2.3.1. Các phương án thiết kế 2.3.1.1. Phương án 1:
Hình 2.10. Mơ hình thiết kế 1 máy CNC.
Hoạt động: Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z. Hoạt động theo nguyên tắc là biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theo các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – bi. Tịnh tiến của máy là cơ cấu trượt ổ bi thanh trượt.
Ưu điểm: – Vật liệu là gỗ dễ tìm, giá thành rẻ. – Lắp ghép đơn giản. Nhược điểm: – Vật liệu bằng gỗ nên tính bền thấp. – Trượt bằng ổ bi độ chính xác thấp, ma sát lớn. – Tính thẩm mỹ thấp.
2.3.1.2. Phương án 2:
Hình 2.11. Mơ hình thiết kế 2 máy CNC.
Hình 2.12 Cơ cấu trượt
Hoạt động:
Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z. Hoạt động theo nguyên tắc là biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theo các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – đai ốc bi. Tịnh tiến theo trục X, Y, Z là cơ cấu trượt bằng ổ bi lăn.
Ưu điểm:
– Khung máy bằng sắt nên độ cứng vững cao. – Vật liệu dễ tìm.
– Cĩ thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu giữ trục dẫn hướng.
Nhược điểm:
– Trượt bằng ổ bi độ chính xác thấp, ma sát lớn. – Giá thành cao.
– Lắp ghép phức tạp. – Hiệu suất làm việc thấp.
2.3.1.3. Phương án 3:
Hình 2.13. Mơ hình thiết kế 3 máy CNC.
Hoạt động:
Sử dụng 3 trục tọa X, Y, Z. Hoạt động theo nguyên tắc là biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục máy theo các hệ trục tọa độ nhờ trục vít me – đai ốc bi. Tịnh tiến theo trục X, Y, Z là cơ cấu trượt bằng ổ bi trượt trên trên thanh sắt ti.
Ưu điểm:
- Khung máy bằng sắt nên độ cứng vững cao.
- Cơ cấu trượt là ổ bi trượt nên độ chính xác cao, dẫn hướng tốt, ma sát nhỏ, độ bền cao.
- Mơ hình gọn, tính thẩm mỹ cao.
- Cĩ thể canh, chỉnh độ đồng tâm của trục vít là nhờ vào cơ cấu dữ trục dẫn hướng. - Bàn máy được đặt cố định với khung dưới của máy. Dễ dàng khi kẹp chi tiết
gia cơng.
- Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng. - Dễ điều khiển, linh động.
Nhược điểm:
- Giá thành cao, vật liệu khĩ tìm.
- Cơ cấu chuyển động theo trục Z chưa được hồn hảo.
2.3.1.4. Kết luận
Theo ưu và nhược điểm của các phương án trên. Phương án 3 là phương án được khắc phục từ nhược điểm của phương án 1 và 2. Phương án 3 là phương án được lựa chọn và thiết kế trong đồ án này của chúng em. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.2. Phân tích, lựa chọn động cơ và trục vít me.
2.3.2.1. Động cơ dẫn động hai trục chính X, Y và trục Z a. Động cơ bước (Stepping Motor) a. Động cơ bước (Stepping Motor)
Ưu điểm:
- Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác và đơn giản. - Khơng cần mạch phản hồi.
- Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC.
Nhược điểm:
- Giá thành cao. - Momen xoắn nhỏ.
Hình 2.15 .Động cơ bước
b. Động cơ servo:
Hình 2.16. .Động cơ Servo
Ưu điểm:
- Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dịng tới cuộn dây động cơ giúp tiếp tục quay. Tránh hiện tượng trượt bước như trong động cơ bước.
- Cĩ thể hoạt động ở tốc độ cao.
Nhược điểm:
- Đơng cơ servo hoạt động khơng trùng khớp với lệnh điều khiển bằng động cơ bước. - Giá thành cao.
c. Kết luận
Trong đề tài để đơn giản về phần điều khiển nhĩm em chọn sử dụng động cơ bước.
Hai trục chính X và Y
Ta chọn động cơ bước làm động cơ dẫn động cho hai trục chính, vì hai trục chính cần điều khiển vị trí, tốc độ chính xác. Các thơng số chính của động cơ bước như sau: Nơi xuất xứ Nhật Bản Tên A5956-9412K Số pha 2 Số dây 6 Bước gĩc (độ) 1,8 Dịng điện (A) 2,9
Điện trở cuộn dây (ohms) 1,15
Chiều dài (mm) 86 Chiều rộng (mm) 86 Kích thước động cơ Độ dày (mm) 68 Đường kính trục (mm) 14 Chiều dài trục (mm) 34 Trọng lượng (gram) 1780 Trục Z
Ta chọn động cơ bước cĩ cơng suất nhỏ hơn để thuận tiện cho việc phát triển đề tài, điều khiển trục Z đơn giản hơn 2 trục cịn lại.
Các thơng số của động cơ Tên Momen xoắn(Nm) Điện trở cuộn dây(ohm) Bước gĩc(độ) Dịng/ pha (A) PK268-02A 1.35 2.25 1.8 2
2.3.2.3. Bộ truyền, biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến: Bộ truyền vít me bi Bộ truyền vít me bi
Hình 2.18. Kết cấu vít me –bi chuyên dùng cho máy CNC.
Ưu điểm:
– Ứng suất tiếp xúc nhỏ.
– Đã cĩ sẵn kết cấu khử khe hở và tạo sức căng ban đầu nhằm tăng độ cứng vững dọc trục.
– Ma sát nhỏ.
– Hiệu suất làm việc cao. – Làm việc êm, khơng ồn (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nhược điểm:
– Giá thành cao, vít bi khĩ chế tạo, cần cĩ đường dẫn hồi bi. – Khĩ tìm trên thị trường.
c. Kết luận:
Mơ hình cần độ chính xác cao và tốc độ đáp ứng nhanh nên,làm việc êm, khơng ồn, độ cứng vững dọc trục cao, Do đĩ đối với bộ truyền chúng em chọn bộ truyền vít me – bi.
2.3.2.2. Động cơ phay a. Động cơ xoay chiều a. Động cơ xoay chiều Ưu điểm:
– Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều. – Đa dạng và rất phong phú về chủng loại. – Giá thành rẻ.
Nhược điểm:
– Phải cĩ mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an tồn.
– Momen khởi động nhỏ.
– Mạch điều khiển tốc độ phức tạp (biến tần).
b. Kết luận
Đối với đề tài này, chúng em hướng về phương án phay trên gỗ nên chọn động cơ xoay chiều. Loại động cơ này cĩ tốc độ cao, momen lớn, phù hợp với việc phay gỗ.
Hình 2.19.Động cơ phay
Động cơ cĩ thơng số như sau:
Hãng sản xuất Makita
Cơng suất(W) 380
Tốc độ khơng tải(vịng trên phút) 30,000 Đường kính mũi phay(mm) 6
Trọng lượng(kg) 1.7
Tần số(Hz) 50-60
2.3.3. Thiết kế, chế tạo phần cơ khí 2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC 2.3.3.1. Vật liệu chế tạo máy phay CNC
Thép
Khung máy được chế tạo bởi các thép hình hộp chữ nhật kích thước 30x60 mm và 20x20mm, được hàn cố dịnh với nhau tao thành các khung .
Trục dẫn hướng trục Y là thép đặc φ 25mm, trục dẫn hướng trục X là thép đặc
φ16mm, trục dẫn hướng trục Z là thép đặc φ10mm.
Thép là vật liệu điển hình thuộc nhĩm vật liệu kim loại, được sử dụng nhiều trong các cơng trình cầu, đường sắt và cơng trình xây dựng. Chúng cĩ ưu điểm là cường độ chịu lực cao, lớn nhất trong các vật liệu xây dựng, nhưng dễ bị tác dụng ăn mịn của mơi trường. Thép là hợp kim sắt - các bon, hàm lượng các bon < 2%.
Theo hàm lượng các bon chia ra:
– Thép các bon thấp : hàm lượng các bon ≤ 0,25%.
– Thép các bon trung bình : hàm lượng các bon 0,25 - 0,6%. – Thép các bon cao : hàm lượng các bon 0,6 - 2%.
– Khi tăng hàm lượng các bon, tính chất của thép cũng thay đổi: Độ dẻo giảm, cường độ chịu lực và độ giịn tăng. Để tăng cường các tính chất kỹ thuật của thép cĩ thể cho thêm những nguyên tố kim loại khác như: mangan, crơm, niken, nhơm, đồng...
Theo tổng hàm lượng các nguyên tố kim loại thêm vào chia ra: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
– Thép hợp kim thấp: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác ≤ 2,5%. – Thép hợp kim vừa: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác 2,5-10%. – Thép hợp kim cao: Tổng hàm lượng nguyên tố kim loại khác > 10%.
Vì khung máy cũng ít chịu lực, tải trọng nặng nên ta chọn thép các cacbon trung bình làm vật liệu chế tạo khung máy phay CNC.
Trục dẫn động cần cĩ độ cứng vững cao, chịu lực lớn, độ mài mịn cao trong quá trình làm việc vì thế ta chọn thép các bon cao để đảm bảo độ bền.
Hình 2.21. Thép ống
Que hàn
Que hàn nĩng chảy là loại điện cực mà lõi làm bằng kim loại (thép, gang, dồng, nhơm,...) bên ngồi cĩ một lớp thuốc bọc. Khi hàn que hàn sẽ bổ sung kim loại và tăng cường một số tính chất đặc biệt cho mối hàn. Que hàn nĩng chảy cĩ nhiều loại như que hàn thép các bon, que hàn thép inox, que hàn thép hợp kim, que hàn đồng, que hàn nhơm,...
Yêu cầu:
Đảm bảo cơ tính của mối hàn, đảm bảo thành phần hố học cần thiết của mối hàn, cĩ tính cơng nghệ tốt dễ gây hồ quang, hồ quang cháy ổn định, nĩng chảy đều, cĩ khả năng hàn ở tất cả các vị trí trong khơng gian, mối hàn khơng cĩ rổ, khơng nứt, xỉ nổi đều và dễ bong ra, khơng bắn toé nhiều. Hệ số đắp cao. Khơng sinh khí độc hại ảnh hưởng đến sức khoẻ của cơng nhân. Dễ dàng chế tạo và giá thành rẻ.
Tác dụng của lớp thuốc bọc que hàn: kích thích hồ quang và làm cho hồ quang cháy ổn định, tạo khí và tạo xỷ để bảo vệ mối hàn. Lớp xỷ cĩ tác dụng làm cho muối hàn nguội chậm tránh hiện tượng tơi của mối hàn, khử oxy hồn nguyên kim loại, tăng cơ tính và một số tính chất đặc biệt của mối hàn.
Bulơng – Đai ốc
Hình 2.23. Các loại bulơng – đai ốc
Ưu điểm:
– Dễ tháo lắp, khơng làm hỏng các chi tiết lắp ghép.
– Thuận tiện cho quá trình thay thế, sửa chữa nhanh chống, ít tốn thời gian. – Cĩ thể lắp ghép được nhiều chi tiết với nhau.
Nhược điểm:
– Lắp ghép nặng nề, nhất trong trường hợp dùng nhiều bulơng.
Ổ bi
Dùng để đỡ các trục quay, nhận tải trọng từ trục truyền đến giá đỡ. Ổ lăn được
tiêu chuẩn hĩa rất cao. Dạng ma sát trong ổ lăn là ma sát lăn.
Ưu điểm
– Hệ số ma sát nhỏ (0.0012 ÷ 0.0035) đối với ổ bi. – Ít sinh nhiệt trong quá trình làm việc.
– Mức tiêu chuẩn hĩa và tính lắp lẫn cao, do đĩ thay thế thuận tiện. – Hiệu suất làm việc cao.
Nhược điểm
– Tháo, lắp hơn phức tạp. – Khả năng giảm chấm kém. – Giá thành tương đối cao.
Hình 2.24. Kết cấu ổ lăn
Hình 2.25. Một số loại ổ lăn
Thanh trượt, Ổ trượt: Ưu điểm:
- Độ chính xác cao, làm việc êm. - Ma sát ít.
Nhược điểm:
- Khĩ tìm tên thị trường. - Giá thành cao. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2.3.3.2. Thiết kế, chế tạo máy phay CNC a. Các khung chính của máy phay CNC a. Các khung chính của máy phay CNC
Phần đế cố định :
Hình 2.27. Khung dưới của máy
Khung trục X:
Trục Z:
Hình 2.29. Trục Z
b. Trục dẫn hướng
Hình 2.30. Trục dẫn hướng
c. Cơ cấu trượt
d. Cơ cấu giữ trục dẫn hướng
Hình 2.32. Cơ cấu giữ
e. Cơ cấu cố định động cơ
Hình 2.33. Cơ cấu cố định động cơ
f. Cơ cấu khớp nối
Cơng dụng
– Liên kết các trục với nhau.
– Truyền chuyển động giữa hai trục (trục động cơ và trục quay). – Truyền được tỉ số truyền lớn.
Phân loại
– Khớp nối chặt, chỉ cĩ thể nối hoạt tách 2 trục khi dừng máy. Vị trí đối của hai trục phải chính xác theo thiết kế.
– Khớp nối bù, là khớp nối cho phép hai trục cĩ sai lệch vị trí tương quan. – Khớp nối đàn hồi, cĩ khả năng biến dạng đàn hồi lớn.
g. Cơ cấu dẫn động động cơ phay
Cơ cấu này là cơ cấu trượt ma sát. Dùng trục vít – đai ốc để tịnh tiến cơ cấu dữ động cơ phay theo phương Z.
Hình 2.35. Cơ cấu dẫn động động cơ phay tịnh tiến theo trục Z
2.3.3. Giới thiệu về bộ truyền trục vít me – bi. a. Giới thiệu chung a. Giới thiệu chung
Trong máy cơng cụ điều khiển số người ta sử dụng hai dạng vit me cơ bản đĩ là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi.
• Vít me đai ốc thường: là loại mà vít me và đai ốc cĩ dạng tiếp xúc mặt
Ta xét mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi:
Đường cong trên là đường cong biểu thị mối quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường. Đường cong này chia l àm hai phần:
+ Phần từ a đến b là vùng ma sát nửa ướt. Vùng này cĩ sự tiếp xúc trực tiếp giữa vít me và đai ốc. Khi vận tốc bằng khơng, lực ma sát ướt lớn nhất, khi vận tốc tăng lên dầu dần dần hình thành làm lực ma sát giảm dần tới b. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Giai đoạn tiếp theo là quá trình bơi trơn giữa hai bề mặt thủy động và hư đồ thị thì lực ma sát tăng theo tốc độ.
Khi điều khiển máy CNC hai hoặc nhiều trục địi hỏi thời gian khởi động bàn máy nhanh và momen nhỏ. Nhìn vào đường cong trên ta thấy vít me đai ốc thường khơng đảm bảo được yêu cầu trên của máy CNC.
Thay vì trạng thái tiếp xúc mặt như vít me đai ốc thường thì vít me đai ốc bi cĩ dạng tiếp xúc lăn bằng cách đưa vào các rãnh ren số lượng lớn bi hoặc bi trụ. Do tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là ma sát lăn nên ma sát cĩ thể là coi là khơng đáng kể. Từ đồ thị trên ta thấy vít me đai ốc bi đã xĩa bỏ được vùng ma sát khơ và ma sát nửa khơ của ma sát thường.
Ưu điểm của Vít me bi:
• Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần bằng 0.9
• Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như khơng phụ thuộc vào tốc độ.
• Cĩ thể loại trừ khe hở và tạo sức căng ban đầu đảm bảo độ cứng vững dọc trục cao.
Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài.
b. Kết cấu bộ truyền vít me bi
Vít me bi cĩ kết cấu đa dạng nhưng chúng đều cĩ cấu tạo chung như sau:
Hình 2.36: quan hệ giữa lực ma sát và tốc độ của vít me đai ốc thường và vít me
1: Vít me
2: Đai ốc
3: Vịng bi
4: Ống hồi tiếp
c. Dạng profil răng vít và răng đai ốc
Vấn đề quan trọng nhất trong kết cấu của bộ truyền vít me đai ốc đĩ là dạng profil răng vít me và răng đai ốc. Profil răng vít me dạng chữ nhật và dạng hình thang là dễ chế tạo nhất. Tuy nhiên do độ cong của hai bề mặt khác nhau quá lớn nên dẫn đến ứng suất tiếp xúc tăng và khả năng tải của bộ truyền thấp. Vì vậy hai dạng profil này ít được sử dụng.
Do đĩ để giảm được ứng suất tiếp xúc, tăng khả năng tải, tăng độ cứng vững của bộ truyền và giảm momen ma sát thì ta phải tăng bề mặt làm việc. Để đảm bảo được điều này thì ta phải thiết kế profil dạng trịn.
Nếu bán kính của bi là ri, bán kính của profil ren là r2 nên chọn r1/r2 = 0.95 ^ 0.97.
Với profil là nửa cung trịn thì gĩc tiếp xúc của bộ truyền cĩ thể là a = 600 . Tuy nhiên bộ truyền với gĩc tiếp xúc a = 450 sẽ cĩ khe hở nhỏ nhất và cho khả năng chế tao với độ chính xác cao.
d. Kết cấu hồi bi
Cĩ nhiều dạng kết cấu hồi bi nhưng chúng ta cĩ thể chia thành các dạng cơ bản sau: Rãnh hồi bi kiểu ống cong: được dùng khá phổ biến trong các bộ truyền
Trên đai ốc người ta khoan lỗ tiếp tuyến với đường ren. Việc dẫn hướng cho bi