ĐỀ TÀI THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MÁY HÀN CNC 5 TRỤC

Trong đó hàn là 1 trongnhững khối ngành công nghiệp nặng, nó rất cần thiết cho các khối ngành ô tô, tàu thủy … Các doanh nghiệp đang đặt ra rất nhiều tiêu chí trong quá trình sản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ

CHUYÊN NGÀNH: CƠ KHÍ CHẾ TẠO

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG MÁY HÀN CNC 5

TRỤC

Người hướng dẫn: ThS Hoàng Trọng Hiếu

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Văn Thiện

Cao Minh Tuấn

Mã sinh viên: 1811504110339

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2022

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của nền công nghiệp trong nước hướng tới cuộccách mạng 4.0 các ngành kĩ thuật rất cần thiết với cuộc sống Trong đó hàn là 1 trongnhững khối ngành công nghiệp nặng, nó rất cần thiết cho các khối ngành ô tô, tàu thủy

…

Các doanh nghiệp đang đặt ra rất nhiều tiêu chí trong quá trình sản xuất hay nhữngcông nghệ được áp dụng trong các nhà máy, xí nghiệp Trong khi đó việc sử dụng thợthủ công đang được phổ biến do giá thành rẻ nhưng tay nghề của thợ ở mức bậc caomới cho ra được sản phẩm chất lượng Ngoài ra còn 1 số lựa chọn hiện đại và tiện lợihơn là những cánh tay robot hàn nhưng giá thành đầu tư lại rất cao dẫn đến các doanhnghiệp nhỏ khó khăn trong việc đầu tư

Máy hàn CNC đang phát triển và được sản xuất ngày càng nhiều tại Việt Nam tuyvậy vẫn cần nhiều lần cải tiến mới có thể hoạt động trơn tru, tạo ra được sản phẩm chấtlượng Được sự đồng ý của giảng viên hướng dẫn là giảng viên Hoàng Trong Hiếu,nhóm chúng em đã nhận đề tài nghiên cứu khoa học là: “Nghiên cứu, tính toán, thiết

kế, mô phỏng máy hàn điều khiển số (5 trục điều khiển)” Đây là một cơ hội nghiêncứu, thực nghiệm và rèn luyện các kỹ năng làm việc để chuẩn bị tốt cho thời gian saukhi ra trường, đồng thời bước vào môi trường làm việc thực tế Bên cạnh đó là một cơhội để phát triển bản thân, trau dồi kinh nghiệm thực tế thì đây cũng là một thách thứckhông nhỏ với chúng em bởi thiếu kiến thức và kinh nghiệm thực tế

Đối với các thành viên của nhóm thì đây là cơ hội tốt để chúng em củng cố kiếnthức chuyên ngành, hiểu được các kết cấu cũng như nguyên lý làm việc của máy hànCNC, nâng cao kỹ năng làm việc nhóm và cuối cùng là được trải nghiệm quá trìnhthiết kế và chế tạo một sản phẩm thực tế

Bằng sự cố gắng nỗ lực của nhóm và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình, chu đáo củagiảng viên Hoàng Trọng Hiếu Chúng em đã hoàn thành đồ án Do thời gian làm đồ áncó hạn và trình độ còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rấtmong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như là của các bạn sinhviên để đề tài này hoàn thiện hơn nữa Em xin chân thành cảm ơn

Đà Nẵng, ngày 24 tháng 06 năm 2022

Sinh viên thực hiệnNguyễn Văn ThiệnCao Minh Tuấn

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

Chương 1 : GIỚI THIỆU CHUNG 6

1.1 Lịch sử nghiên cứu về máy Hàn CNC 6

1.1.1 Khái niệm Hàn CNC 6

1.1.2 Khái niệm về công nghệ Hàn tự động 6

1.1.3 Một số hình ảnh về máy Hàn CNC 7

1.1.4 Một số loại mối hàn và các chi tiết gia công bằng phương pháp hàn 8

1.2 Giới thiệu chung về đề tài 9

1.2.1 Phạm vi nghiên cứu 9

1.2.2 Phương pháp thực hiện 10

1.2.3 Dự kiến kết quả đạt được 10

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Các yếu tố đầu vào: 12

2.1.1 Cơ sở yêu cầu thiết kế máy 12

2.2 Cấu tạo và yêu cầu với máy Hàn CNC 17

2.3 Kết cấu chung của máy hàn điều khiển số 17

2.3.1 Sơ đồ động chung của máy 18

2.3.2 Các phần tử điều khiển 18

2.3.3 Các cụm điều khiển mỏ Hàn 19

2.3.4 Các phần tử chấp hành 19

2.3.5 Phần chấp hành máy hàn CNC 20

2.3.6 Phương pháp chọn thiết bị dẫn động hệ bàn máy 23

2.3.7 Tổng quan chung về kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi 23

2.3.8 Tổng quan chung về Block trượt, thanh ray dẫn hướng 26

Chương 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ MÁY HÀN CNC 5 TRỤC 28

3.1 Tính toán trục Z 28

3.1.1 Tính toán trục vít me trục Z 28

3.1.2 Tính toán chọn động cơ trục Z 31

3.1.3 Tính chọn cụm ổ lăn, khớp nối trục Z 35

3.1.4 Tính toán chọn ray dẫn hướng trục Z 40

3.2 Tính toán trục xoay B 45

3.2.1 Tính toán chọn bàn xoay 45

3.3 Tính toán trục xoay C 49

3.3.1 Tính toán chọn bàn xoay 49

3.4 Thiết kế khung máy cho máy hàn 53

3.4.1 Chọn sơ bộ vật liệu làm khung và dựng khung máy 53

3.4.2 Kiểm bền cho khung máy trong quá trình hoạt động 54

3.5 Tính toán thiết kế hệ thống hàn 55

3.5.1 Máy hàn 55

3.5.2 Vận hành máy 57

Chương 4 : QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH THIẾT KẾ QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ GIA CÔNG ĐAI ỐC VIT-ME 60

4.1 Phân tích chức năng làm việc và yêu cầu sản phẩm 60

4.1.1 Chức năng làm việc 60

4.1.2 Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết 61

4.1.3 Yêu cầu sản phẩm 61

4.1.4 Vật liệu 61

4.2 Định dạng sản xuất 62

4.2.1 Xác định sản lượng gia công hằng năm của chi tiết 62

4.2.2 Xác định khối lượng của chi tiết 62

4.2.3 Xác định giá thành phôi 63

4.3 Lựa chọn phương pháp chế tạo phôi 63

4.3.1 Xác định phương pháp chế tạo phôi 63

4.3.2 Phương pháp chế tạo phôi 63

4.3.3 Xác định lượng dư gia công 64

4.3.4 Thiết kế bản vẽ chi tiết lồng phôi 65

4.4 Thiết kế quy trình công nghệ chế tạo chi tiết 65

4.4.1 Xác định đường lối công nghệ 65

4.4.2 Phương pháp gia công 65

4.4.3 Tiến trình công nghệ 66

4.4.4 Tính toán, thiết kế quy trình công nghệ gia công chi tiết 66

4.5 Thiết kế đồ gá 79

4.5.1 Yêu cầu kỹ thuật 79

4.5.2 Cơ cấu định vị 79

4.5.3 Cơ cấu kẹp chặt 80

4.5.4 Cơ cấu dẫn hướng 80

4.5.5 Tính lực kẹp 80

4.5.6 Tính sai số đồ gá 82

Chương 5: LẮP RÁP, VẬN HÀNH VÀ BẢO DƯỠNG MÁY 84

5.1 Gia công lắp ráp cụm trục X 84

5.2 Gia công lắp ráp trục Y 84

5.3 Gia công lắp ráp trục Z 85

5.4 Gia công lắp ráp trục C 86

5.5 Gia công lắp ráp trục B 86

5.6 Bảo dưỡng máy 87

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Máy hàn CNC 6

Hình 1.2 Máy hàn bấm 6

Hình 1.3 Các loại mối hàn 7

Hình 1.4 Các chi tiết hàn dạng tròn 7

Hình 1.5 Các chi tiết hàn góc, khung 8

Hình 1.6 Các chi tiết có biên dạng mối hàn phức tạp 8

Hình 1.7 Các bước thực hiện đề tài 9

Hình 2.1 Các sơ đồ thiết kế 13

Hình 2.2 Kết cấu chung của máy hàn điều khiển số 16

Hình 2.3 Sơ đồ động học chung của máy 16

Hình 2.4 Động cơ bước 18

Hình 2.5 Kết cấu bộ phận máy CNC 19

Hình 2.6 Thanh trượt, con trượt máy CNC 20

Hình 2.7 Vít me đai ốc bi máy CNC 21

Hình 2.8 Các loại chiều ren 22

Hình 2.9 Các loại mối ren 22

Hình 2.10 Đai ốc bi theo kiểu hồi bi 22

Hình 2.11 Cấu tạo đai ốc bi 23

Hình 2.12 Mô hình chịu tải trọng của đai ốc bi 23

Hình 2.13 Hệ thống rãnh bi 23

Hình 2.14 Hệ thống lò xo 24

Chương 1 : GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Lịch sử nghiên cứu về máy Hàn CNC

1.1.1 Khái niệm Hàn CNC

 CNC viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển số bằng máy tính)

– đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đíchsản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp,bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêuchuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G CNC được phát triển cuối thập niên

1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism củatrường MIT

 Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất côngnghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấutrúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thaotác do con người thực hiện được giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóatrong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chínhxác và chất lượng Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúpngười thao tác có thời gian cho các công việc khác Ngoài ra còn cho phéplinh hoạt trong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máymóc để sản xuất các linh kiện khác

 Trong môi trường sản xuất, một loạt các máy CNC kết hợp thành một tổ hợp,

gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trên một bộ phận Máy CNC ngày nay

được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ do phần mềm CAM, vì thế một bộphận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kế sang sản xuất mà không cần cácbản vẽ in của từng chi tiết Có thể nói CNC là các phân đoạn của các hệ thốngrobot công nghiệp, tức là chúng được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sảnxuất (trong tầm giới hạn)

 Một số loại máy CNC

+ Máy phay CNC

+ Máy khoan tia lửa điện CNC

+ Máy xung cắt dây

+ Máy tiện CNC …

1.1.2 Khái niệm về công nghệ Hàn tự động

Hàn là phương pháp rất phổ biến được sử dụng để liên kết các cấu kiện kim

loại trong cơ khí Tùy theo tính chất của công việc mà người ta có thể áp dụngcác phương pháp và kỹ thuật hàn khác nhau như hàn nóng chảy hay hàn áplực Để thực hiện quá trình hàn thì mỏ hàn hay vật hàn cần phải được dichuyển đến vị trí cần hàn Quá trình này có thể được thực hiện bằng tay hay tựđộng Hiện nay, các robot hàn tự động có giá thành cao, vì vậy cho nên đa sốcác xưởng cơ khí ở nước ta hiện nay thực hiện công đoạn hàn bằng phươngpháp thủ công là chủ yếu Bài báo này trình bày giải pháp sáng tạo kỹ thuậtứng dụng công nghệ CNC để điều khiển tự động cơ cấu di chuyển mỏ hàn đếncác tọa độ cần hàn được lập trình trước trên máy vi tính Kết quả ứng dụng chothấy quá trình hàn tư động cho năng suất cao, chất lượng sản phẩm ổn định,giảm giá thành sản xuất.

1.1.3 Một số hình ảnh về máy Hàn CNC

Hình 1.1 Máy hàn CNC

Hình 1.2 Máy hàn bấm

1.1.4 Một số loại mối hàn và các chi tiết gia công bằng phương pháp hàn

Hình 1.3 Các loại mối hàn

 Các chi tiết hàn dạng tròn

 Các chi tiết hàn góc, khung

Hình 1.4 Các chi tiết hàn dạng tròn

 Các chi tiết có biên dạng mối hàn phức tạp

tạp

1.2 Giới thiệu chung về đề tài

 Các cơ cấu liên quan đến máy hàn CNC 5 trục

 Các loại máy hàn CNC đã có trên thị trường

 Nguyên lý hoạt động của máy

 Điều khiển động cơ bước:

+ Giao tiếp và điều khiển bằng máy tính

+ Nội suy đường thẳng, đường cong theo 2 trục

 Nghiên cứu loại máy CNC 5 trục

 Dễ dàng điều chỉnh tốc độ từ 0-1000mm/phút và điều khiển chính xác mỏ

Hình 1.5 Các chi tiết hàn góc, khung

Hình 1.6 Các chi tiết có biên dạng mối hàn phức tạp

Tổng quan Cơ sở lý

thuyết

Các thành phần của máy

+ Các vấn đề cần giải quyết (cơ khí, điều khiển, vật liệu…)

+ Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

+ Phương pháp nghiên cứu đề tài

1.2.3 Dự kiến kết quả đạt được

 Làm chủ được công nghệ máy hàn CNC 5 trục

 Tăng hiệu quả, giảm chi phí gia công

 Phục vụ cho việc đào tạo, nghiên cứu của nhà trường

 Gia công được các chi tiết phức tạp

 Làm chủ được công nghệ hàn Mig

 Xây dựng mô phỏng máy hàn CNC trên phần mềm

Hình 1.7 Các bước thực hiện đề tài

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Lý do chọn đề tài

 Hàn là một trong các công nghệ chính của công nghiệp nặng, đã phát triểnrất nhanh hiện nay Do nhu cầu phát triển các ngành như đóng tàu, ô tô, xeđạp, lắp máy, dầu khí, xây dựng… nhiều công nghệ hàn mới đã được ứngdụng tại Việt Nam

 Hiện nay công nghệ hàn chủ yếu ở trong các doanh nghiệp nhỏ là thủ công,doanh nghiệp vừa dùng các loại máy hàn tự động 3 trục hoặc 2 trục, còn ởcác doanh nghiệp quy mô lớn sẽ dùng các loại cơ cấu cánh tay robot Máyhàn tự động 3 trục được sử dụng phổ biến nhưng chưa thể đáp ứng đượcviệc gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp

 Máy hàn CNC 5 trục chưa được nghiên cứu và phát triển rộng rãi

 Giá thành sẽ rẻ hơn so với các cánh tay robot, phù hợp với các doanhnghiệp vừa và nhỏ

 Ứng dụng được nhiều trong gia công vì có thể gia công được những biêndạng khó

Mục đích nghiên cứu

 Làm chủ được công nghệ hàn và ứng dụng đc công nghệ tự động hóa trongsản xuất

 Tăng hiệu quả, giảm chi phí gia công

 Phục vụ cho việc đào tạo, nghiên cứu của nhà trường

 Gia công được các chi tiết phức tạp vật liệu thép

Phương pháp nghiên cứu

 Nghiên cứu dựa trên cơ sở máy 5 trục của nhà trường

 Tham khảo các sản phẩm mà các nước đã chế tạo thành công

Tìm hiểu các tài liệu trên mạng

Sử dụng kiến thức đã được học trên trường để hoàn thành sản phẩm

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết nguyên lý hàn ứng dụng trong gia công thực tế

 Phân tích, nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy hàn tự động 5 trục

2.1 Các yếu tố đầu vào:

 Kích thước chi tiết hàn: 10mm -140mm

 Bề mặt có thể hàn được: mặt phẳng, mặt cong

 Phương pháp hàn: Hàn mig không có khí bảo vệ, hàn mig có khí bảo vệ

 Điện áp đầu vào: dòng điện xoay chiều 220v

2.1.1 Cơ sở yêu cầu thiết kế máy

a Quá trình thiết kế tổng quát

 Thiết kế là một quá trình sáng tạo và truyền đạt những ý tưởng đến nhữngngười khác

 Vị trí của thiết kế máy trong khái niệm thiết kế chung :

 Sự triển khai ý tưởng thiết kế nói chung

 Sau đây là một số ý tưởng phác thảo :

 Dựa trên những phương pháp sau:

 Là quá trình liên quan đến toàn bộ hoạt động sản xuất từ nhận đơn đặt hàngđến xuất xưởng sản phẩm

 Có 2 loại hình thiết kế : vượt rào cản và đồng thời

Hình 2.1 Các sơ đồ thiết kế

b Cơ cấu và máy

 Cơ cấu là hệ thống các vật thể liên kết nhân tạo với nhau, dùng để truyền vàbiến đổi chuyển động từ khâu này sang khâu khác

 Với máy CNC 5 trục, nhóm đã dùng:

+ Cơ cấu biến đổi năng lượng: từ điện năng thành cơ năng

+ Cơ cấu truyền động: trục vitme

+ Cơ cấu chấp hành: chuyển động 5 trục X Y Z B C và trục chính

c Máy được tạo nên từ ba thành phần chính:

 Động cơ cung cấp năng lượng : Động cơ bước, chuyển đổi điện năng thành

cơ năng

 Hệ thống truyền động: gồm 5 trục :

+ Trục Z,Y,X: sử dụng trục vit me truyền chuyển động và thanh ranh để hỗtrợ chuyển động Trục Z,Y,X chuyển động theo các phương X Y Z trongkhông gian để thực hiện quá trình gia công

+ Trục B,C động cơ nối trục tiếp với trục thông qua khớp nối để truyềnmomen xoắn truyền chuyển động quay cho 2 trục B và trục C

 Bộ phận công tác: Trục chính có tác dụng quay dao,thực hiện quá trình giacông, trực tiếp tiếp xúc và làm thay đổi hình dạng, kích thước của phôi

d Quá trình thiết kế máy và chi tiết máy:

 Tương tự quá trình thiết kế sản phẩm, quá trình thiết kế máy bao gồm:

+ Xác định nhu cầu thị trường

+ Xác định yêu cầu kỹ thuật

+ Xác định nguyên lý hoạt động cho máy

+ Lập sơ đồ động máy

+ Tính toán bộ phận cung cấp năng lượng – phân phối tỉ số truyền

+ Chọn vật liệu cho các chi tiết máy

+ Tính toán động học, động lực học cho các chi tiết máy

+ Sản xuất mẫu thử, điều chỉnh, sửa lại thiết kế

+ Lập tài liệu thiết kế

e Các phương pháp thiết kế:

 Thiết kế đơn định

+ Đảm bảo các chỉ tiêu khả năng làm việc cho chi tiết máy hoặc sản phẩm.Tính theo ứng suất cho pháp và hệ số an toàn, xét đến ảnh hưởng của kíchthước, độ bền, đặc tính tải trọng các đại lượng này xem như đơn định

 Thiết kế theo độ tin cậy

+ Đảm bảo độ an toàn va độ tin cậy cho sản phẩm Tính theo xác suất làmviệc không hỏng là phương pháp tiến bộ nhất, xét đến ảnh hưởng của độphân tán tải trọng, cơ tính vật liệu, dung sau kích thước… trên cơ sở thiết

kế xác suất

 Thiết kế bền vững

+ Để xác định giá trị tối ưu cho các thông số thiết kế, đảm bảo hình dạng, chấtlượng và giá thành Thiết kế bần vững đảm bảo các thông số thiết kế bầnvững với các nhân tố nhiễu, không cảm nhận sự ảnh hưởng miền phân bởicác đại lượng ngẫu nhiên khi thiết kế Các nhân tố nhiễu là các nhân tốkhông kiểm soát được hoặc kiểm soát với chi phí cao Thiết kế bền vữngchia làm ba giai đoạn :

 Thiết kế hệ thống: tìm hiểu cơ sở kỹ thuật thiết kế và thiết kế sơ bộ

 Thiết kế tham số: chọn các giá trị kích thước, tính chất thích hợpcho tham số thiết kế của chi tiết hoặc sản phẩm, sử dụng thiết kếcác suất phân tích độ ảnh hưởng từng thông số

 Thiết kế dung sai: chi tiết chất lượng cao thay thế chi tiết có độ tincậy thấp, nâng cao chất lượng chi tiết hoặc sản phẩm Sử dụng quyhoạch thực nghiệm và dung sai xác suất để gán dung sau cho kíchthước

+ Với máy CNC 5 trục,yêu cầu đảm bảo về thông số kỹ thuật, độ cứng vững,

… nên ta thiết kế theo phương pháp thiết kế bền vững Thiết kế dựa trên cơ

sở khoa học do chưa có kinh nghiệm

+ Trong quá trình thiết kế đầu tiên tiến hành tính toán thiết kế sơ bộ, bỏ quamột số hệ số Sau khi có các kích thước mới tiến hành kiểm nghiệm

f Máy tính hỗ trợ thiết kế

 Các phần mềm hỗ trợ thiết kế trong các công đoạn

 Vẽ và mô hình hóa: Autodesk Inventor

 Tính toán: Autodesk Inventor

 Mô phỏng: Autodesk Inventor

 Xuất bản vẽ: Autodesk Inventor, Autodesk Autocad

g Hệ thống đơn vị trong thiết kế máy:

 Hệ đơn vị SI với :

 Đơn vị đo chiều dài : mm

 Đơn vị đo khối lượng : gam

 Đơn vị đo vận tốc : m/s

h Công cụ tính trong quá trình thiết kế máy:

 Quá trình thiết kế máy dựa chủ yếu vào tính toán và thực nghiệm Nhiều công

cụ tính toán khác nhau được áp dụng đê tính toán thiết kế Nhóm chủ yếu dung

sổ tay dung sai, sổ tay sức bền, máy tính bỏ túi,cũng như phầm mềmSolidwork ( tính toán úng suất,sức bền, ) để tính toán thiết kế máy

2.2 Cấu tạo và yêu cầu với máy Hàn CNC

 Cấu tạo đặc trưng máy Hàn CNC:

+ Máy hàn CNC được cấu tạo từ gồm 2 phần chính: Phần cơ khí và Phần điềukhiển Phần cơ khí gồm các chi tiết máy đc gia công lắp ráp phục vụ chocác chuyển động chính trên máy Phần điều khiển gồm các bo mạch thamgia vào quá trình điều khiển các chuyển động của máy để tạo ra mối hàntrong quá trình vận hành

 Yêu cầu với máy hàn CNC:

+ Hàn được mọi loại bề mặt chi tiết

+ Kết cấu máy đơn giản dễ chế tạo, lắp ráp

+ Tối ưu vật liệu sử dụng nhưng vẫn đảm bảo được quá trình vận hành máy

+ Dễ sử dụng

2.3 Kết cấu chung của máy hàn điều khiển số

Hình 2.2 Kết cấu chung của máy hàn điều khiển số

2.3.1 Sơ đồ động chung của máy

Hình 2.3 Sơ đồ động học chung của máy

 Các cơ cấu điều khiển: Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiệncác phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạtđộng của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thôngqua các tín hiệu được gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơcấu 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 thốngđiều khiển của máy Việc tìm hiểu nguyên lý cấu tạo của các thiết bị này đòihỏi có kiến thức từ các giáo trình chuyên ngành khác, cho nên ở đây chỉ giớithiệu khái quát các thiết bị điện có trong máy như sau:

2.3.3 Các cụm điều khiển mỏ Hàn

a Cụm điều khiển máy MCU (Machine Control Unit)

 Cụm điều khiển được hình thành trên cơ sở thiết bị điều khiển điện tử, thiết bịvào ra và các thiết bị số Nó được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển sốCNC

 Lệnh CNC thực hiện bên trong bộ điều khiển sẽ thông báo cho mô tơ chuyểnđộng quay đúng số vòng cần thiết → trục vit me bi quay đúng số vòng quaytương ứng → kéo theo chuyển động thẳng của bàn máy và dao

 Thiết bị phản hồi ở đầu kia của vit me bi cho phép kiểm soát kết thúc lệnhđúng khi số vòng quay cần thiết được thực hiện

b Cụm dẫn động (Driving Unit)

 Cụm dẫn động là tập hợp những động cơ, sensor phản hồi, phần tử điều khiển,khuếch đại và các hệ dẫn động Trong đó, động cơ và các sensor phản hồi làthành phần đặc trưng cho máy công cụ điều khiển số CNC

c Cụm điều khiển có nhiệm vụ liên kết các chức năng để thực hiện điểu khiển máy, các chức năng bao gồm:

 Số liệu vào (Data input)

 Xử lý số liệu (Data procesing)

 Số liệu ra (Data output)

 Ghép nối vào (Machine I/O interface)

 Phần cứng điều khiển: gồm 6 thành phần cơ bản:

 Động cơ bước là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệtvới đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơđồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rờirạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động củarôto có khả năng cố định rôto vào các vị trí cần thiết.

a Hoạt động:

 Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường, chúng quay theo từngbước nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học Chúng làm việc nhờcác bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo thứ tự

và một tần số nhất định Tổng số góc quay của rôto tương ứng với số lầnchuyển mạch, cũng như chiều quay và tốc độ quay của rôto phụ thuộc vào thứ

tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi

b Ứng dụng:

 Trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số, động cơ bước là một cơ cấu chấphành đặc biệt hữu hiệu bởi nó có thể thực hiện trung thành các lệnh đưa radưới dạng số

 Động cơ bước được ứng dụng nhiều trong ngành tự động hoá, chúng được ứngdụng trong các thiết bị cần điều khiển chính xác Ví dụ: Điều khiển robot, điềukhiển tiêu cự trong các hệ quang học, điều khiển định vị trong các hệ quantrắc, điểu khiển bắt, bám mục tiêu trong các khí tài quan sát, điều khiển lậptrình trong các thiết bị gia công cắt gọt, điều khiển các cơ cấu lái phương vàchiều trong máy bay

 Kết cấu từng bộ phận chính chủ yếu như máy vạn năng thông thường, nhưngcó một vài khác biệt nhỏ để đảm bảo quá trình điều khiển tự động được ổnđịnh, chính xác, năng suất và đặc biệt là mở rộng khả năng công nghệ củamáy

a Thân máy và đế máy:

 Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10lần so với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyếttật đúc

 Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rấtnhiều hệ thống khác

 Yêu cầu:

 Phải có độ cứng vững cao

 Phải có các thiết bị chống rung động

 Phải có độ ổn định nhiệt

 Mục đích:

 Đảm bảo độ chính xác gia công

 Đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy

b Bàn máy:

 Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyển độnglinh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC đượctăng lên rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phứctạp

 Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máy đều làdạng bàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy Nó làmtăng tính vạn năng cho máy CNC

 Yêu cầu của bàn máy:

 Phải có độ ổn định, cứng vững, được điều khiển chuyển động một cáchchính xác

d Trục vít me, đai ốc bi:

 Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường sử dụng hai dạng vit me cơbản 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 mặt

+ Vít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn

e Các xích động của máy:

 Tất cả các đường chuyền động đến từng cơ cấu chấp hành của máy công cụđiều khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xíchđộng học chỉ còn 2 loại cơ bản sau:

+ Xích động học tốc độ cắt gọt

+ Xích động học của chuyền động chạy dao

 Việc tính toán thiết kế, chế tạo được thực hiện theo modun hoá

 Thông thường các xích cắt gọt bắt đầu tự một đọng cơ có tốc độ thay đổi vôcấp, dẫn động trục chính thông qua một hộp tốc độ có từ 2 đến 3 cấp độ, nhằmkhuếch đại các momen cắt đạt trị số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu củađộng cơ

2.3.6 Phương pháp chọn thiết bị dẫn động hệ bàn máy

 Các thiết bị dẫn động có một vai trò quan trọng trong máy CNC, là nhân tốchính đảm bảo sự vận hành và gia công chính xác của máy Việc tính toán lựachọn các thiết bị dẫn động là một công việc bắt buộc và phức tạp với nhiềucông thức cần thiết lập Vì vậy, để thuận tiện cho công việc lựa chọ thiết bịdẫn động, trong chương này chúng ta đi xây dựng công thức tính toán vàchương trình tính chọn các thiết bị dẫn động

 Nội dung trong phần này gồm có:

+ Tổng quan chung bộ truyền vít me

Hình 2 7 Vít me đai ốc bi máy CNC

+ Tổng quan chung về block, thanh ray dẫn hướng Các tính toán được thựchiện theo catalog của hãng PMI.

2.3.7 Tổng quan chung về kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi

Trên thế giới hiện nay có nhiều loại vít me đai ốc bi, tuy nhiên kết cấu củachúng có thể phân ra như sau:

 Theo chiều ren:

Hình 2.8 Các loại chiều ren

 Thông thường theo mặc định sẽ là ren phải

 Theo số đầu mối ren:

Hình 2 9 Các loại mối ren

 Trong thực tế ren 1 đầu mối được sử dụng rộng dãi hơn nhờ các yêu cầucông nghệ khi chế tạo không đòi hỏi cao

 Theo kiểu hồi bi:

Hình 2.10 Đai ốc bi theo kiểu hồi bi

 Do các tính công nghệ trong chế tạo, lắp ráp , căn chỉnh cao nên khi dùngtrong các máy công cụ, các thiết bị đo lường có độ chính xác cao thì rãnhloại ống là kiểu phổ thông nhất hiện nay.kiểu có rãnh hồi bi theo rãnhkhoan trên đai ốc thường được sử dụng cho các tay máy, kết cấu khôngđòi hỏi độ chính xác cao

 Rãnh hồi bi giữa 2 vòng ren kế tiếp:

Hình 2.11 Cấu tạo đai ốc bi

 Kiểu hồi bi này thì được áp dụng trong các máy, các thiết bị không yêucầu cao cả về độ chính xác lẫn tốc độ của bộ truyền, do các rãnh được bốtrí theo chu vi nên việc chế tạo sẽ khó khăn hơn

 Theo kiểu đặt tải trọng:

+ Tải đặt nhờ tấm đệm:

Hình 2.12 Mô hình chịu tải trọng của đai ốc bi

 Kiểu đặt tải trước nhờ tấm đệm giúp cho việc thay đổi tải đặt trước dễdàng hơn, có thể điều chỉnh , tính công nghệ cao hơn nên thường đượcdùng trong bộ truyền máy cắt gọt, thiết bị đo lường hay các thiết bị có độchính xác cao

+ Đặt tải nhờ hệ thống rãnh bi:

Hình 2.13 Hệ thống rãnh bi

 Hai hệ thống rãnh bi được bố trí cách nhau 1 khoảng cách, tương đươngvới tấm đệm ở kiểu trên, loại vít me đai ốc bi này ít được sử dụng dokhoảng các của các rãnh bi không điều chỉnh được và khó chế tạo

+ Đặt tải nhờ lò xo:

Hình 2.14 Hệ thống lò xo

 Đai ốc loại này ít được sử dụng do tính ổn định không cao, lò xo có độcứng nhỏ

+ Theo cấp chính xác:

 Dựa theo khoảng dung sai độ chính xác của vị trí lặp lại của đai ốc có thểxác định bằng cấp chính xác vít me bi :C0 , C3 , C5 , C7 , C10 Theo đó

độ chính xác vị trí lặp lại của đai ốc có thể xác định bằng cấp chính xác

và chiều dài đoạn ren của trục vít me Tùy theo yêu cầu sử dụng mà tachọn cấp chính xác của vít me phò hợp nhất

 Ưu và nhược điểm của bộ truyền

 Ưu điểm:

+ Mất mát do ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9

+ Đảm bảo chuyển động ổn định vì lực ma sát hầu như không phụ thuộcvào tốc độ

+ Có thể loại trừ khe hở và sức căng ban đầu nên đảm bảo độ cứng vữngdọc trục cao

+ Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài

2.3.8 Tổng quan chung về Block trượt, thanh ray dẫn hướng

 Ray trượt được gọi với nhiều cái tên khác nhau đó là thanh trượt ray, ray dẫnhướng, thanh trượt dẫn hướng Hiểu đơn giản thì đây là các thiết bị dẫnhướng, cấu tạo từ các con trượt, thanh trượt, gối đỡ Những loại ray dẫn hướng

cơ khí này được hoạt động theo chuyển động tịnh tiến bởi sự kết hợp củathanh trượt rail và block con trượt Trên thực tế, có thể thấy dòng thanh trượtnày tại nhiều chi tiết máy khác nhau, cụ thể 1 số loại máy công cụ sử dụng trênthị trường như:

+ Các loại máy CNC gia công cơ khí khác

a Một số loại ray trượt được sử dụng phổ biến

 Trên thị trường hiện nay các sản phẩm ray trượt được sử dụng phổ biến do nhucầu về sản xuất gia công cơ khí ngày càng tăng Do đó các nhà sản xuất đã cho

ra rất nhiều sản phẩm với nhiều tính năng khác nhau để phù hợp với từng mụcđích sử dụng Một số loại ray trượt được sử dụng phổ biến có thể kể đến nhưlà: ray trượt bi, ray trượt tròn, ray trượt vuông

b Ray trượt vuông và ưu nhược điểm

 Dựa trên các yêu cầu về độ chính xác và độ cứng vững thì ray trượt vuông đãđáp ứng được các yêu cầu đặt ra cụ thể

 Ưu điểm

+ Dẫn hướng và công suất hoạt động trong thời gian dài, không phátsinh về nhiệt

+ Khả năng dẫn hướng cùng lực ma sát thấp, độ chính xác cao

+ Khả năng chịu tải trọng cao, lực ít nhất, hỗ trợ cân bằng lực

+ Dễ dàng tháo gỡ, sửa chữa, lắp đặt, dễ bảo trì, thay thế

Chương 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ MÁY HÀN CNC 5

Vì trong quá trình Hàn không sinh ra lực cắt lên ta chỉ tính cho các lực sau:

 Tăng tốc (đi lên):Fa1=mg+ma=5*10+ 5*5= 75N

 Chạy đều (đi lên):Fa2=mg= 5*10= 20N

 Giảm tốc (đi lên): Fa3=mg-ma = 25N

Lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vít me là 75N

chọn F=75N để tính toán tải trọngXác định sơ bộ đường kính trong d1 của ren theo độ bền kéo:

d1≥√4∗l r ∗F

π[δ k] =√4∗44∗750

3,14∗120 =10,5 (công thức 8.19 trang 168 [1])Chọn d1=12mm

Chiều dài trục vít me sau khi chọn trục :

Hình 3.1 Kết cấu cụm trục Z

L= tổng chiều dài dịch chuyển + chiều dài đai ốc + chiều dài vùng thoát

= 273 + 40 + 15 = 318 mm => 320mm

Chọn các thông số bộ truyền:

Đường kính bi (công thức trang 168 [1])

d b=(0.08÷0.15)d1=0.15*10= 1,8

Chọn bằng 2Bước ren (công thức trang 168 [1])

d1sin β =arctg 2.0,0612.sin 45=0,81o

ft: hệ số ma sát lăn thay thế ft=0,04÷0,06

Hiệu suất biến thiên chuyển động quay thành tịnh tiến (công thức trang 169 [1])

N= tan 5,68

tan(5,68+0,97)=0,85 ≈ 0,9Momen quay đai ốc (công thức trang 169 [1])

T= F a P tb .tan ⁡(γ +φ t)

2 = 152,355.12 tan(5,68+0,97)

2 =106,58(N mm)Tính kiểm nghiệm về độ bền (công thức trang 169 [1])

q a= F a

Z b d 2 b λ

Với λ = 0,8 – hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi

max  max   5000MPa Thỏa mãn độ bền

Yêu cầu : Đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt HRC  53

Đối với bi đạt HRC  63

Hình 3 2 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σ max

Thông qua việc sử dụng tính toán trên phần mềm ta có biểu đồ momen cho trụcZ:

3.1.2 Tính toán chọn động cơ trục Z

Tốc độ vòng: v= 1500 (vg/p)

Thời gian cần thiết để đạt tốc độ lớn nhất: =0,9 (s)

 Momen quán tính khối

T c= F a max ×l

2× π ×η = 75×1 2× π ×0,9 =13,26 (kgf cm)

Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen

cần thiết khi hàn: 𝑇l = 𝑇p+ 𝑇c = 13,26 + 1,19 = 14,45 (𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑚)

 Chọn động cơ điều khiển chuyển động của trục Z

Chọn động cơ bước để điều khiểu chuyển động theo trục OZ Các dữ liệu để tính chọnđộng cơ:

+ Bước vít me: h=5 (mm)+ Hệ số ma sát trượt: 𝜇=0,12+ Gia tốc trọng trường: g=10 (m/s2)+ Khối lượng phần dịch chuyển: m=5 (kg)+ Góc nghiêng của trục: 𝛼=900

+ Tỉ số truyền giảm tốc: i=1 ( do chọn phương án động cơ nối trực tiếp với vít mekhông qua hộp giảm tốc)

+ Hiệu suất của máy: 𝜂 = 0,9+ Tốc độ vòng lớn nhất của động cơ: n=1500 (vg/p)Tính momen ma sát:

M ms = m× g× μ× h ×cos α 2× π× i× n =0Tính momen chống trọng lực của kết cấu:

M wz = m× g× μ× h×sin α 2× π ×i ×η =10,157 ×10 × 0,12× 0,005× sin 90 2× π ×1× 0,9 =0,011(N mm)

Với đường kính trục vít được chọn là: D=16 (mm), ta có:

v = π × D × n = π× 16×1500 =0,79(m/s)

M mach= h× F m

2× π × i× n = 0,005 ×509,8 2× π ×1×0,9 =0,25(N m)

Tính momen tĩnh:

Mstat=Mms+Mwz+Mmach=0+0,011+0,25=0,226 (N.mm)Chọn động cơ bước SUMTOR 57HS5630A4 của hãng Sumtor theo tranghttp://en.sumtor.com:

Thông số kỹ thuật chính:

- Kích thước mặt bích: 56x56 mm

- Chiều dài thân: 60 mm

- Khối lượng: 680 gram

- Dòng chịu tải: 3 A

- Góc bước: 1 8°/step

- Moment xoắn trên trục: 12 N.m

Hình 3.5: Các thông số của động cơ trục Z

Thời gian cần thiết để đạt được vận tốc cực đại là:

Ta = J/( TM ′ − TL) × 2πN 60 × fTrong đó : J là tổng mô men quán tính (Momen tính toán + momen cho bởi động

cơ – Rotor Inertia J )

TM ′ = 2 𝑇𝑀 , (𝑇𝑀 > 𝑇1)

TL là mô men quay f là hệ số an toàn (chọn theo kiểu ổ lắp)Thay số vào ta được :

Ta = (36,8+1,1).(10-4) /(2.11−11,45.10.10-2 )× 2π.1500/60 × 1,2 = 0,035 <0,9s => thoã mãn

 Chọn cụm ổ lăn

Trong cơ cấu bàn Z lực dọc trục đóng vai trò chủ yếu gây tác động lên ổ lăn, lựchướng tâm vuông góc với cụm trục vitme trong cơ cấu là khá nhỏ, tuy nhiên khi hoạtđộng với vận tốc lớn dễ xảy ra rung động, nên yếu tố định tâm cần có cho cơ cấu

m = 3 đối với ổ bi m=10/3 với ổ đũa.

L: Tuổi thọ của ổ lăn được tính theo (công thức trang 213 [1])

𝐿 = 60 10−6 𝑛 𝐿ℎ = 60 10−6 1500.15000 =1350 (Triệu vòng)(ở đây em lấy n =Nma =1500 vg/ph để tính ở mức tối đa)

Q: tải trọng động của ổ lăn tính theo (công thức trang 214 [1])

Xét trường hợp bàn Z chạy về phía ổ bi C,D

Lực tác dụng gây bởi khối lượng khi không chuyển động lên ổ A, B, C, D:

RA = -RB = RC = -RD = m.g/2 = 50*10/4= 125 N(công thức trang 216 [1])Dựa vào đường kính trục vitme và tốc độ quay của động cơ ta chọn sơ bộ thôngsố của ổ lăn mã W6001 theo hãng SKF(www.skf.com ) như sau:

Hình 3.7: Kết cấu, thông số của ổ lăn trục Z

Theo thông số trên hình:

- Khả năng tải động: C = 4,42 kN

- Khả năng tải tĩnh: Co = 2,36 kN

- Nội lực dọc trục Fsi của 2 ổ là như nhau:

Lực dọc trục tác dụng lên các ổ bi: (công thức trang 218 [1])+ với ổ A:

∑F a A =F s A−F ma

2 =142,5− 502 =117,5(N )suy ra: F a A = 167,5 (N)

+ với ổ B:

∑F a B =F s B+F ma

2 =142,5+ 502 =117,5(N )suy ra: F a B = 167,5 (N)

Fa = max(F a A, F a B)= 167,5 (N)Kiểm tra:

𝑄 = (0,44.125 + 1,47.167,5) 1,1.1 = 331.35 (𝑁)

𝐶0 = 139,55.13501/3= 1542 <C0rVậy lựa chọn ổ bi phù hợp với khả năng tải

 Chọn khớp nối

Có rất nhiều loại khớp nối để ta lựa chọn cho bài toán này nhưng trên cơ sở

tham khảo tài liệu và thực nghiệm từ các hãng sản xuất em xin chọn loại

khớp nối là loại khớp nối trục loại trục bù – chữ thập có đệm

Trên cơ sở đó em chọn thông số cho khớp nối như sau:

SVTH: VĂN THIỆN – MINH TUẤN GVHD: ThS HOÀNG TRỌNG HIẾU 38

Bảng 3.2: Kích thước cơ bản khớp nối trục Z

Hình 3.9:Hình ảnh minh họa ray trượt

 Hình dạng của ray dẫn hướng

 Để có được một mô hình phù hợp nhất cho các điều kiện dịch chuyển của hệ thống raydẫn hướng thì khả năng chịu tải và tuổi thọ của mô hình phải được chú trọng nhất

 Để xác định, kiểm nghiệm khả năng tải trọng tĩnh danh nghĩa, tải trọng tương đươngthì việc đánh giá qua giá trị Co (tải trọng động định mức) là khả quan và chính xác hơncả

 Tuổi thọ có thể thu được bằng cách tính toán trên cơ sở lý thuyết bằng công thức thựcnghiệm dựa trên việc đánh giá thông qua tải trọng động danh nghĩa