Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng hệ thống mâm dao trung tâm gia công CNC

Tài liệu nghiên cứu chi tiết về thiết kế, mô phỏng hệ thống mâm dao trung tâm gia công CNC. Phân tích nguyên lý hoạt động, tính toán bền và động học.

• Người hướng dẫn: GVC- ThS. Hồ Ngọc Bốn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Và Mô Phỏng Hệ Thống Mâm Dao Trung Tâm Gia Công CNC
• Loại tài liệu: Công Trình Nghiên Cứu Khoa Học Cấp Trường
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Mâm Dao Trung Tâm Gia Công CNC

Mâm dao trung tâm gia công CNC là một bộ phận thiết yếu trong hệ thống tự động hóa máy gia công hiện đại. Đây là thành phần chịu trách nhiệm lưu trữ và cung cấp các dao cắt cho quá trình gia công liên tục mà không cần ngắt quá trình sản xuất. Máy gia công CNC lần đầu xuất hiện vào năm 1958 và đã phát triển rộng rãi trên toàn thế giới. Tại Việt Nam, các cơ sở công nghiệp hiện đang sử dụng các máy CNC hiệu MAZAC nhập từ Nhật Bản, trang bị đầy đủ mâm dao tự động và hệ thống thay dao thông minh. Thiết kế và mô phỏng mâm dao đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất sản xuất, giảm thời gian ngưng máy và tăng độ chính xác của sản phẩm gia công.

1.1. Khái Niệm Và Chức Năng Mâm Dao CNC

Mâm chứa dao là hộp chứa các dụng cụ cắt được sắp xếp theo thứ tự để hệ thống đổi dao tự động có thể truy cập nhanh chóng. Chức năng chính bao gồm lưu trữ nhiều loại dao cắt khác nhau, định vị chính xác vị trí dao, và cung cấp dao cho tay gắp thay dao. Hệ thống này cho phép thực hiện các nguyên công khác nhau như phay, khoan, doa và cắt ren trên các bề mặt phức tạp chỉ với một lần kẹp chặt.

1.2. Ý Nghĩa Của Mô Phỏng Trong Thiết Kế

Mô phỏng trên máy tính cho phép các kỹ sư kiểm tra nguyên lý hoạt động trước khi chế tạo thực tế, giúp phát hiện các khiếm khuyết và cải tiến thiết kế. Thông qua các mô hình mô phỏng động học và động lực học, có thể tối ưu hóa hiệu suất, giảm thời gian ngưng máy, và nâng cao độ tin cậy của hệ thống thay dao CNC.

II. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống Mâm Dao

Nguyên lý hoạt động mâm dao CNC dựa trên sự phối hợp giữa cơ cấu truyền động, hệ thống điều khiển, và cơ cấu định vị. Quá trình thay dao thường bao gồm hai chu kỳ chính: tìm dao theo mã số và chuyển dao đến vị trí thay đổi. Hệ thống này sử dụng chủ yếu cơ cấu thủy lực để thực hiện các chuyển động cần thiết. Quy trình bắt đầu từ việc lắp dao trong hộp dao, đưa dao đến đầu định vị, và kẹp chặt dao một cách chính xác. Hiểu rõ cơ chế hoạt động giúp tối ưu hóa thiết kế, giảm thời gian thay dao và tăng độ tin cậy của mâm dao trung tâm gia công CNC.

2.1. Thông Số Kỹ Thuật Và Cấu Trúc

Mâm dao CNC được thiết kế với thông số kỹ thuật cụ thể để đáp ứng yêu cầu của từng loại máy gia công. Các thông số bao gồm dung lượng chứa dao, tốc độ quay, momen xoắn, và độ chính xác định vị. Cấu trúc mâm dao bao gồm vòng quay chính, các ô chứa dao, cơ cấu định vị bằng các chốt hoặc từ, và hệ thống khóa an toàn.

2.2. Vị Trí Chức Năng Các Bộ Phận

Mỗi bộ phận trong hệ thống mâm dao có chức năng riêng biệt: vòng quay chính cung cấp chuyển động quay, cơ cấu định vị đảm bảo vị trí dao chính xác, hệ thống kẹp chặt giữ dao an toàn, và cảm biến vị trí phát hiện vị trí dao để hệ thống điều khiển xử lý tín hiệu.

III. Tính Toán Kiểm Tra Bền Cơ Cấu Mâm Dao

Tính toán kiểm tra bền là bước quan trọng trong thiết kế mâm dao CNC để đảm bảo an toàn và độ tin cậy. Các tính toán bao gồm mómen quay của mâm dao, kiểm tra bền bộ truyền động, tính toán lò xo, và kiểm nghiệm bền trục. Mómen quay được tính dựa trên lực cần thiết để xoay mâm dao chứa đầy dao. Bộ truyền động như đai, xích, hoặc truyền trực tiếp phải chịu được tải trọng liên tục. Các lò xo trong cơ cấu định vị phải đủ độ cứng để đảm bảo vị trí dao không bị trượt. Trục chính phải chịu được ứng suất uốn và xoắn kết hợp.

3.1. Tính Toán Mómen Quay Và Lực Truyền

Mómen quay của mâm dao được xác định từ khối lượng mâm và các dao chứa bên trong, cùng với khoảng cách từ trục quay. Công thức tính toán mómen liên quan đến mô men quán tính của toàn bộ hệ thống quay. Lực truyền động phải đủ lớn để vượt qua lực ma sát và gia tốc mâm dao đến tốc độ làm việc.

3.2. Kiểm Tra Bền Trục Và Thiết Kế Cam

Kiểm tra bền trục tại các vị trí tải trọng lớn như vị trí 79 trong hệ thống mâm dao. Thiết kế cam được sử dụng để chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính cho cơ cấu định vị và kẹp chặt dao. Cam phải được tính toán để tạo ra lực kẹp đủ mà không làm hỏng dao.

IV. Mô Phỏng Và Ứng Dụng Thực Tế Mâm Dao CNC

Mô phỏng hệ thống mâm dao sử dụng các phần mềm CAD/CAM hiện đại để xây dựng mô hình động học và động lực học của toàn bộ hệ thống. Qua đó có thể phân tích chi tiết quá trình thay dao, kiểm tra xung đột giữa các bộ phận, và tối ưu hóa hiệu suất. Mô phỏng trước khi chế tạo giúp giảm chi phí phát triển sản phẩm, rút ngắn thời gian thử nghiệm, và cải thiện chất lượng thiết kế. Các đề tài nghiên cứu như SKCO03959 về mâm dao CNC của Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM đã chứng minh hiệu quả của việc kết hợp thiết kế và mô phỏng trong phát triển công nghệ gia công tại Việt Nam.

4.1. Phương Pháp Mô Phỏng Động Học

Mô phỏng động học tập trung vào phân tích chuyển động của các bộ phận mâm dao mà không xét đến lực. Sử dụng các phần mềm như ADAMS hoặc MATLAB để xây dựng mô hình toán học, mô phỏng chuyển động quay của mâm, chuyển động tuyến tính của tay gắp, và chuỗi chuyển động trong quá trình thay dao.

4.2. Ứng Dụng Thực Tế Trong Sản Xuất

Kết quả mô phỏng được áp dụng để cải tiến thiết kế mâm dao trên các máy gia công CNC đang sử dụng tại các cơ sở công nghiệp Việt Nam như nhà máy Tiến Tuấn và Trung Hậu. Hệ thống tự động hóa được tối ưu hóa giúp giảm thời gian ngưng máy, tăng hiệu suất sản xuất, và nâng cao chất lượng sản phẩm gia công.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG S K C 0 0 3 9 5 9 MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC MÃ SỐ: T2014-88 S KC 0 0 5 4 7 1 Tp. Hồ Chí Minh, 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC. Mã số: T2014-88 Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS. Hồ Ngọc Bốn.

HCM, – 11/2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC. Mã số: T2014-88 Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS. Hồ Ngọc Bốn. HCM, – 11/2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC.

Mã số: T2014-88 Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS. Hồ Ngọc Bốn. Hồ Chí Minh – 11/2014 MỤC LỤC TỔNG QUAN – MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1 NỘI DUNG 3-39 I. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 5-16 1.1 Thông số kỹ thuật 5 1.2 Nguyên lý hoạt động 5 1.3 Vị trí chức năng 10 II.

TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN 17-36 2.1 Tính mômen quay của mâm dao 17 2.2 Kiểm tra bền bộ truyền động 18 2.5 Tính toán lò xo 32 2.6 Kiểm nghiệm bền trục (Vị trí 79) 33 2.7 Thiết kế cam 35 III. MÔ PHỎNG 37 IV. KẾT LUẬN 40 Tài liệu tham khảo 41 Phụ lục 1 42 Phụ lục 2 45 TỔNG QUAN Máy gia công đầu tiên kiểu “trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số” xuất hiện vào năm 1958 và từ đó đến nay đã phát triển rộng rãi. Trung tâm gia công cắt gọt có khả năng thực hiện các nguyên công khác nhau cho một sản phẩm.

Ví dụ trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số MC FHC80 và MC FVH80 có thể thực hiện các nguyên công phay, khoan, doa và cắt ren trên các bề mặt đơn giản hoặc phức tạp theo [6]. Đƣợc dùng trong sản xuất các chi tiết bán tự động với chế độ sản xuất hàng loạt nhỏ hoặc đơn chiếc. Nếu đánh giá trung tâm cắt gọt theo quan điểm công nghệ, có thể khẳng định rằng phần lớn các thiết bị này có thể gia công sản phẩm từ nhiều phía với một lần định vị và kẹp chặt, ví dụ các loại dao cắt khác nhau. Điều này cho phép đạt đƣợc độ chính xác kích thƣớc và bề mặt hình học cao hơn, giảm thời gian tổn thất giữa các nguyên công.

Trung tâm cắt gọt có thể làm việc trong nhiều chu kỳ khác nhau. Hiện nay hầu hết các trung tâm này đều đƣợc trang bị hệ thống điều khiển cho phép làm việc với các chu kỳ hoàn chỉnh, đồng thời giải quyết việc chuyển động tƣơng đối của dụng cụ cắt và chi tiết theo 3, 4, 5 trục. Tại Việt nam, trang thiết bị và công nghệ gia công tiên tiến xuất hiện ngày càng nhiều, đáp ứng yêu cầu phát triển công nghiệp và hội nhập Quốc tế, trong đó các máy công cụ CNC chiếm vai trò quan trọng. Một số cơ sở công nghiệp, chẳng hạn nhà máy Cơ khí tự động Tiến Tuấn, nhà máy Cơ khí Trung Hậu khu công nghiệp Tân tạo…, đang sử dụng các loại máy CNC, hiệu MAZAC nhập từ Nhật Bản, trong đó có cả máy phay CNC đƣợc trang bị mâm dao và tay gắp thay dao tự động.

Sự tự động hoá trên máy bao gồm tự động tách phôi, tự động đổi dao, tự động định vị… với hệ thống điều khiển riêng. Bộ thay dao tự động đƣợc lắp đặt cùng với bộ chứa dao ( còn gọi là mâm chứa dao) và hệ thống điều khiển, chủ yếu bằng cơ cấu thủy lực, các chuyển động đổi dao thƣờng gồm hai chu kỳ: - Tìm dao theo mã số và chuyển dao đến vị trí thay đổi. - Đổi dao, phải bắt đầu từ việc lắp dao ở hộp dao, đƣa dao đến đầu định vị dao và kẹp chặt dao. 1 Hệ thống này cần đƣợc chỉnh sửa và cải tiến nhằm tăng tính linh hoạt, giảm thời gian thay dao.

Để đạt đƣợc điều đó cần nghiên cứu thêm về động học, động lực học và mô phỏng sự hoạt động của tay gắp thay dao trên máy tính. Sự phát triển của công nghệ máy tính và các phần mềm ứng dụng trong kỹ thuật đã mở ra nhiều biện pháp giải quyết các bài toán kỹ thuật hoàn chỉnh và đạt hiệu quả cao. đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng mâm chứa dao trong trung tâm gia công CNC” dựa theo ý tƣởng này. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Để thiết kế chế tạo một thiết bị nào đó, việc đầu tiên là phải thực nghiệm nguyên lý, sau đó chế tạo và chạy thử.

Các công việc đó có thể mô phỏng trƣớc trên máy tính, tìm ra những chỗ chƣa đạt yêu cầu, sữa chữa ngay trên mô hình. Thông qua việc xây dựng các mô hình mô phỏng có thể cảm nhận trực quan. Trên một đoạn phim mô phỏng có thể xem nhiều lần để phân tích kỹ các quá trình đó, nhằm bỏ bớt công nghệ không cần thiết, bổ sung khiếm khuyết trƣớc khi gia công, rút ngắn thời gian thực hiện. Mâm chứa dao là bộ phận cần thiết để đổi dao tự động trong trung tâm cắt gọt CNC, đã có nhiều dạng ở các máy gia công cắt gọt trên thế giới.

Tuy nhiên đề tài chỉ nghiên cứu mâm chứa dao của máy phay CNC hiện có ở Việt nam. Xây dựng mô hình dựa trên thực tế đồng thời thu thập thông tin từ các tài liệu liên quan đến việc nghiên cứu tay gắp trong và ngoài nƣớc. - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động bộ chứa dao CNC. - Nghiên cứu đông học và đông lực học một số cơ cấu chính.

- Thiết kế và mô phỏng sự hoạt động của bộ chứa dao máy phay CNC trên máy tính. 2 NỘI DUNG Mô hình khái quát của một máy CNC : Máy gồm hai phần chính : a. Phần điều khiển : gồm chƣơng trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển. - Chƣơng trình điều khiển : Là tập hợp các tín hiệu (gọi là lệnh) để điều khiển máy, đƣợc mã hóa dƣới dạng chữ cái, số và một số ký hiệu khác nhƣ dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng… Chƣơng trình này đƣợc ghi lên cơ cấu mang chƣơng trình dƣới dạng mã số (cụ thể là mã thập – nhị phân nhƣ băng đục lỗ, mã nhị phân nhƣ bộ nhớ máy tính).

- Các cơ cấu điều khiển : Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chƣơng trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có đƣợc tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu đƣợc gửi về từ các cảm biến liên hệ ngƣợc. Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu. Đây là thiết bị điện – điện tử rất phức tạp, đóng vai trò cốt yếu trong hệ thống điều khiển của máy CNC. Phần chấp hành : Gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hoá nhƣ các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, tƣới trơn, hút thổi phoi, cấp phôi… 3 Cũng nhƣ các loại máy cắt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để tạo hình chi tiết.

Tuỳ theo khả năng công nghệ của loại máy mà có các bộ phận: Hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trƣợt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy… Kết cấu từng bộ phận chính chủ yếu nhƣ máy vạn năng thông thƣờng, nhƣng có vài khác biệt nhỏ để đảm bảo quá trình điều khiển tự động đƣợc ổn định, chính xác, năng suất và đặc biệt là mở rộng khả năng công nghệ của máy. Hộp tốc độ : Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thƣờng là truyền động vô cấp, trong đó sử dụng các ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ đƣợc dễ dàng. Hộp chạy dao : Có nguồn dẫn động riêng, thƣờng là các động cơ bƣớc. Trong xích truyền động sử dụng các phƣơng pháp khử khe hở của các bộ truyền nhƣ vitme – đai ốc bi… Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, tƣới trơn, dễ thay dao tự động.

Nhiều máy có ổ chứa dao, tay máy thay dao tự động, có thiết bị tự động hiệu chỉnh khi dao bị mòn… Trong các máy CNC có thể sử dụng các dạng điều khiển thích nghi khác nhau đảm bảo một hoặc nhiều thông số tối ƣu nhƣ các thành phần lực cắt, nhiệt độ cắt, độ bóng bề mặt, chế độ cắt tối ƣu, độ ồn, độ rung… Các trung tâm gia công CNC với ổ thay dao tự động hiện có trên thị trƣờng Việt Nam Hình 1: Máy Phay CNC với ổ thay dao tự động dạng xích. 4 Hình 2: Máy phay CNC với ổ thay dao tự dộng dạng mâm I. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1.1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT: Số lƣợng ổ dao chứa trên mâm dao: 21, côn dao SA 50, áp suất p = 6Mpa. Đƣờng kính ổ dao: 100mm, đƣờng kính mâm dao: 827mm.

Tốc độ chu trình 10s.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: 1. Nguyên lý hoạt động của mâm chứa dao : a. Sơ đồ động: 1: Động cơ thủy lực. 2: Bộ truyền bánh răng trụ cấp nhanh.

3: Bộ truyền bánh rang trụ cấp chậm. 6: Công tắc hành trình. Hình 3: Sơ đồ bộ truyền động mâm dao 5 Hình 4: Hình phối cảnh bộ truyền động mâm dao. MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Trong quá trình gia công, khi có tín hiệu thay dao và mã số của con dao cần thay, bộ phận điều khiển của máy sẽ nhận biết đƣợc dao cần thay thế đang nằm ở vị trí nào trong mâm dao.

Khi đó máy sẽ tự lựa hành trình giữa con dao hiện tại và dao cần thay để điều khiển động cơ thủy lực quay cùng chiều hoặc ngƣợc chiều kim đồng hồ tìm đến vị trí dao cần thay thế là ngắn nhất. Vị trí của con dao đƣợc mã hóa bằng mã Gray, hệ thống nhận biết mã Gray bằng đĩa đột lỗ (có lỗ thể hiện số 0, không lỗ thể hiện số 1) đƣợc lắp cứng trên mâm dao.