Chuyển động trục Z của dao do cụm trục chính thực hiện, được dẫn động bởi động cơ bước (Đ/c trục Z) thơng qua bộtruyền bánh răng, vít me-đai ốc và được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC.
Chuyển động trục X được dẫn động bằng động cơ bước (Đ/c trục X) thông qua bộtruyền bánh răng và được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC.
Chuyển động trục Y được dẫn động bằng động cơ bước (Đ/c trục X) thơng qua bộtruyền vít me – đai ốc và được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC.
Trục quay là trục B được dẫn động bằng động cơ bước thông qua bộtruyền trục vít –bánh vít và bộtruyền bánh răng, trục B song song trục X.
So sánh và lựa chọn phương án thiết kế Phương án 1: Trục A song song trục X
Ưu điểm: Trục chính chỉ chuyển động lên xuống theo trục Z được cố định lên bệmáy, bàn máy mang phôi thực hiện chuyển động theo 2 phương X,Y. Theo phương án này thì độcứng vững trục chính cao hơn. Bên cạnh đó thì trục quay là trục A cho nên sẽ thuận tiện cho việc quan sát trong q trình gia cơng, và mặt phẳng chuyển động của đá mài song song với trục Y cho nên sẽ an tồn hơn khi có sựcốvỡ đá mài trong q trình gia cơng.
Nhược điểm: Do bàn máy phải chuyển động nên kích thước bàn máy nhỏ, chỉphù hợp với gia công chi tiết vừa và nhỏ.
Phương án 2: Trục B song song trục Y
Tương tự phương án 1, nhưng nó có thêm một số hạn chế đó là: việc quan sát máy làm việc khó khăn hơn do vị trí quan sát khơng được thuận lợi. Hơn nữa mặt phẳng chuyển động của đá mài là song song trục X cho nên sẽnguy hiểm hơn cho người điều khiển nếu như có sự cố vỡ đá mài xảy ra khi máy thực hiện gia cơng.
Kết luận: Qua phân tích các phương án nêu trên, ta thấy phương án thứ1 là phù hợp nhất đảm bảo được các tiêu chí vềkỹthuật, kết cấu cứng vững, năng suất và chất lượng bề mặt cao, đảm bảo an toàn và thuận tiện cho việc quan sát của người điều khiển máy trong q trình sửdụng.
Phân trích xích động học cho cụm trục thứ4 Truyền động bằng bánh răng Hình 2. 5 Bộtruyền bánh răng Ưu điểm: - Khả năng tải lớn do đó kích thước nhỏgọn. - Tuổi thọcao, làm việc tin cậy. - Hiệu suất cao, có thể đạt 0,97 0,98 trong một cấp. - Tỉsốtruyền không thay đổi.
Nhược điểm:
- Công nghệcắt răng phức tạp, yêu cầu cao về độchính xác chếtạo. - Có nhiều tiếng ồn khi vận tốc lớn.
Những nhược điểm này không làm giảm ưu thếcủa truyền động bánh răng so với các truyền động khác nhờviệc sửdụng đơn giản, làm việc tin cậy và kích thước gọn.
Truyền động vít – đai ốc
Hình 2. 6 Bộtruyền vít-đai ốc
Ưu điểm:
- Kết cấu đơn giản, gọn, dễchếtạo. - Khả năng tải cao, làm việc tin cậy. - Làm việc êm, khơng ồn.
- Có thểthực hiện được các di chuyển chậm, chính xác. Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp do mát sát trên ren lớn. - Ren bịmòn nhanh do ma sát lớn.
Truyền động vít -đai ốc được sửdụng rộng rãi trong các thiết bịnhằm tạo ra lực lớn như vít kích, vít ép, v.v., trong các cơ cấu yêu cầu chuyển vị chính xác như cơ cấu chạy dao trong máy cắt, các dụng cụ đo, các thiết bị định vị và điều chỉnh.
Truyền động trục vít –bánh vít
Ưu điểm:
- Làm việc êm, không kêu như bộtruyền bánh răng và xích. - Thực hiện tỉsốtruyền lớn trong một cấp.
- Có khả năng tựhãm.Với ưu điểm vượt trội trên ta chọn phương án này cho máy mài CNC 4 trục mà ta cần thiết kế.
Kết luận:
- Bộtruyền bánh răng với hiệu suất cao, tỉsốtruyền không thay đổi "Chọn làm bộtruyền truyền động trực tiếp cho trục A quay. - Bộtruyền trục vít- bánh vít thực hiện tỉsốtruyền lớn, êm
"Chọn làm bộtruyền nối với động cơ.
Với kết luận trên, nhóm em lựa chọn kết cấu xích động học cho trục thứ4 như hình vẽ:
Hình 2. 8Xích động học trục thứ4
2.3 Tính tốn thiết kê hệ thơng cơ khí trục Au cầu kỹthuật u cầu kỹthuật
-Đảm bảo hành trình dịch chuyển 0° -∞ -Đảm bảo độbền: độbền mỏi, độbền tĩnh. -Đảm bảo độcứng: độcứng uốn, độcứng xoắn - Khối lượng tối đa của chi tiết có thểmang là 5Kg - Chiều dày tối đa của thơi là 40 mm
Tính lực cắt khi mài
Vì kích thước của lớp kim loại do một hạt mài hớt bỏlà rất nhỏnên lực cắt khi mài không cao, nhưng do số lượng hạt mài tham gia đồng thời vào quá trình cắt rất lớn nên lực cắt tổng cộng có giá trị đáng kể.
Pz- lực có phương tiếp tuyến với đá mài, Pz là thành phần lực được dùng để tính cơng suất của động cơ cần thiết cho q trình mài.
Py- lực có phương trùng với phương hướng tâm của đá mài. Lực này có xu hướng đẩy chi tiết rời xa đá mài. Do đó lực Py là lực có ảnh hưởng lớn nhất tới độ chính xác gia cơng.
Px - lực dọc trục cịn được gọi là lực chạy dao. Nó thực hiện dịch chuyển ụ đá hoặc chi tiết dọc theo hướng chạy dao.
Lực Pz được xác định theo công thức:
Pz= Cp.Vct0,7.S0,7.t0,6.10 (N) (2.1) Trong đó : Vct : Tốc độcủa chi tiết mài
S : Lượng chạy dao bàn của chi tiết (mm/vg) t : Chiều sâu mài (mm/ hành trình kép) Cp : Hệsốphụthuộc vào vật liệu
Với Thép đã tôi: Cp=2,2 Thép khơng tơi: Cp=2,1
Gang: Cp=2,0
Ta có :
Vct là vận tốc lớn nhất của chi tiết khi gia công = Sxmax= 45 mm/s = 2,7m/ph S là lượng chạy dao bàn của chi tiết Sdọc=(0,4 ÷ 0,85) B khi mài thơ
Sdọc=( 0,2 ÷ 0,4) B khi mài tinh Trong đó B là chiều dày đá
Như vậy trong trường hợp Bmax ta chọn Bmax= 20mm Suy ra Sdọc= 0,85.20=17mm/hành trình
Với tmax = 0,05mm. Thay số(2.1) vào ta có:
Pz= 2,2.10,7.8,50,7.0,050,6.10 ≈16,3 N
Thực nghiệm đãchứng minh rằng, lực hướng kính (Py) lớn hơn lực cắt gọt Pz của mài trong phạm vi:
Py=(1÷3) Pz (2.2) Và Px= (0,1÷0,2) Pz (2.3) Nhưvậy Pymax ≈ 3.53 = 159N
Lựa chọn kết cấu cho cụm trục thứ4 Trục vít Hình 2. 9 Trục vít Thơng sốkỹthuật Chiều rộng bề răng (mm) 10 Vật liệu Đồng Xửlý nhiệt Cảm ứng cứng Modun 1 Sốlần bắt đầu 1 Góc trước 3°11’ Bảng 2. 1 Thơng sốtrục vít Bánh vít: Hình 2. 10 Bánh vít
Thơng sốkỹthuật Vật liệu Đồng C (Ø) 60,12 mm D (Ø) 62 mm D* (Ø) 63 mm E 10 mm F 10 mm G 20 mm J 38 mm Kích thước lỗvít M4 Số răng 60 Đường kính trục A (Ø) 10 mm B (Ø) 30 mm Bảng 2. 2 Thơng sốbánh vít Bánh răng Cụm bánh răng ăn khớp Z100 –Z24 Hình 2. 11 Cụm bánh răng ăn khớp Z100-Z24
Thông sốkỹthuật Bánh răng Z100 Bánh răng Z24 Vật liệu C45 C45 Đường kính trục khoan (mm) 17 15 Chiều rộng bề răng B 10 10 Modun 1 1 Đường kính đỉnh răng(mm) 102 26 Đường kính vịng chia (mm) 100 24
Đường kính chân răng (mm) 97,5 21,5
Dung sai lỗkhoan trục H7 H7
Bảng 2. 3 Thống sốcụm bánh răng Z100-Z24
• Cụm bánh răng ăn khớp Z64 –Z32
Hình 2. 12 Cụm bánh răng ăn khớp Z64-Z32
Thông sốkỹthuật Bánh răng Z64 Bánh răng Z32
Vật liệu C45 C45
Đường kính trục khoan (mm)
20
Dung sai lô khoan trục H7 H7
Modun 1 1
Đường kính đỉnh răng 66 34
Đường kính vịng chia 64 32
Đường kính chân răng 61,5 29.5
L 20 20
l1 10 10
l2 5 5
M* M5 M5
Bảng 2. 4 Thông sốcụm bánh răng ăn khớp Z64-Z32
Khớp nối động cơ –trục vít
Mặt bích 1
Hình 2. 14 Mặt bích
Mặt bích 2
Trục gá
Hình 2. 16 Trục gá
Mũi chống tâm 1
Vịng bi 25
Hình 2. 18 Vịng bi d( ) 25
Thơng sốkỹthuật
Vật liệu vịng trong/ngồi SUVJ2 Equiv
d (mm) 25 D (mm) 37 B (mm) 7 R (mm) 0,3 Ds (mm) Min 27 Max 28 Dh max (mm) 35 R max (mm) 0,3 Bảng 2. 5 Thơng sốvịng bi Ụ động Hình 2. 19Ụ động
Vỏhộp giảm tốc
Hình 2. 20 Vỏhộp giảm tốc
Nắp hộp 1
Nắp hộp 2
Hình 2. 22 Nắp hộp 2
Tính chọn đơng cơ dẫn đông cho trục A a) Yêu cầu thiết kế
+ Đảm bảo cơng suất cắt gọt, tốc độcắt gọt.
+ Độchính xác truyền động cao (độchính xác dịch chuyển 0,005mm) + Làm việc êm, giá thành thấp.
+ Góc quay : 0° -∞
+ Vận tốc lớn nhất khi không gia công: 1000vg/ph + Vận tốc lớn nhất khi gia công : 30vg/ph
+ Khối lượng lớn nhất của chi tiết : 5kg.
+ Thời gian hoạt động: Lt= 17520h (khoảng 5-7 năm) + Độchính xác vịtrí: ± , °= 1′18′′
Chọn loại động cơ:
Ta có bảng so sánh giữa động cơ bước và động cơ Servo: Động cơ bước Động cơ Servo Mạch driver Đơn giản, người
dùng có thể chế tạo chúng
Mạch phức tạp. Thông thường người sử dụng phải mua mạch driver từcác nhà sản xuất.
Nhiễu và rung động Ít Rất ít Tốc độ Chậm (tối đa 1000 –
2000 vịng/ph)
Nhanh hơn (tối đa 3000 – 5000 vịng/ph)
Hiện tượng trượt bước
Có thể xảy ra nếu tải quá lớn
Khó xảy ra (động cơ vẫn chạy trơn tru nếu tải tăng)
Phương pháp điều khiển
Vòng hở (khơng có encoder)
Vịng kín (có encoder) Cơng suất động cơ Nhỏ(tối đa là 2 kW) Lớn
Giá thành(động cơ + driver) Thấp Cao Độphân giải 2 pha PM: 7,5º (48 ppr) 2 pha HB: 1,8º (200 ppr) hoặc 0,9º (400 ppr) 5 pha HB : 0,72º (500 ppr) hoặc 0,36º (1000 ppr) Phụ thuộc độ phân giải của encoder
Thông thường vào khoảng 0,36º (1000 ppr) –0,036º (10000 ppr)
(ppr : xung/vòng)
Bảng 2. 6 So sánh 2 loại động cơ
Do yêu cầu về tốc độvà tải trọng không cao, cũng như để đáp ứng việc tối ưu vềgiá thành nên ta chọn động cơ bước cho máy.
Hình 2. 23Động cơ bước
b) Thơng sốkỹthuật
- Thời gian cho q trình có gia tốc là rất ngắn,do đó ở đây ta chỉ tính cho q trình chạy đều ( chiếm phần lớn thời gian gia công ).
- Thời gian hoạt động: Lt= 25000h (khoảng 8,6 năm).
- Chọn động cơ bước để điều khiển quỹ đạo chuyển động theo trục.
c) Tính mơ men ma sát
= . . = 0,99.0,4. 0,98 . 1 = 0,38 = . . . . os 2 . . = 5.9,81.0,1.5.10− . os0 2. . 1.0,38 = 0.01 . (2.4) Trong đó: Bước vít l = 5 (mm ) Hệsốma sát : µ = 0.1 Gia tốc trọng trường : g = 9.81 (m/ )
Khối lượng phần đầu dịch chuyển : m = 5 (kg)
Hiệu suất bộtruyền: = 0.38
Tính mơ men thắng trọng lực của kết cấu:
= . . .2. . . =5.9,81.5.102. . 1.0,38− . 0 = 0 . (2.5) Tính vận tốc dài: với đường kích trục vít được chọn là 10mm
ax =60000. . = . 10.100060000 = 0,31 / (2.6) Tính mơ men máy:
Hệsố ma sát trượt giữa thép và gang ta chọn μ = 0,12 ach=2. . . .. ax
ax =2. . 1.0,38.0,310,12.10,6 = 1,72 . (2.7) Tính mơ men tĩnh:
= + + = 0,01 + 0 + 1,7 = 1,8 . (2.9) Chọn động cơ bước Step 86BYGH450B có momen xoắn tối đa là 8N.m
Hình 2. 24Động cơ bước
Thơng sốkỹthuật:
Step Angle: 1.8 degree (+-5%) Dịng tối đa:5A/phase Momen xoắn: 8 Nm Khối lượng: 3.5 Kg Tổng chiều dài: 115 mm Đường kính trục: 14 mm Chiều dài trục: 37 mm Sốcuộn dây: 2
Bảng 2. 7 Thông sô kỹthuật động cơ bước
Kết luận vềhệthống cơ khí
Từmục tiêu và yêu cầu đã đềra, ta phân tích, tính tốn, lựa chọn được: - Phương án thiết kếhợp lý
- Sơ đồ động cho máy
- Kết cấu dẫn động trục A: trục vít – bánh vít, bánh răng- bánh răng, bánh răng-bánh răng
- Tính tốn thiết kế được động cơ dẫn động cho trục A với Góc quay 0° -∞
CHƯƠNG 3.THIẾT KẾHỆ THƠNG ĐIỀU KHIỂN CHO CỤM TRỤC THỨ4
3.1 Thiết kếhệthống điều khiển trục A trên máy mài CNC 3 trục có trước
Sơ đồ điều khiển tổng quan máy
Hình 3. 1Sơ đồkhối điều khiển máy
Hệthống điều khiển gồm nhiều thành phần giao tiếp với nhau qua khối điều khiển trung tâm. Tất cả các thiết bị trong hệ thống đều được cấp nguồn từ khối nguồn. Bo mạch điều khiển chịu trách nhiệm làm trung tâm xửlý tín hiệu đến các thành phần của hệthống. Tín hiệu điều khiển được gửi từmáy tính tới mạch điều khiển, sau đó mạch điều khiển sẽxửlý các tín hiệu và cấp tín hiệu điều khiển phù hợp đến các thành phần khác của hệthống như driver chuyển tín hiệu động cơ các trục, biến tần điều khiển trục chính… Hoặc nhận tín hiệu từcác cơng tắc hành trình hay nút dừng khẩn cấp để đưa ra tín hiệu dừng máy khi máy vượt quá giới hạn làm việc.
Nguyên lý mạch điều khiển
Phần lớn các máy cơng cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều khiển chu trình kín và nó kiểm sốt vịtrí dịch chuyển dụng cụ chính xác hơn, do đó chất lượng gia cơng chi tiết tốt hơn.
Tuy nhiên, điều khiển theo chu trình hởvẫn cịn sửdụng ởcác máy CNC có độchính xác vịtrí thấp hoặc các máy có momen cản sinh ra trên động cơ dẫn động bàn máy nhỏvà giá trị ổn định đểgiảm giá thành chếtạo.
Như đã phân tích ởtrên, các máy CNC hiện nay có 4 phương án điều khiển điển hình là:
-Điều khiển chu trình hở. -Điều khiển chu trình nửa kín. -Điều khiển chu trình kín. -Điều khiển chu trình hỗn hợp.
a) Điều khiển chu trình hở
Là bộ điều khiển khơng phản hồi, không sửdụng hồi tiếp để xác định sốliệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay khơng.
Điều khiển vịng hở được sử dụng cho các hệ thống được xác định rõ ràng, nơi mà mối quan hệgiữa đầu vào và trạng thái kết quảcó thể được mơ tảbởi một cơng thức tốn học.
Một đặc tính của bộ điều khiển vịng hởlà nó khơng sửdụng hồi tiếpđểxác định liệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay khơng. Điều này có nghĩa là hệthống này khơng giám sát đầu ra của q trình mà nó điều khiển.
Do đó, một hệ thống vịng hở thực sử không thể được sử dụng trong máy họcvà cũng khơng thểhiệu chỉnh bất kỳsai sốcó thểmắc phải nào. Nó cũng khơng thểbù nhiễu trong hệthống.
- Khơng thể áp dụng cho các máy CNC có độchính xác cao hoặc có lực cắt gia cơng lớn.
- Thường sửdụng động cơ bước, động cơ một chiều. Độchính xác gia công chủyếu phụthuộc vào truyền động của động cơ bước, vitme và hệthống truyền động.
- Khi momen quay nhỏ và ít thay đổi thì độchính xác dịch chuyển khá cao. Do vậy, nhiều máy CNC khơng địi hỏi độ chính xác cao hiện nay vẫn sửdụng chu trình điều khiển hở.
- Độ chính xác điều khiển phụthuộc vào khả năng điều chỉnh và độ tin cậy điều chỉnh của thiết bị.
- Điều khiển vòng hở được sửdụng cho các hệthống được xác định rõ ràng, nơi mà mối quan hệ giữa đầu vào và trạng thái kết quảcó thể được mơ tảbởi một cơng thức tốn học.
- Đáp ứng chậm (thời gian đáp ứng dài).