CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ DẪN ĐỘNG CỦA MÁY CNC 1. Khái niệm máy CNC Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại. Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác. Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại.
Thành phần chính của máy CNC Máy phay CNC gồm 2 thành phần chính là phần điều khiển và phần chấp hành: 1. Phần điều khiển Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển: ▪ Chương trình điều khiển: Là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái, số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng …. Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số ( mã thập – nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân như bộ nhớ của máy tính). ▪ Các cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được 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 được gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược.
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 khuếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu. Cụm điều khiển có nhiệm vụ liên kết các chức năng để thực hiện điều khiển máy, các chức năng bao gồm: + Số liệu vào (Data Input) + Xử lý số liệu (Data Procesing) + Số liệu ra (Data Output) 6 + Ghép nối vào (Machine I/O interface) + Phần cứng điều khiển bao gồm 6 thành phần : • Máy tính CPU • Bộ nhớ RAM, ROM • Hệ thống BUS • Điều khiển trình tự PMC • Điều khiển Servo • Bộ phận ghép nối 1. Phần chấp hành ▪ Thân máy và đế máy: Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép vàđều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết tật đúc. Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thống khác.
▪ Bàn máy: Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá. Nhờ có sự chuyển động linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp.Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máy đều là dạng bàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy. ▪ Cụm trục chính: Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công.Trục chính được điều khiển bởi các động cơ. Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh.
Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh. ▪ Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của ban theo X,Y và chuyển động theo trục Z của trục chính. ▪ Trục vit me, đai ốc: Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường sử dụng hai 7 dạng vit me cơ bản đó là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi:Vít me đai ốc thường: là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặtVít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn ▪ Ổ tích dụng cụ: Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho quá trình gia công. Nhờ có ổ tích dao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên tiếp với nhiều loại dao cắt khác nhau.Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mang tính tự động hoá cao.
▪ Các xích động của máy: Tất cả các đường chuyền động đến từng cơ cấu chấp hành của máy công cụ điều khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ còn 2 loại cơ bản sau:Xích động học tốc độ cắt gọt Xích động học của chuyền động chạy dao Hình 1.1: Bộ phận cơ khí trong máy CNC 8 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY X VÀ Y 2. Sơ đồ động học cho bàn máy X và Y Hình 2.1: Mô hình 3D sơ đồ động học cho bàn máy X và Y Hình 2.2: Mô hình 2D sơ đồ động học cho bàn máy X và Y Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn máy theo trục X, Y. ▪ Nguyên lý: Động cơ quay truyền chuyển động qua bộ truyền động đai (hoặc xích) được lắp ở 1 đầu trục vít, truyền chuyển động quay cho vit me. Vit me được gá đặt trên 2 ổ đỡ ở hai đầu quay tạo chuyển động tịnh tiến cho đai ốc.
Đai ốc được lắp với bàn Y bằng bulong, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me giúp bàn Y chuyển động tịnh tiến trượt trên 2 thanh ray song song với trục vít me lắp cố định trên thân máy thân máy.Bàn X cũng chuyển động tương tự. 9 ▪ Yêu cầu: hệ thống thanh trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính. Sơ đồ thiết kế hệ thống truyền động cho bàn máy X và Y Các thông số đầu vào 𝑃𝑚𝑎𝑥 : khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công (kG) 𝐺𝑥 , 𝐺𝑦 : Trọng lượng bàn máy X và Y 𝑃𝑥𝑚𝑎𝑥 , 𝑃𝑦𝑚𝑎𝑥 : Lực dọc trục lớn nhất của bàn máy X và Y V1 , V2 : Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công và gia công 𝑎: Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống µ : Hệ số ma sát trượt bề mặt 𝑛𝑚𝑎𝑥 : Tốc độ quay lớn nhất của động cơ Tính toán truc vít- đai ốc bi 1. Chọn kiểu lắp đặt, tính lực cắt 2.
Tính lực trung bình 3. Tính tải trọng tĩnh và tải trọng động 4. Chọn trục vít đai ốc bi Tính chọn ổ lăn, khớp nối 1. Tính các tải trọng động, tải trọng tĩnh→ Chọn ổ bi đỡ chặn, cụm ổ đỡ 2.
Chọn khớp nối Tính chọn ray dẫn hướng. Các điều kiện ban đầu 2. Tính toán các lực, hệ số an toàn, tải trọng trung bình, tuổi thọ 10 2. Sơ lược về quy trình thiết kế hệ thống truyền động cho bàn máy X và Y 2.
Thông số cho trước Loại máy CNC : máy phay ▪ Phay mặt đầu ▪ Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công : 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 300𝑘𝐺 ▪ Chiều cao lớn nhất của chi tiết gia công: 𝐻𝑚𝑎𝑥 = 200𝑚𝑚 ▪ Khối lượng bàn máy X: 𝐺𝑥 = 200𝑘𝐺 ▪ Khối lượng bàn máy Y: 𝐺𝑦 = 140𝑘𝐺 ▪ Lực cắt theo phương thẳng đứng: 𝑃𝑧𝑚𝑎𝑥 = 900𝑘𝐺 ▪ Lực dọc trục X : 𝑃𝑥𝑚𝑎𝑥 = 600𝑘𝐺 ▪ Lực dọc trục Y: 𝑃𝑦𝑚𝑎𝑥 = 600𝑘𝐺 ▪ Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: VCK = 20 m/ph ▪ Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực : Vc = 10 mm/ph ▪ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : 𝑎 = 0,5𝑔 = 0,5 × 9,8 = 4,9 𝑚/𝑠 2 ▪ Gia tốc trọng trường: 𝑔 = 9,8 𝑚/𝑠 2 ▪ Thời gian hoạt động : 21000 h làm việc ▪ Tốc độ vòng động cơ lớn nhất: 𝑛𝑚𝑎𝑥 = 2000 𝑣/𝑝ℎ ▪ Hệ số ma sát trượt: µ= 0,01 ▪ Vùng hoạt động lớn nhất: 𝐿𝑋𝑚𝑎𝑥 = 550𝑚𝑚, 𝐿𝑌𝑚𝑎𝑥 = 400𝑚𝑚 2. Lựa chọn sơ bộ Các máy phay CNC có tốc độ quay của vitme không quá lớn hay tốc độ dịch chuyển của bàn máy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao khi gia công trên máy CNC thì hệ thống dẫn hướng yêu cầu độ chính xác cao. Do đó lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động 2 bàn máy là kiểu lắp 1 đầu lắp chặt và 1 đầu di động (fix- support):Với kiểu lắp ghép này, hai hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép f và nhận các gia trị là : f = 15,1 và = 3,927 (theo catalog của hãng PMI).3: Kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động 11 Bước vít me o Tốc độ quay lớn nhất của động cơ khi làm việc: n = 2000 (vòng/phút) o Bước vitme l được xác định theo công thức: 𝑉𝑚𝑎𝑥 20000 𝑙≥ = = 10 (𝑚𝑚) 𝑛𝑚𝑎𝑥 2000 Chọn sơ bộ bước vitme l = 10 ( mm) 2. Tính toán thiết kế và lựa cho vít me bi cho bàn máy X và Y Dựa vào kết quả tính toán của đồ án thiết kế hệ thống cơ khí (đồ án 1) ta có các bảng kết quả tính toán như sau: ▪ Kết quả tính toán đối với bàn máy X Bảng 2.1: Kết quả tính toán các lực dọc trục 𝐹1 𝐹2 𝐹3 𝐹4 𝐹5 𝐹6 𝐹7 𝐹8 Đơn vị 2600 100 6190 -2400 -2600 -100 -6190 2400 N Bảng 2.2: Bảng kết quả tính toán 𝑭𝒂𝒎 , 𝒏, 𝑪𝒐 𝒗à 𝑪𝒂 𝐹𝑎𝑚 𝑛 (vòng/phút) 𝐶0 𝐶𝑎 Đơn vị 383,34 2000 1238 6260 𝑘𝑔𝑓 Vitme lựa chọn phải có tải trọng động 𝐶𝑎 ≥ 6260 (𝑘𝑔𝑓) Dựa vào kết quả tính toán trên ta lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC + Đường kính vitme 𝐷 = 45 (𝑚𝑚) + Bước vitme 𝑙 = 10 (𝑚𝑚) + Tải trọng tĩnh : 𝐶𝑜 = 23550 (𝑘𝑔𝑓) + Tải trọng động: 𝐶𝑎 = 7760 (𝑘𝑔𝑓) + Đường kính lõi ren: dr = 45 + 1.35 = 40,05 (mm) 12 Dựa vào kết quả tính toán trên ta lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC + Đường kính vitme 𝐷 = 45 (𝑚𝑚) ▪ Kết quả tính toán đối với bàn máy Y Bảng 2.3: Bảng số liệu lực dọc trục tác dụng lên trục 𝒀 𝐹1 𝐹2 𝐹3 𝐹4 𝐹5 𝐹6 𝐹7 𝐹8 Đơn vị 3328 128 6218 -3072 -3328 -128 -6218 3072 N Bảng 2.