Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Máy phay CNC (Computer Numerical Control) là thiết bị gia công cơ khí chính xác giữ vai trò quan trọng trong việc tự động hóa quá trình sản xuất công nghiệp, đặc biệt là đối với các mô hình sản xuất hàng loạt nhỏ và sản xuất linh hoạt. So với các dòng máy công cụ truyền thống, máy CNC thể hiện nhiều đặc tính ưu việt bao gồm việc nâng cao mức độ tự động hóa, tăng độ chính xác và chất lượng gia công, tối ưu hóa mức độ tập trung nguyên công và nâng cao hiệu quả kinh tế tổng thể.

Về bối cảnh thị trường, nhu cầu đối với các dòng máy CNC trên toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng. Quy mô thị trường máy CNC toàn cầu ước tính đạt 96,4 tỷ USD vào năm 2021 và dự kiến đạt khoảng 153,6 tỷ USD vào năm 2030, tương ứng với tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) đạt 5,33% trong giai đoạn 2022–2030. Dự báo đến năm 2030, nhu cầu máy CNC toàn cầu sẽ vượt mức 2,8 triệu chiếc, tập trung ở các phân loại chính như máy tiện CNC, máy phay CNC và máy khoan tia lửa điện CNC.

Trong hệ thống máy phay CNC, cụm bàn máy và cơ cấu dẫn động là bộ phận then chốt quyết định trực tiếp đến độ cứng vững, độ chính xác vị trí và chất lượng bề mặt gia công. Đồ án môn học "Thiết kế hệ thống cơ khí: Thiết kế dẫn động cho bàn máy CNC" do sinh viên Nguyễn Quốc Tuấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Phạm Đức An (Khoa Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách Khoa Hà Nội, hoàn thành tháng 01/2024) tập trung giải quyết các bài toán tính toán động học và động lực học của hệ thống dẫn động hai trục.

Mục tiêu và mục đích nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

  1. Mục tiêu nghiên cứu: Tính toán, thiết kế hệ dẫn hướng và dẫn động có khả năng ứng dụng để chế tạo bàn máy CNC hai trục đơn giản phục vụ cho sản xuất thực tế.
  2. Mục đích nghiên cứu: Nắm vững và hiểu sâu về công nghệ CNC nhằm phục vụ quá trình học tập, nghiên cứu và ứng dụng trong giảng dạy.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu dẫn động bàn máy phay CNC 2 trục (trục X và trục Y), bao gồm hệ thống thanh trượt ray dẫn hướng, bộ truyền trục vít me – đai ốc bi, hệ thống gối đỡ và ổ lăn, cùng cụm động cơ truyền động.
  • Phạm vi thông số và điều kiện làm việc:
    • Khối lượng phôi lớn nhất ($M$): 500 kg (phôi thép lập phương $400 \times 400 \times 400\text{ mm}$, vật liệu S45C, khối lượng riêng $D = 7870\text{ kg/m}^3$).
    • Khối lượng bàn máy: Bàn X là 140 kg ($W_x = 1400\text{ N}$); Trục Y chịu tải trọng tổng thể gồm bàn Y (320 kg), bàn X và phôi ($W_y = 3200\text{ N}$).
    • Vận tốc chạy lớn nhất không tải ($V_1$): 18 m/ph ($0,3\text{ m/s}$).
    • Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có tải ($V_2$): 15 m/ph ($0,25\text{ m/s}$).
    • Gia tốc hoạt động lớn nhất ($a$): $4\text{ m/s}^2$ ($0,4g$).
    • Hành trình dịch chuyển lớn nhất: Trục X là 790 mm; Trục Y là 550 mm.
    • Thời gian hoạt động thiết kế ($L_h$): 22.000 giờ (tương đương 5 đến 7 năm làm việc).
    • Yêu cầu độ chính xác: Độ chính xác vị trí không tải $\pm 0,030 / 1000\text{ mm}$, độ chính xác lặp $\pm 0,005\text{ mm}$, độ lệch truyền động $\pm 0,02\text{ mm}$, hệ số ma sát trượt $\mu = 0,1$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án dựa trên nền tảng lý thuyết thiết kế máy công cụ điều khiển số (chuẩn lập trình EIA-274-D mã G), lý thuyết động lực học máy cắt kim loại và các tiêu chuẩn tính toán sức bền, tải trọng cơ khí chính xác:

  • Khung lý thuyết tính toán cơ khí: Áp dụng phương pháp tính toán tải trọng tương đương, tải trọng trung bình, kiểm nghiệm tải trọng tĩnh ($C_0$) và tải trọng động ($C$) cho hệ thống ray trượt tuyến tính và bộ truyền vít me – đai ốc bi. Sử dụng các phương trình cân bằng lực và mô men trong các pha chuyển động: chuyển động đều, tăng tốc và giảm tốc sang hai phía trái/phải.
  • Phương pháp xác định lực cắt gọt: Tính toán chế độ cắt phay mặt đầu thử nghiệm SVT tối đa (dao phay mặt đầu 6 lưỡi cắt, đường kính $D = 80\text{ mm}$, vật liệu gia công thép S45C tiêu chuẩn JIS, Grade 4040, vận tốc cắt $v = 100\text{ m/ph}$, chiều sâu cắt $t = 1,2\text{ mm}$, lượng chạy dao phút $F = 900\text{ mm/ph}$, chiều rộng phay $B = 64\text{ mm}$). Giá trị lực cắt chính $F_m = 2397,5\text{ N}$ và mô men cắt $M_c = 95,08\text{ N.m}$ được xác định thông qua phần mềm tính toán Coroguide của Sandvik Coromant.
  • Phương pháp tính chọn linh kiện tiêu chuẩn: Quy trình tính toán dựa trên các công thức giải tích chuẩn và đối chiếu thông số lựa chọn trực tiếp từ tài liệu kỹ thuật (catalog) của các hãng sản xuất công nghiệp: catalog ray trượt và vít me bi của hãng NSK và PMI; catalog vòng bi của hãng SKF; tài liệu kỹ thuật động cơ của hãng ANILAM.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống dẫn động bàn máy phay CNC được thiết kế theo cấu trúc bàn máy chữ thập hai trục X-Y đặt nằm ngang (góc nghiêng trục $\alpha = 0^\circ$). Hệ thống truyền động sử dụng phương án kết nối trực tiếp giữa trục động cơ và trục vít me bi thông qua khớp nối (tỷ số truyền $i = 1$, không sử dụng hộp giảm tốc), giúp triệt tiêu khe hở truyền động và nâng cao độ cứng vững động học.

Thông số thiết kế Trục X Trục Y
Khối lượng dịch chuyển tổng cộng $640\text{ kg}$ (Phôi $500\text{ kg}$ + Bàn $140\text{ kg}$) $960\text{ kg}$ (Phôi $500\text{ kg}$ + Bàn X $140\text{ kg}$ + Bàn Y $320\text{ kg}$)
Hành trình làm việc ($L_s$) $790\text{ mm}$ $550\text{ mm}$
Chiều dài trục vít me ($L$) $1200\text{ mm}$ (tính toán sơ bộ $1121\text{ mm}$) $900\text{ mm}$ (tính toán sơ bộ $830\text{ mm}$)
Đường kính danh nghĩa vít me ($d$) $45\text{ mm}$ $45\text{ mm}$
Bước dẫn vít me ($l$) $10\text{ mm}$ $10\text{ mm}$
Kiểu bố trí ổ đỡ trục vít me Cố định – Tùy động (Fixed – Supported) Cố định – Tùy động (Fixed – Supported)
Loại ray dẫn hướng lựa chọn PMI MSA 25 LA ($C = 34,6\text{ kN}$) PMI MSA 45 A ($C = 83,2\text{ kN}$)
Loại trục vít me bi lựa chọn PMI 45-10B3-FSWC ($C_a = 7760\text{ kgf}$, $C_0 = 23550\text{ kgf}$) PMI 45-10B3-FSWC ($C_a = 7760\text{ kgf}$, $C_0 = 23550\text{ kgf}$)
Ổ lăn đầu cố định 2 ổ bi đỡ-chặn SKF 7208 BE-2RZP 2 ổ bi đỡ-chặn SKF 7208 ACCBM
Ổ lăn đầu tùy động 1 ổ bi đỡ sâu SKF 61908 1 ổ bi đỡ sâu SKF 61908
Động cơ dẫn động lựa chọn ANILAM AM 1160E ($M_{start} = 10\text{ N.m}$, $N_{max} = 3000\text{ rpm}$) Tính toán theo mô men tải tương đương

Sơ đồ lắp đặt ổ đỡ trục vít me dạng Fixed – Supported sử dụng 2 ổ bi đỡ-chặn lắp đối mã tại một đầu để triệt tiêu độ rơ dọc trục theo cả hai chiều và chịu toàn bộ lực dọc trục phát sinh trong quá trình cắt gọt và tăng giảm tốc. Đầu còn lại bố trí một ổ bi đỡ sâu một dãy có khả năng dịch chuyển dọc trục tự do nhằm bù trừ hiện tượng giãn nở vì nhiệt của trục vít me trong quá trình vận hành liên tục.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

Chương này tổng quan về lịch sử phát triển của hệ thống điều khiển số từ thập niên 1940–1950 tại phòng thí nghiệm Servomechanism của MIT (tiền thân là hệ thống NC dùng băng đục lỗ) đến các hệ điều khiển CNC hiện đại sử dụng bộ nhớ số và tiêu chuẩn EIA-274-D. Tác giả tiến hành so sánh toàn diện giữa máy công cụ truyền thống và máy CNC.

Tiêu chí so sánh Máy điều khiển số (CNC) Máy công cụ truyền thống
Nhập chương trình Bàn phím hoặc phần mềm chuyên dụng Không có
Kẹp phôi Gá kẹp tự động bằng Pallet Gá kẹp bằng tay
Thay dao Thay dao tự động bằng cơ cấu thay dao Thay dao bằng tay
Xác định chuẩn gia công Thiết bị rà gá chuyên dùng Rà gá thủ công, đồ gá đơn giản
Điều chỉnh tốc độ trục chính Nhập từ bàn phím hoặc phần mềm Gạt tay điều chỉnh cơ cấu thay đổi tốc độ
Di chuyển bàn máy Phím bấm điều khiển hoặc tay quay điện tử Tay quay cơ khí
Độ chính xác Cao Thấp
So sánh giá trị thực và lý thuyết Màn hình hiển thị tọa độ gia công trực quan Quan sát mắt, ước lượng kích thước
Kiểm tra kích thước sản phẩm Đầu đo chuyên dùng Thước cặp, panme

Cấu trúc máy CNC được phân tích thành hai phần cốt lõi:

  1. Phần chấp hành: Thân máy và đế máy (đúc bằng gang có độ bền nén cao gấp 10 lần thép, có khả năng chống rung và ổn định nhiệt); bàn máy gá đặt chi tiết; cụm trục chính điều khiển bằng động cơ Servo vòng kín; ray dẫn hướng tuyến tính; bộ truyền vít me – đai ốc bi; ổ chứa dao phục vụ thay dao tự động.
  2. Phần điều khiển: Cụm điều khiển máy MCU (Machine Control Unit) gồm CPU, RAM/ROM, hệ thống BUS, điều khiển trình tự PMC, điều khiển SERVO và ghép nối I/O; cụm dẫn động (Driving Unit); và các dòng động cơ (động cơ bước, động cơ servo, động cơ điện một chiều và xoay chiều).

Chương 1 khép lại bằng việc xác lập các thông số yêu cầu thiết kế cho hệ thống bàn máy phay CNC 2 trục, xác định chế độ cắt thử nghiệm SVT, khối lượng chi tiết gia công tối đa 500 kg, gia tốc cực đại $4\text{ m/s}^2$ và tuổi thọ yêu cầu 22.000 giờ.

CHƯƠNG 2. Thiết kế hệ thống truyền động

Chương 2 chiếm dung lượng lớn nhất trong đồ án, tập trung vào toàn bộ quá trình tính toán cơ học và lựa chọn linh kiện dẫn động:

  • Tính chọn ray dẫn hướng: Phân tích trạng thái chịu lực của 4 con trượt trên 2 thanh ray trong trường hợp nguy hiểm nhất (tâm phôi lệch xa tâm bàn máy nhất: $l_3 = 185\text{ mm}, l_4 = 42,5\text{ mm}$ cho trục X). Thiết lập bảng tính chi tiết lực tác dụng $P_n$ và tải phụ $P_{nt}$ qua các chế độ: chuyển động đều, tăng tốc/giảm tốc sang trái, tăng tốc/giảm tốc sang phải.
    • Tải trọng tương đương cực đại khi tăng tốc sang trái $P_{E2la1} = 4167,3\text{ N}$.
    • Tải trọng trung bình trục X: $P_{m1} = 888,3\text{ N}$.
    • Hệ số an toàn tĩnh yêu cầu đối với máy công cụ có va chạm và rung động $f_s \ge 2,5$, tải trọng tĩnh tính toán $C_0 \ge 4167,25\text{ N}$.
    • Tuổi thọ định mức làm việc: Trục X đạt $L = 19.431\text{ km}$, Trục Y đạt $L = 19.312\text{ km}$. Hệ số tải trọng $f_w = 1,5$.
    • Kết luận chọn ray dẫn hướng hãng PMI: Trục X sử dụng ray MSA 25 LA ($C = 34,6\text{ kN}$); Trục Y sử dụng ray MSA 45 A ($C = 83,2\text{ kN}$).
  • Tính chọn vít me – đai ốc bi: So sánh các dạng prôfin ren (dạng chữ nhật, hình thang, nửa cung tròn và rãnh cung nhọn); chọn dạng rãnh cung nhọn để khử độ rơ và tạo độ dôi.
    • Tính lực cắt chính $F_m = 2397,5\text{ N}$ với dao $D = 80\text{ mm}$, $z = 6$, $f_z = 0,375\text{ mm/răng}$.
    • Xác định lực dọc trục lớn nhất khi không gia công: Trục X là $3840\text{ N}$, Trục Y là $5760\text{ N}$; khi gia công có tải: Trục X là $3677,5\text{ N}$.
    • Phân bổ chu trình làm việc: 30% thời gian không tải ($N_1 = 1800\text{ rpm}$) và 70% thời gian có tải ($N_2 = 1500\text{ rpm}$), tốc độ quay trung bình $N_m = 1590\text{ rpm}$.
    • Tải trọng động yêu cầu: Trục X đạt $C_a \ge 5737,39\text{ kgf}$, Trục Y đạt $C_a \ge 7536,97\text{ kgf}$.
    • Kiểm tra điều kiện bền mỏi, tốc độ quay tới hạn ($N_{cho_phep} = 5615,7\text{ rpm} > 2000\text{ rpm}$), tải trọng tới hạn không bị uốn dọc ($17669,9\text{ kgf} > 384\text{ kgf}$) và độ biến dạng nhiệt ($\Delta L = 12,0396\text{ mm}$).
    • Kết luận chọn vít me bi hãng PMI series 45-10B3-FSWC cho cả hai trục X và Y ($d_0 = 45\text{ mm}$, bước $l = 10\text{ mm}$, $C_a = 7760\text{ kgf}$, $C_0 = 23550\text{ kgf}$).
  • Tính chọn ổ đỡ trục vít me: Bỏ qua lực hướng tâm do đã được hệ thống ray dẫn hướng chịu tải ($R_A = R_B = R_C = 0\text{ N}$). Lực dọc trục tương đương tác dụng lên cụm ổ đỡ-chặn trục X là $F_{am} = 3734,3\text{ N}$, trục Y là $F_{am} = 5020,9\text{ N}$.
    • Khả năng tải động yêu cầu của ổ lăn: Trục X là $C = 27,3\text{ kN}$; Trục Y là $C = 36,8\text{ kN}$ với tuổi thọ làm việc $2098,8$ triệu vòng.
    • Chọn ổ đỡ-chặn đầu cố định: Trục X dùng cặp ổ SKF 7208 BE-2RZP ($C_a = 34,5\text{ kN}$, $C_0 = 24\text{ kN}$); Trục Y dùng cặp ổ SKF 7208 ACCBM ($C_a = 41,5\text{ kN}$, $C_0 = 29\text{ kN}$).
    • Chọn ổ đỡ tùy động đầu tự do cho cả trục X và Y: Ổ bi đỡ một dãy SKF 61908 ($C_a = 13,8\text{ kN}$, $C_0 = 10\text{ kN}$).
  • Tính chọn động cơ: Phân tích mô men cản gồm mô men ma sát ($M_{fric} = 1,1\text{ N.m}$), mô men gia công quy đổi ($M_{mach} = 0,9\text{ N.m}$) và mô men tĩnh khởi động $M_{start} = 2\text{ N.m}$. Tốc độ quay danh nghĩa yêu cầu $n_{noml} = 471\text{ rpm}$.
    • Lựa chọn động cơ Servo AM 1160E của hãng ANILAM có mô men khởi động danh định $10\text{ N.m} \ge M_{start}$ và tốc độ quay cực đại $3000\text{ rpm} \ge N_{max}$.

CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG BẢN VẼ THIẾT KẾ

Nội dung chương trình bày việc thiết lập các bản vẽ kỹ thuật tổng thể và chi tiết cho hệ thống bàn máy CNC 2 trục, bao gồm bản vẽ kết cấu gá đặt ray trượt, gối đỡ ổ bi, khớp nối trục động cơ và cụm bàn máy X-Y.

CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Nội dung chương thực hiện việc mô phỏng chuyển động động học của hệ thống dẫn động hai trục trên phần mềm chuyên dụng, kiểm tra không gian làm việc, sự phối hợp chuyển động giữa trục X và Y nhằm đảm bảo không xảy ra xung đột kết cấu trong toàn bộ hành trình dịch chuyển.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

  • Xác lập đầy đủ hệ thống công thức giải tích tính toán tải trọng động học cho từng pha chuyển động của bàn máy CNC mang tải nặng ($500\text{ kg}$).
  • Hoàn thành bảng tính toán lực cắt phay mặt đầu chính xác ($F_m = 2397,5\text{ N}$, $M_c = 95,08\text{ N.m}$) làm cơ sở tính chọn thiết bị cơ khí.
  • Tính toán và lựa chọn thành công các bộ phận cơ khí theo tiêu chuẩn công nghiệp:
    • Ray dẫn hướng PMI MSA 25 LA (trục X) và MSA 45 A (trục Y).
    • Trục vít me bi PMI 45-10B3-FSWC ($d = 45\text{ mm}$, bước $l = 10\text{ mm}$, chiều dài $L_x = 1200\text{ mm}, L_y = 900\text{ mm}$).
    • Cụm ổ lăn SKF 7208 BE-2RZP, SKF 7208 ACCBM và SKF 61908.
    • Động cơ ANILAM AM 1160E ($10\text{ N.m}, 3000\text{ rpm}$).
  • Kiểm nghiệm toàn bộ các điều kiện bền mỏi, tốc độ quay giới hạn và độ cứng vững chống uốn dọc, đảm bảo tuổi thọ thiết kế đạt 22.000 giờ làm việc liên tục.

Giải pháp kỹ thuật đề xuất

  • Đề xuất mô hình liên kết trực tiếp giữa động cơ và trục vít me ($i = 1$) giúp tối giản kết cấu cơ khí, loại bỏ sai số do rơ bánh răng.
  • Áp dụng sơ đồ lắp ổ đỡ trục vít me Fixed – Supported kết hợp 2 ổ bi đỡ-chặn đối xứng và 1 ổ bi đỡ tự do, giúp hệ thống vừa chịu được tải trọng dọc trục lớn vừa giải quyết được hiện tượng giãn nở nhiệt trong quá trình làm việc.

Đóng góp về mặt học thuật và kỹ thuật

  • Chuẩn hóa quy trình tính chọn thiết bị dẫn động cho bàn máy CNC từ bài toán công nghệ cắt gọt đến lựa chọn linh kiện thương mại dựa trên catalog kỹ thuật chuẩn quốc tế.
  • Cung cấp mô hình tính toán lực và tải trọng phụ phát sinh do gia tốc lệch tâm của chi tiết gia công khối lượng lớn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:
    • Phạm vi tính toán của đồ án mới tập trung vào hệ thống truyền động cơ khí cho 2 trục X và Y của bàn máy; chưa tích hợp tính toán thiết kế cụm trục chính và trục Z.
    • Đồ án chưa đi sâu vào việc mô phỏng và phân tích trường nhiệt độ phân bố thực tế trên toàn bộ kết cấu thân gang trong điều kiện vận hành nhiều ca sản xuất.
    • Chưa tiến hành chế tạo thử nghiệm phần cứng thực tế và chưa tích hợp hệ thống điều khiển số vòng kín (CNC controller/PLC).
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Chế tạo mô hình thực nghiệm bàn máy CNC hai trục theo bản vẽ thiết kế để kiểm chứng độ chính xác vị trí và độ lặp lại.
    • Tích hợp cụm trục chính (trục Z) và hệ thống điều khiển số để hoàn thiện kết cấu máy phay CNC 3 trục hoàn chỉnh.
    • Thực hiện các bài đo kiểm thực nghiệm về rung động và chất lượng bề mặt chi tiết gia công bằng vật liệu S45C thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Đối tượng sử dụng: Sinh viên, học viên cao học và giảng viên thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Chế tạo máy, Tự động hóa công nghiệp; kỹ sư thiết kế máy công cụ và hệ thống tự động hóa.
  • Nội dung tham khảo giá trị:
    • Phương pháp phân tích lực tác dụng lên các con trượt của thanh ray dẫn hướng tuyến tính theo từng giai đoạn chuyển động có gia tốc.
    • Phương pháp tính toán tải trọng động/tĩnh và kiểm nghiệm uốn dọc, biến dạng nhiệt cho trục vít me bi đường kính lớn.
    • Trình tự tra cứu, quy đổi tải trọng và lựa chọn ổ lăn đỡ-chặn chuyên dụng từ catalog của hãng SKF và PMI.

Câu hỏi thường gặp

1. Chế độ cắt thử nghiệm được tác giả sử dụng để tính lực cắt cho hệ thống là gì?

Tác giả sử dụng chế độ phay mặt đầu tối đa (SVT) với dao phay 6 lưỡi cắt, đường kính $D = 80\text{ mm}$, gia công thép S45C tiêu chuẩn JIS, Grade 4040. Các thông số cắt gồm: vận tốc cắt $v = 100\text{ m/ph}$ ($400\text{ v/ph}$), chiều sâu cắt $t = 1,2\text{ mm}$, lượng chạy dao phút $F = 900\text{ mm/ph}$, chiều rộng phay $B = 64\text{ mm}$, góc nghiêng lưỡi cắt $45^\circ$, lượng tiến dao răng $f_z = 0,375\text{ mm/răng}$. Kết quả tính toán từ công cụ Coroguide cho ra lực cắt chính $F_m = 2397,5\text{ N}$ và mô men cắt $M_c = 95,08\text{ N.m}$.

2. Tác giả đã lựa chọn loại ray dẫn hướng nào cho hai trục X và Y?

Dựa trên tính toán tải trọng tĩnh $C_0$ và tải trọng động $C$ với tuổi thọ làm việc 22.000 giờ ($L \approx 19.400\text{ km}$), tác giả lựa chọn ray dẫn hướng từ catalog của hãng PMI:

  • Trục X: Sử dụng ray MSA 25 LA có khả năng tải động danh định $C = 34,6\text{ kN}$.
  • Trục Y: Sử dụng ray MSA 45 A có khả năng tải động danh định $C = 83,2\text{ kN}$.

3. Thông số kỹ thuật của bộ truyền trục vít me bi được chọn cho hai trục là gì?

Cả hai trục X và Y đều được chọn cùng series vít me bi từ catalog hãng PMI là 45-10B3-FSWC với các thông số: đường kính danh nghĩa $D = 45\text{ mm}$, bước vít $l = 10\text{ mm}$, tải trọng động danh định $C_a = 7760\text{ kgf}$, tải trọng tĩnh danh định $C_0 = 23550\text{ kgf}$. Chiều dài trục vít me được chọn thực tế là $L_x = 1200\text{ mm}$ cho trục X và $L_y = 900\text{ mm}$ cho trục Y.

4. Kiểu bố trí và mã hiệu các loại vòng bi đỡ trục vít me được lựa chọn như thế nào?

Trục vít me được lắp đặt theo sơ đồ Fixed – Supported (một đầu cố định, một đầu tùy động):

  • Đầu cố định: Trục X sử dụng 2 ổ bi đỡ-chặn SKF 7208 BE-2RZP ($C_a = 34,5\text{ kN}, C_0 = 24\text{ kN}$); Trục Y sử dụng 2 ổ bi đỡ-chặn SKF 7208 ACCBM ($C_a = 41,5\text{ kN}, C_0 = 29\text{ kN}$).
  • Đầu tùy động: Cả hai trục X và Y đều sử dụng 1 ổ bi đỡ sâu một dãy SKF 61908 ($C_a = 13,8\text{ kN}, C_0 = 10\text{ kN}$, đường kính trong $d = 40\text{ mm}$).

5. Động cơ dẫn động trục X được lựa chọn dựa trên những điều kiện nào?

Động cơ dẫn động trục X được tính toán dựa trên mô men tĩnh tổng cộng $M_{start} = M_{fric} + M_{mach} = 1,1 + 0,9 = 2\text{ N.m}$ và tốc độ quay danh nghĩa $n_{noml} = 471\text{ rpm}$. Tác giả lựa chọn động cơ Servo AM 1160E của hãng ANILAM có mô men khởi động danh định $10\text{ N.m}$ (lớn hơn $2\text{ N.m}$) và tốc độ quay lớn nhất $3000\text{ rpm}$ (lớn hơn $N_{max} = 2000\text{ rpm}$), nối trực tiếp với trục vít me với tỷ số truyền $i = 1$.

Kết luận

Đồ án môn học "Thiết kế dẫn động cho bàn máy CNC" của tác giả Nguyễn Quốc Tuấn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán tính toán động lực học và thiết kế hệ thống dẫn động 2 trục X-Y cho máy phay CNC mang tải phôi 500 kg. Thông qua việc phân tích kỹ lưỡng chế độ cắt gọt và các trạng thái chuyển động có gia tốc, tác giả đã lựa chọn chính xác các cụm chi tiết cơ khí tiêu chuẩn (ray trượt PMI, vít me bi PMI, vòng bi SKF, động cơ ANILAM) đảm bảo độ chính xác vị trí và tuổi thọ làm việc 22.000 giờ. Đây là tài liệu kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn và giá trị học thuật rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư ngành Cơ điện tử và Chế tạo máy.