiến hành gia công chi tiết theo bảng vẽ thiết kế.
Canh chỉnh độ song song và vng góc giữa các trục.
Lắp ráp các bộ phận và chi tiết đã gia công theo thiết kế.
Lắp ráp hệ thống điện và tiến hành bố trí dây điện.
Lắp ráp hệ thống cung cấp khí nén và đường dây dẫn khí.
Tiến hành chạy thử nghiệm.
Kiểm tra sản phẩm và điều chỉnh lại sai số giữa các trục cũng như đảm bảo độ chính xác khi điều khiển bằng phần mềm Mach 3.
Mơ hình trung tâm gia cơng CNC có phần cụm trục Z được thiết kế chuyển động trên trục Y, trục X mang măm cặp chuyển động độc lập. Sau khi đã có những ý tưởng thiết kế sơ bộ về mơ hình, tiến hành vẽ phác các ý tưởng đó trên giấy, đặt ra những yêu cầu ban đầu của máy từ đó tiến hành ước lượng hành trình chuyển động tương đối của các trục, kích thước này chưa cần chính xác nhưng nó làm tiền đề để xác định thơng số kích thước máy.
3.1. Thiết kế các chi tiết
3.1.1. Thiết kế truyền động trục X.
Trục X của máy được thiết kế, lắp đặt nằm riêng độc lập, trục X chịu trách nhiệm mang theo mâm cặp, hệ thống truyền động trục A cùng bệ thay dao cho hệ thống thay
hành trình dịch chuyển lớn. Nên lựa chọn sử dụng hệ thống truyền động tích hợp đem lại sự ổn định, cứng vững tốt chống rung động đảm bảo an tồn cho hệ thống cũng như độ chính xác khi gia cơng.
Hình 3.1 Thiết kế cụm trục X
Quá trình thiết kế dựa trên ý tưởng máy đơn giản nhất nên khi chọn hệ thống truyền động tích hợp để đơn giản hóa q trình lắp ráp, dễ sửa chữa và dễ thao tác. Truyền động X bằng cách kéo đai sử dụng Puly và đai răng có tỷ truyền 1:2.
3.1.2. Thiết kế truyền động trục Y1, Y2 và C
Đối với mơ hình gia cơng tích hợp cả 2 chu trình tiện và phay, nên hệ thống trục Y bao gồm 2 trục: Y1 mang trục Z của hệ thống phay và trục Y2 mang hệ thống turret dao tiện. Thiết kế truyền động trục Y1:
Trục Y là bộ phận nằm phía dưới trục Z, chịu trách nhiệm truyền động di chuyển trục Z và chịu toàn bộ lực tác dụng của trục Z, chịu tải lớn nhất trong tất cả các trục. Được thiết kế theo cơ cấu đơn giản dẫn hướng bằng ray trượt và truyền động bằng vít me đai ốc bi. Phía trên các con trượt cịn có thêm 2 gối đỡ và tấm đế để cố định trục Z vào, giúp nâng cao khoảng hành trình của Z lên phía trên. Tấm đế và 2 gối đỡ được gia cơng lỗ bắt ốc chìm giúp âm đầu ốc tạo thuận lợi cho việc lắp đặt trục Z phía trên.
Hình 3.3 Thiết kế truyền động trục Y
Thiết kế truyền động trục Y2:
Trục Y2 đỡ cụm turret và chịu trách nhiệm truyền động cho cụm turret dao tiện phía trên.
Do cụm turret tiện khi gia cơng chịu tác động lực lớn nên chọn lắp ray trượt trực tiếp lên mặt phẳng tối ưu khả năng chịu lực. Đồng thời do đặc tính của turret tiện cần ngang tâm với tâm của măm cặp do đó cần đơn cao tấm đỡ bằng cách dùng 2 tấm nhôm 16 gia công lỗ ốc để cố định. Lắp vít me theo kiểu Fixed-Free để đơn giản hóa q trình lắp đặt..
Hình 3.5 Thiết kế truyền động trục Y2
Thiết kế truyền động trục C
Đối với turret tiện để giữ cứng trục để tiện sử dụng khợp nối răng. Trong quá trình thay dao để truyền động cho trục turret nhóm sử dụng 1 xilanh để đẩy trục turret và 3 lò xo hồi để đưa trục turret về sau khi thay dao cũng như ép cứng phần ăn khớp của khớp nối. Đối với trục turret truyền động bằng cặp puly với tỉ số truyền 1:2.
3.1.3. Thiết kế truyền động trục Z
Do trục Z chịu trách nhiệm truyền động cho cụm trục B bao gồm hợp số giảm tốc và spindle truyền động theo phương thẳng đứng đồng thời động cơ trục chính khi gia cơng chịu tác dụng lực rất lớn nên chọn thân thân trục Z là một khối làm bằng vật liệu nhôm hợp kim đem lại độ cứng vững cao, không bị biến dạng khi mang tải nặng, có khoảng rỗng bên trong để lắp đặt vít me cũng như khoảng trống cho các bộ phận truyền động.
Hình 3.7 Cơ cấu Z hồn chỉnh
Do vít me trục Z kéo tải trọng lớn nên các gối đỡ vít me cần được lắp cứng vững, đồng thời lắp kiểu Fixed-Support giúp tăng sự ổn định của vít me khi quay.
Hình 3.8 Cơ cấu truyền động trục Z
3.1.4. Thiết kế truyền động trục A
Trục A chịu trách nhiệm xoay phôi gia công theo các gốc xoay xác định, đồng thời xoay phôi măm cặp để thực hiện chu trình tiện. Khi tiện trục măm cặp xoay chịu lực cắt hướng tâm lớn, để đảm bảo độ ổn định và an tồn khi gia cơng cần sử dụng 3 ổ bi với 2 ổ lắp ở đầu gần măm cặp chịu lực chính và 1 ổ lắp ở đuôi trục măm cặp nhằm triệt tiêu độ đảo của trục.
Hình 3.9 Cơ cấu truyền động trục A
Do không gian chứa trục A tương đối hẹp nên thiết kế lắp động cơ kéo nằm bên ngoài vỏ, sử dụng puly truyền động tỉ số truyền 1:2
3.1.5. Thiết kế truyền động trục B
Trục B chịu trách nhiệm đỡ và xoay trục chính để thực hiện gia cơng cái bề mặt khó, khi gia cơng chịu lực cắt rất nhiều nên cần độ cứng vững cao.
động cơ bước, vì khơng gian bên trong trục Z tương đối hẹp nên lựa chọn sử dụng hộp số Harmonic thay vì hộp số bánh răng hành tinh như thơng thường, đồng thời hộp số Harmonic cũng đem lại tỷ số truyền cao hơn nhiều so với hộp số bánh răng hành tinh giúp tăng tối đa momen giữ.
Hình 3.11 Truyền động thơng qua hộp số Harmonic
Thiết kế tổng thể
Thiết kế tổng thể của máy với 2 phần đế của trục Y1 và Y2 được liên kết vào thân
trục X nằm đối nhau. Trục A và phần măm cặp được lắp trên con trượt của trục X. Thân trục Z được cố định nằm trên phần đế truyền động trục Y. Động cơ trục chính được lắp vào cụm trục B thông qua hộp số. Hộp số được lắp cố định vào tấm đế truyền động của Z, hoàn chỉnh trục Z.
3.2. Lựa chọn phương án truyền động
Yêu cầu: Cấu trúc máy đạt độ cứng vững phù hợp, đảm bảo an tồn để có thể gia cơng các kim loại mềm (đồng, nhơm,...). Các chi tiết truyền động cơ khí đạt độ chính xác cao đảm bảo dung sai gia công ± 0.01mm.
3.2.1. Lựa chọn vít me
Có 2 loại vít me thơng dụng: Vít me đai ốc dạng thường và vít me đai ốc bi.
- Vit me đai ốc dạng thường:
Hình 3.13 Vit me đai ốc.
Vít me đai ốc có độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn, truyền động tương đối êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn tuy nhiên do sử dụng đai ốc nên gây ra ma sát lớn, hiệu năng truyền động thấp nên ít được sử dụng rộng rãi.
- Vít me đai ốc bi:
Vít me đai ốc bi có cấu tạo giống với vít me đai ốc dạng thường, tuy nhiên do sử dụng đai ốc dẫn hướng bằng các viên bi trịn giúp hạn chế tối đa ma sát nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90 – 95 %. Hầu như khơng có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra
Hình 3.14 Vít me đai ốc bi
Vì những ưu điểm đó vít me đai ốc bi thường được sử dụng cho những máy cần có truyền động thẳng chính xác như máy khoan, doa tọa độ, các máy điều khiển chương trình số.
Xét về khả năng năng làm việc và độ hiệu quả cần thiết nhóm quyết định chọn loại vít me dạng bi vì có độ ma sát nhỏ và ổn định, hiệu suất truyền động cao, hầu như không phụ thuộc vào tốc độ.
.
Hình 3.15 Mối quan hệ giữa ma sát và tốc độ của 2 dạng vít me
Quan sát thấy được ở biểu đồ trên rằng vít me đai ốc bi ở thời điểm khởi đầu để chạy trục vít dạng bi cần một khoảng thời gian nhỏ hơn nhiều so với vít me đai ốc thường. Vì vậy, vít me đai ốc dạng bi là sự lựa chọn thích hợp nhất.
3.2.2. Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng
Thanh trượt vng
Hình 3.16 Cấu tạo thanh trượt vng
Ưu điểm: Bởi vì quá trình dẫn hướng tuyến tính chịu ảnh hưởng của ma sát lăn của ổ đỡ nên dễ trượt hơn; độ cứng cao; chịu tải tốt; tuổi thọ cao; hiếm khi bị mài mòn; chống rung tốt, dễ bảo trì và sửa chữa.
Nhược điểm: Chi phí cao.
Bên cạnh đó, để dễ dàng gia cơng và lắp đặt, có thể sử dụng các bộ phận có sẵn của cấu trúc dẫn hướng, bao gồm ổ trượt, thanh ray.
Thanh trượt trịn
Hình 3.17 Thanh trượt trịn
Ưu điểm: Thanh trượt, con trượt trịn có độ chính xác cao mà lại có giá thành phải chăng
Thanh trượt mang cá
Nhược điểm: cần gia công rãnh mang cá rất phức tạp. Khi gia cơng, phoi có thể rơi vào bề mặt trượt giữa các rãnh do đó tạo ma sát mài mịn rãnh. Sau một thời gian cần thay thế các nêm, khá khó khăn trong việc bảo trì và sửa chữa.
Ưu điểm: Giá thành rẻ.
Hình 3.18 Thanh trượt mang cá
Để đạt được khả năng chịu tải cao theo yêu cầu thiết kế, tăng sự tiện lợi cũng như đơn giản hóa q trình gia cơng và lắp đặt, nhóm quyết định sử dụng cơ cấu thanh trượt vng.
3.2.3. Cơ cấu truyền động tích hợp vitme và ray trượt.
Bên cạnh các loại cơ cấu dẫn hướng và truyền động thơng thường, cịn có các sản phẩm tích hợp sẵn cả cơ cấu dẫn hướng và truyền động chung với nhau.