Luận văn Thạc sĩ: Thiết kế hệ thống kiểm soát dầu bôi trơn trong máy CNC

Luận văn thiết kế hệ thống kiểm soát dầu bôi trơn máy CNC. Phân tích, tính toán và chế tạo thực nghiệm giúp tối ưu hiệu suất và độ bền máy.

• Tác giả: Vũ Quang Tú
• Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Tuần Anh
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Kiểm Soát Dầu Bôi Trơn Trong Máy CNC
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Kiểm Soát Dầu Bôi Trơn Máy CNC

Hệ thống kiểm soát dầu bôi trơn máy CNC là một thành phần quan trọng giúp duy trì hiệu suất và tuổi thọ của máy. Bôi trơn hiệu quả giảm ma sát, tổn thất năng lượng và ngăn chặn mài mòn các bộ phận chuyển động. Trong máy phay CNC, trục chính là vị trí nhận tác động lớn nhất do tốc độ quay cao. Hệ thống bôi trơn hiện đại sử dụng phương pháp khí dầu để cung cấp dầu bôi trơn với hiệu quả tối ưu. Công nghệ này kết hợp khí nén và dầu bôi trơn, tạo ra một lớp bảo vệ mỏng nhưng hiệu quả. Thiết kế hệ thống kiểm soát đòi hỏi phải tính toán chính xác lưu lượng dầu, áp suất khí, và quản lý nhiệt độ. Các yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng gia công và độ ổn định của máy CNC.

1.1. Chế Độ Bôi Trơn Trong Máy Phay Đứng

Chế độ bôi trơn được lựa chọn dựa trên tốc độ quay và điều kiện làm việc. Các phương pháp phổ biến bao gồm bôi trơn bằng mỡ, ngâm dầu, nhỏ giọt, và khí dầu. Máy phay đứng thường sử dụng phương pháp bôi trơn tuần hoàn hoặc khí dầu cho các ổ bi chính. Lựa chọn phù hợp đảm bảo hiệu suất cao và hạn chế quá nhiệt.

1.2. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài Nghiên Cứu

Với sự phát triển của máy CNC tốc độ cao, yêu cầu kiểm soát dầu bôi trơn ngày càng khắt khe. Hiện tượng quá nhiệt ở trục chính gây ra biến dạng, ảnh hưởng độ chính xác gia công. Nghiên cứu thiết kế hệ thống kiểm soát dầu bôi trơn giúp tối ưu hóa lưu lượng dầu và độ ổn định nhiệt độ.

II. Phân Tích Cơ Chế Sinh Nhiệt Và Truyền Nhiệt Trên Cụm Trục Chính

Sinh nhiệt trong trục chính máy CNC xuất phát từ ma sát tại các ổ bi và mặt tiếp xúc quay. Khi tốc độ quay cao, lượng nhiệt sinh ra tăng theo hàm bình phương của vận tốc. Truyền nhiệt từ trục chính đến dầu bôi trơn và từ dầu đến không khí xung quanh. Việc tính toán chính xác lượng nhiệt sinh ra và kiểm soát truyền nhiệt là cần thiết để duy trì nhiệt độ ổ bi trong giới hạn an toàn. Mô phỏng truyền nhiệt bằng phần tử hữu hạn cho phép dự báo phân bố nhiệt độ trên cụm trục chính. Các kết quả mô phỏng hướng dẫn thiết kế hệ thống làm mát hiệu quả.

2.1. Tính Toán Nhiệt Sinh Ra Trong Trục Chính

Công suất mất mát do ma sát được tính dựa trên hệ số ma sát, tải trọng ổ bi, và vận tốc góc. Các ổ bi lăn phát sinh nhiệt từ lăn lên các bề mặt tiếp xúc. Tính toán chính xác đòi hỏi xem xét điều kiện tải trọng và chất lượng bôi trơn. Kết quả tính toán là cơ sở để lựa chọn tốc độ làm mát phù hợp.

2.2. Phương Pháp Làm Mát Bằng Khí Dầu

Phương pháp khí dầu kết hợp khí nén và dầu bôi trơn để tạo tác dụng làm mát hiệu quả. Áp lực khí được điều chỉnh tự động dựa trên cảm biến nhiệt độ. Hệ thống này giảm tiêu thụ dầu so với bôi trơn ngập và duy trì nhiệt độ ổ bi ổn định.

III. Thiết Kế Các Thành Phần Hệ Thống Kiểm Soát Dầu Bôi Trơn

Hệ thống kiểm soát dầu bôi trơn bao gồm nhiều thành phần chính hoạt động phối hợp. Bơm dầu cung cấp lưu lượng dầu ổn định dựa trên tốc độ quay. Kênh dẫn dầu được thiết kế để phân phối dầu đều đến tất cả ổ bi trục chính. Đầu phun khí dầu tạo hỗn hợp khí-dầu với mức độ hỗn hợp tối ưu. Van điều áp và bộ lọc bảo vệ bơm dầu khỏi áp lực quá cao và tạp chất. Cảm biến (nhiệt độ, mức dầu) cung cấp phản hồi cho bộ điều khiển PLC. Van điện từ khí nén điều khiển dòng khí dựa trên tín hiệu từ bộ điều khiển. Thiết kế hệ thống đảm bảo an toàn, hiệu quả và dễ bảo trì.

3.1. Thiết Kế Kênh Dẫn Và Đầu Phun Dầu

Kênh dẫn dầu phải có đường kính thích hợp để giảm tổn thất áp suất và đảm bảo lưu lượng đủ. Đầu phun khí dầu được thiết kế để tạo hỗn hợp với kích thước hạt dầu nhỏ. Vị trí phun được tối ưu hóa để đảm bảo dầu tiếp xúc với toàn bộ ổ bi. Kiểm tra thực nghiệm xác nhận tính hiệu quả của thiết kế.

3.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Điều Khiển Tự Động

Cảm biến nhiệt độ được lắp ráp tại ổ bi để theo dõi nhiệt độ thực tế. Cảm biến mức dầu giám sát mức dầu trong bể chứa. Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ cảm biến và điều khiển van điện từ. Thuật toán điều khiển đảm bảo nhiệt độ ổ bi luôn nằm trong giới hạn an toàn.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Tối Ưu Hóa Hệ Thống

Kết quả thực nghiệm trên mẫu thử nghiệm máy phay CNC cho thấy hiệu quả của hệ thống khí dầu. So sánh giữa phương pháp bôi trơn bằng mỡ và phương pháp khí dầu chỉ ra rằng khí dầu giảm nhiệt độ ổ bi khoảng 15-20°C. Lưu lượng dầu tối ưu phụ thuộc vào tốc độ quay và áp lực khí. Biến đạng nhiệt của trục chính được giảm đáng kể khi áp dụng làm mát khí dầu. Độ chính xác gia công được cải thiện do giảm biến dạng nhiệt. Tối ưu hóa yêu cầu điều chỉnh áp suất khí và lưu lượng dầu dựa trên điều kiện máy cụ thể.

4.1. Ảnh Hưởng Của Tốc Độ Quay Đến Hiệu Suất Làm Mát

Khi tốc độ quay tăng, lưu lượng dầu cần tăng theo để duy trì bôi trơn hiệu quả. Thực nghiệm cho thấy mối quan hệ gần như tuyến tính giữa tốc độ quay và lưu lượng dầu tối ưu. Áp suất khí cũng cần tăng ở tốc độ cao để tạo hỗn hợp khí-dầu với độ mịn và hiệu quả làm mát tốt nhất.

4.2. Đề Xuất Cải Thiện Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Hệ thống kiểm soát tự động được đề xuất áp dụng cho máy CNC tốc độ cao. Thiết kế modular cho phép dễ dàng thích ứng với các máy khác nhau. Phần mềm điều khiển cần được tối ưu hóa để đảm bảo độ ổn định và giảm tiêu thụ năng lượng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan hệ thống kiểm soát bôi tron Trong chương nảy, luận văn thế hiến tỉnh hình thực tiễn của máy gia công phay ƠNG, của trục chính với các vẫn đề gặp phải trong gia công bao gồm sự tăng nhiệt độ, sự biển đạng nhiệt ảnh hưởng tới quá trình gia công cắt gọt. Dễ giảm thiểu sự anh hưởng này thì việc kiếm soát nhiệt độ tăng lên và bôi trơn trong trục chính là can thidt, nhưng giải pháp thực hiện trên trục mây công cụ thục lế rất khó khăm vì thế em để ra ý tưởng thiết kế một hệ thống thực nghiệm ỗ trục chỉnh để có thể nghiên cứu độc lập. Chương 2: Thiết kế và chế tạo hệ thông thực nghiệm nhiệt ỗ trục chính mô hình máy phay CNC Trong chương „ nội đụng lập trung xây dựng phương pháp tết kế tích hợp hệ thông thực nghiệm bôi trơn 6 true chính quay cao tốc và kết quả của luận vẫn. Chương 2 gòm các nội dưng, cơ bản như sau: ~ Phân Lịch cơ chế sinh nhiệt trên cụm trục chỉnh, nhằu đưa ra được cái nhún toàn điện về sinh nhiệt và truyền nhiệt trong cụm trục chính.

Điều này làm cơ sở để bổ trí các thiết bị đo nhiệt và thiết bị bồi tron. ~ Thiết kế hệ thống bởi trơn và làm mát cho hệ thống thực nghiệm. - Thiết kế hệ thống điều khiển và giám sát Chương 3: Xây dựng mô hình hệ thông và kết quả thực nghiệm Tết quả thiết kế và đữ liệu thực nghiệm. Một mô hình thực nghiệm đã được thiết kế và lắp ráp hoàn thiên, thực hiện lây số liệu ở tốc dé 7000 vong/plnit.

Học viên Kỷ vá ghỉ rõ họ tên DANH MỤC HÌNH VE Tình 1.1 Cựu trục chính máy phay [1].2 Bồi trơn bằng mỡ |3|.3 Hồi trơn bằng phương pháp ngâm 131 Hình 1.4 Phương pháp bôi trơn nhỏ giọt [3] MAUNA Tình 1.5 Phương pháp bôi trơn bằng vòng văng đầu [3] Hình 1.6 Phương pháp bôi trơn đầu tuần hoàn |3|.7 Bồi tron bằng hỗn hợp khi — dau [6].SKW ERI16 Hình 1.9 Sơ dễ nguyên lý và thiết bị thục nghiệm.10 Ö đỡ thứy động và hệ thông thủy lực cấp dầu bội trơn Hình 1.11 Hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng đâu ố đỡ thủy động.12 Biểu dễ nhiệt độ ở tái trọng 30 X tốc độ quay 200 vỏng/phúút.13 Nhiệt độ mang đầu ở tốc độ 100 vang/phut.L4 Mặt cắt đọc trục của cụm trục chính máy mải s¡ Tình 1.15 Thực nghiệm thiết lập hệhồ thông Đôi trơn cho cụm trục chink may mai siêu tốc|#].16 Hồi trơn bằng susương với ihe thông BỊ.17 Sự tầng nhiệt độ của cụm trục chính với sự áp dụng hi khi dâu[8].18 Sự thay đối chiều đầy lớp đâu theo tốc độ trục chính[§].19 Cac thanh phần trao đối nhiệt trong trục chính[§] Tình 1.20 Các thành phần hệ thông |9| Tĩinh 1.21 Mô hình thực tế [9].22 Hình ảnh tñ điều khiế f9].23 Quan hệ giữa tốc độ quay, lưu lượng dau va tén hac do ma si9| 7 Hình 1.24 Quan hệ giữa tốc dộ quay, lưu lượng dầu va dé ting nhigt dé.25 Quan hệ giữa tốc độ quay, lưu lượng khí và độ tăng nhiệt 46.236 Mô hình cụm trục chính |TÔ| - 18 Hình 1.27 Mö hình phần tử hữu hạn của cụm trục chinh[10].28 Phân bê nhiệt độ cụm trục chính không bao gồm điều kiện làm.29 Phin bé nhiệt độ cụm Irue chính bao gồm điều kiện vim ait 0J.30 Biển dạng nhiệt tổng hợp của trục chính khi không làm mátƒ 1Ó].31 Biến đạng nhiệt tổng hợp của trục chính khi có làm mát ố] Tỉnh 1.32 Bồ trí cảm biến nhiệt độ trên cụm trục chính{T10] Hình 1.33 Giao diện phân mềm thu thập dữ liệu[10].34 Nhiệt độ của cụm trục chính[LU] 33 Hình 1.35 Biến đạng đọc trục của cụm trục chỉnh [10] 23 Hình 2.1 Bồi trơn ỗ lăn bằng khí dâu [8] 25 Hình 2.2 Vết tiếp xúc của bị và ca bị [B] 26 Hình 2.3 Chúa lưới trên mô tình mô phông 31 Tình 3.5 Kết cầu khung máy sau khi lắp rấp Hình 3.7 Num điều khiến trục máy cnc tàng ty Tình 3.8 Vị trí lắp ráp cảm biến nhiệt độ ổ bì (1) Hình 3. 1-Biến tần, 3- Lọc nhiều ¬".10 T1ệ thống bôi trơn làm mát khi dầu 1- Van hòa trộn, 22-Van điện từ khí nén, 3-Van điều áp và bộ lọc, 4-Bom dau và bề dâu 64 Hinh 3.11 Bé trị cá ip khi đầu trên trục chính 1- Voi phím khí dầu, 216 thoái hoi khí dẫu. "— 64 Tình 3 12 Biến tân VE- 811.13 Quy tinh van hanh hé1 .14 Nhiệt độ các 4 bi khi béi tron bằng mỡ.15 Nhiệt độ các ổ bị khi bôi trơn làm mát khí 68 Hình 3.16 So sảnh 2 phương phap tai 6 bi 1 Hình 3.17 Sự thay đổi nhiệt độ ở các áp lực khí khác nhau. Arduino Une 46 Tộ relay.

- - 47 Tộ kết nổi internet IISP§266. Giao diện thu thập dữ liệu. Điều kiiễn giảm sát bằng ứng dung Blyrk. 30 2 Sơ đô điện của hệ thông - - - 51 2.4 Tính toán hựa chọn kết cầu cơ khi - 32 Khung máy và hệ thông din hướng,.

Cơ cầu gia lực. — 243 Banvé lip toanhé thông. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HE THONG VA KET QUÁ THỰC NGHIỆM. Xây dựng chương wình điều khiển hệ thống.1 Sơ để khối của hệ thông 3.1 Sơ đỗ thuậttoán hoạt động của hệ thống.

Xây dựng giao diện điển khiển giảm sải 3.1 Giao diện giám sát trên máy tính - - 38 3.2 Giao diện điều khiển qua điện thoại.3 Xác dịnh chế độ bỏi rợn— làm mút. Lap rap cum khung mô hình và hệ thông dẫn hướng, 60 3.2 Lắp ráp cựa điện điều khiển giám sắt - él 3.43 Lắp ráp cụm bội tron lam mat. Quy trinh vin hauh hé théng bai tron lam iat 6 3.6 _ Kết quả thực nghiệm và đánh giá - 67 KẾT LUẬN a TALLIBU THAM KHAQ.occessesssssansstensscissstsssnsetsiusssiarsisssassnnae 1D DANH MỤC HÌNH VE Tình 1.1 Cựu trục chính máy phay [1].2 Bồi trơn bằng mỡ |3|.3 Hồi trơn bằng phương pháp ngâm 131 Hình 1.4 Phương pháp bôi trơn nhỏ giọt [3] MAUNA Tình 1.5 Phương pháp bôi trơn bằng vòng văng đầu [3] Hình 1.6 Phương pháp bôi trơn đầu tuần hoàn |3|.7 Bồi tron bằng hỗn hợp khi — dau [6].SKW ERI16 Hình 1.9 Sơ dễ nguyên lý và thiết bị thục nghiệm.10 Ö đỡ thứy động và hệ thông thủy lực cấp dầu bội trơn Hình 1.11 Hệ thống đo áp suất và nhiệt độ màng đâu ố đỡ thủy động.12 Biểu dễ nhiệt độ ở tái trọng 30 X tốc độ quay 200 vỏng/phúút.13 Nhiệt độ mang đầu ở tốc độ 100 vang/phut.L4 Mặt cắt đọc trục của cụm trục chính máy mải s¡ Tình 1.15 Thực nghiệm thiết lập hệhồ thông Đôi trơn cho cụm trục chink may mai siêu tốc|#].16 Hồi trơn bằng susương với ihe thông BỊ.17 Sự tầng nhiệt độ của cụm trục chính với sự áp dụng hi khi dâu[8].18 Sự thay đối chiều đầy lớp đâu theo tốc độ trục chính[§].19 Cac thanh phần trao đối nhiệt trong trục chính[§] Tình 1.20 Các thành phần hệ thông |9| Tĩinh 1.21 Mô hình thực tế [9].22 Hình ảnh tñ điều khiế f9].23 Quan hệ giữa tốc độ quay, lưu lượng dau va tén hac do ma si9| 7 Hình 1.24 Quan hệ giữa tốc dộ quay, lưu lượng dầu va dé ting nhigt dé.25 Quan hệ giữa tốc độ quay, lưu lượng khí và độ tăng nhiệt 46.236 Mô hình cụm trục chính |TÔ| - 18 Hình 1.27 Mö hình phần tử hữu hạn của cụm trục chinh[10].28 Phân bê nhiệt độ cụm trục chính không bao gồm điều kiện làm.29 Phin bé nhiệt độ cụm Irue chính bao gồm điều kiện vim ait 0J.30 Biển dạng nhiệt tổng hợp của trục chính khi không làm mátƒ 1Ó].31 Biến đạng nhiệt tổng hợp của trục chính khi có làm mát ố] Tỉnh 1.32 Bồ trí cảm biến nhiệt độ trên cụm trục chính{T10] Hình 1.33 Giao diện phân mềm thu thập dữ liệu[10].34 Nhiệt độ của cụm trục chính[LU] 33 Hình 1.35 Biến đạng đọc trục của cụm trục chỉnh [10] 23 Hình 2.1 Bồi trơn ỗ lăn bằng khí dâu [8] 25 Hình 2.2 Vết tiếp xúc của bị và ca bị [B] 26 Hình 2.3 Chúa lưới trên mô tình mô phông 31 MỤC LỤC CHUONG 1, TONG QUAN CHẾ ĐỘ LÀM VIỆC VÀ BÔI TRƠN TRONG MAY PHAY DUNG.1 Téng quan ché 46 lam viée va béi tron trong may phay dmg. Công dụng váiẫm quan trọng của trục chỉnh.2 Hệ thống bôi trơn trong máy phay dime.3 Chế độ bôi tron ổ trục chỉnh máy phay đứng 2 1.2 Tính cấp thiết của để tài 1.3 Tínhhinh nghiên cửu tong và ngoài nước.1 Nghiên cứu xây đựng hệ thẳng giám sảL tinh ap su nhiệt đê của ö đỡ thủy đông 132 Sự phát triển của hệ thống bôi trơn trong máy mải cao tốc.

Phan tich thye nghiém va mé hinh sy anh huéng cac théng, sé bôi trơn khí đâu đến ma sắt ó bị cũa trạc chính cao tôc. Phân tích nhiệt và thực nghiệm trục chỉnh của trung tâm gia công cao tốn. THIET KE VA CHE TAO HE THONG THUC NGHIEM NIDET Ò TRỤC CHÍNH MÔ HÏNH MAY PHAY CNC.1 Phân tích cơ chế sinh nhiệt và truyền nhiệt trên cụm trục chỉnh.1 Tinh toan nbiét sinh ra trong trục chính 212 Tinh toan trayén nhiét trong 6 bi 2. Mô phòng truyền nhiệt trong cụm trục chính.2 __ Tính toán lụa chọn các phản tử trong hệ thông bôi trơn.

33 Thiết kế kênh dẫn khí dẫu. - - 34 Đầu phun khi dẫu. - 35 Van hỏa trỘN,.- Bơm dâu và bể dẫu. sesso "` Văm điều ấp và bộ lọc.

40 Van điện từ khí nén. - 4 My nén khí 3.3 Tinhtoán lụa chọn các phần tử hệ - 43 231 Bién tan - - 43 2.32 Căm biến mức đầu. Cam biến nhiệt độ öbi. "- Arduino Une 46 Tộ relay.

- - 47 Tộ kết nổi internet IISP§266. Giao diện thu thập dữ liệu. Điều kiiễn giảm sát bằng ứng dung Blyrk. 30 2 Sơ đô điện của hệ thông - - - 51 2.4 Tính toán hựa chọn kết cầu cơ khi - 32 Khung máy và hệ thông din hướng,.

Cơ cầu gia lực. — 243 Banvé lip toanhé thông. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HE THONG VA KET QUÁ THỰC NGHIỆM. Xây dựng chương wình điều khiển hệ thống.1 Sơ để khối của hệ thông 3.1 Sơ đỗ thuậttoán hoạt động của hệ thống.

Xây dựng giao diện điển khiển giảm sải 3.1 Giao diện giám sát trên máy tính - - 38 3.2 Giao diện điều khiển qua điện thoại.3 Xác dịnh chế độ bỏi rợn— làm mút. Lap rap cum khung mô hình và hệ thông dẫn hướng, 60 3.2 Lắp ráp cựa điện điều khiển giám sắt - él 3.43 Lắp ráp cụm bội tron lam mat. Quy trinh vin hauh hé théng bai tron lam iat 6 3.6 _ Kết quả thực nghiệm và đánh giá - 67 KẾT LUẬN a TALLIBU THAM KHAQ.5 Kết cầu khung máy sau khi lắp rấp Hình 3.7 Num điều khiến trục máy cnc tàng ty Tình 3.