Đồ án thiết kế hệ thống thay dao cho máy CNC đồ án cơ điện tử 2

Xây dựng sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động trình bày sơ lược về quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự độngcó thể tham khảo đồ án CĐTI và lấy công thức tính toán từ đó 2..

Đồ án Thiết kế hệ thông thay dao cho

máy CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ

DO AN MON HOC:THIET KE HE THONG CO ĐIỆN TU MãHP:ME4336

Giáo viên hướng dẫn :

Sinh viên thực hiện:

Lop:

MSSV:

1.Hệ thống thay dao cho máy phay đứng

2.Hệ thống tháo và kẹp dao: dùng xi lanh chuyển đổi khí nén — thủy lực

3.Loại thay dao (TP): KM (Không tay máy)

4.Nguôn lực di chuyển cụm chứa dao chạy đến trục chính (PO;): KN(Khínén)

5.Nguồn lực quay cụm chứa dao(PO;):ÐC(Động cơ điện)

6.Số lượng ô chứa đao : N =16

7.Loại côn gắn chuôi dao :BT40

8.Khối lượng một con dao:M=7 Kg

9.Đường kính lớn nhất của một con đao : D„„„ =80 mm

10.Thời gian thay dao gần nhất : T; = 3 s

11.Thời gian thay đao xa nhất : T ;= 7s

1 Xây dựng sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động trình bày sơ lược về quy trình thiết

kế hệ thống thay dao tự động(có thể tham khảo đồ án CĐTI và lấy công thức tính toán từ đó)

2 Xây dựng sơ đồ khói thuật toán điều khiển trả dao / lấy dao

Bản vẽ sơ đồ điều khiển điện khí nén(hoặc thủy lực) phù hợp với yêu cầu của đầu bai

4 Mô phỏng hoạt động của hệ thống thay dao tự động bằng phần mềm máy tính (tự chọn phần mềm)

5 Lập trình PLC trên 1 hệ thống điều khiển CNC cụ thê (không bắt buộc)

Hà Nội ,ngày .tháng nấm 2012

Giáo viên hướng dẫn

Mục lục

Contents -

9)8)/9)827.10001 5 3

1.1.Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động: 4

1.1.1.Khái niệm sơ đồ động: . - - G kscSExS 1x Sư ng ng re rep 4 1.1.2.Sơ đồ động của toàn hệ thống thay đao tự động : - -s«c«¿ 4

1.2.Quy trình thiết kế hệ thông thay dao tự động với 16 đài đao: 5

1.2.1.Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động: 5

1.2.3 Tính toán hệ thống dẫn động cho cơ câu thay dao «- 24

PHAN 2 XAY DUNG SO DO KHOI THUAT TOAN TRA DAO/ LAY DAO

27

2.1.Khái niệm sơ đồ khối thuật toán : - 5 22 22125 S2EEzsE>.EseEzz se: 27

2.2 Sơ đồ khói thuật toán trả dao/lẫy dao(thay dao)) - 5s csesscsessz 30

PHẦN 3: BẢN VẼ SƠ ĐÔ ĐIỆN ,KHÍ NÉN PHÙ HỢP VỚI YÊU 38 1.Sơ đồ điện điều khiỂn ¿52+ tt 221221921 211111171.11 71111 crkg 38 2.Sơ đồ khí nén - ¿6-5626 2921239212192121821117111211110111111111111 111 00 39 PHAN 4.MO PHONG HOAT DONG CUA HE THONG THAY DAO TU DONG BANG PHAN MEM SOLIDWORKS c.csssssssesessssesseseeseseeeeseeseseaesee 41

` ~ ?

Ï AI LIEU THAM KHAO COMO HEHE OHHH OHHH OHHH EE HEHEHE EERE HOHE HEHE OH EHH EOE HHH HEH EO EH EOE HH OE EEH OS 50

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển rất nhanh,mang lại nhưng lợi ích cho con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tính thần.Để nâng cao đời sống nhân dân

và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới,Đảng và nhà nước ta đã đề ra những mục tiêu đưaa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa.Để thự hiện điều

đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển đó là ngành Cơ khí nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuã ra các thiết bị công cụ(máy móc,robot ) của mọi ngành kình tế quốc dân.Muốn thực hiện việc phát

triển ngành cơ khí cần đây mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn

đáp ứng được yêu cầu của công nghệ tiên tiến,công nghệ tự động hóa theo dây chuyền trong sản xuất

Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong

chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử.Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ

thống hóa lại các kiến thức của môn học như : Chi tiết máy,Vẽ kĩ thuật,Cơ học kĩ

thuật,Nguyên lỹ máy,Sức bền vật liệu, Đồng thời cũng giúp chúng em học thêm một số

phan mềm cần thiết cho việc thiết kế ,mô phỏng cân thiết như Catia, ngoài ra giúp

chúng em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ án tốt nghiệp sau này

Dù đã có cố gắng hoàn thành đồ án này với cường độ làm việc cao,cùng sự hướng

dẫn nhiệt tình và cụ thể của các thầy trong bộ môn,nhưng do hiểu biết còn hạn chế cộng

với chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án này không tránh khỏi được khả

năng thiếu sót và bất cập.Vì vậy em rất mong sự sữa chữa và góp ý của các quý thầy cô

để em rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức cho mình

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ báo của các thầy cô trong Viện Cơ

Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê

Thanh Sơn đã giúp em hoàn thành đồ án này

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Đức

1.1.Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động:

1.1.1.Khái niệm sơ đồ động:

Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền, các cơ cầu liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động,xác định những chuyên động cân thiết của máy.Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay của động cơ điện,đường kính bánh đai,số răng của bánh răng ,số đầu mối của trục vít,số răng của bánh vít

1.1.2.Sơ đồ động của toàn hệ thông thay dao tự động :

Từ định nghĩa sơ đồ động như trên và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thông thay dao CNC ,cùng với các hình vẽ quy ước ta xây dựng nên sơ đô động của toàn

hệ thông thay dao tự động băng Cad như sau :

| | L

1.2.Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao:

1.2.1.Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động:

N: số lượng dao của Ô chứa đao N=16

D„„„:đường kính lớn nhất của dao D„;„= 80mm

B140: loại chuôi dao

M: khối lượng 1 con đao m=7kg D¿.: đường kính trục chính D,„„¿=120mm

H: hành trình vào lẫy dụng cụ của trục chính H=130mm

Các dữ liệu đầu vào

b) Khoảng cách giữa các dao gần nhau

trong Đĩa tích dao

c) Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào

thay dao

d) Lựa chọn cơ cầu kẹp trên Đĩa

e) Tính toán các thông số hình học của Đĩa

Tính toán co cau Malte cho Dia tich dao

a) Tính toán các thông số hình học của

Malte

b) Tính toán động học của Malte

c) Tính toán động lực học của Malte

Vv

a) Lựa chọn loại ỗ lăn

1.2.2.Iính toán Đĩa tích dao :

1.2.2.1 Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao :

Các thông số ban đầu:

- Tính toán hệ thống với số lượng dao N = 16 dao

- Đường kính lớn nhất của dao: Ø„„ 80 mm {Lấy theo đường kính lớn nhất của dao phay mặt đầu)

- Chuôi dao BT40

- Đường kính của trục chính: „„„= 120 mm

- Hành trình của trục chính trong quá trình vào thay đỗi dụng cụ La= 130 mm

Đề đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần tính toán cho cơ cầu sao cho kết câu của hệ thống phải gọn nhẹ,phải có độ chính xác cao,không xảy ra va đập khi trục chính vào thay dụng cụ

Dé Tang chứa dao chứa đủ 16 dao ma van dam bao cho quá trình thay dao

không xảy ra sự có thì trước tiên ta đi tính toán bán kính từ tâm dao đến tâm trục ổ chứa đao :

Hình 1 Sơ đồ tính toán kích thước hình học của Tang

a Bán kính từ tâm của dao đến tâm của Tang chứa dao Rạ được xác định :

R„„ : bán kính lớn nhất của dao R„„„= Pox => = 40 mm

N: số dao của ô chứa N = 16 dao

Vậy :

R,>1288 = 203.7 (mm) 2z

Để giữa các dao có R„a„ có khoảng các ta lay Rg = 300 (mm)

Khi đó chu vị của vòng tròn chứa dao la:

C= 2.x.Rạ = 2.3,14.300 = 1884 (mm)

b.Xác định khoảng cách giữa các dao gần nhau trong Tang :

Khoáng cách giữa hai tâm của dao có thê xác định gần đúng :

Hình 2 Sơ đồ trục chính tham gia vào thay dung cu

Đề đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần kiểm tra xem khi trục

chính vào thay dao số 1 có bị va chạm với các đài dao số 2 và dai dao sé 16 hay

không

Đường kính lớn nhất của trục chính :Ø„„= 120(mm)

Đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT40 là:2c = 44.45(mm)

Khoảng cách giữa tâm các đài dao L = 117.75(mm)

Ta đi xác định khoảng cách từ tâm đài đao số 1 đến độ côn của các đài dao số 2

Đề trục chính tham gia vào thay dao được chính xác thì dao cần có một vị trí xác định trên Tang chứa dao Vậy ta cần hạn chế 5 bậc tự do của đao trên Tang

Để kẹp dao lên Tang ta có thể dùng hệ thống kẹp dao của hệ thống thay dao

tự động của trung tâm gia công CNC_ V20.Hệ thống kẹp dao gồm :Tay kẹp

trái, Tay kẹp phải,Chốt định vị và một loxo tạo ra lực kẹp dao

Hình 4 Thông số hình học của tắm định vị

Dao sẽ có khoảng cách xác đmh so với đường tâm của Tang mang dao nhờ

tâm đi vị hạn chế 1 bậc tự đo theo phương ngang và cơ cầu kẹp tu dinh tam

Qua trinh kep dao:

C : chu vi vòng tròn từ tâm đao đến đường tâm của Tang : C = 1884 (mm)

r : bán kính cô đài dao : r= ấn — 44,45 _ 45995 (mm)

h: chiều dày kẹp dao :h = 23 (mm)

L : khe hơ cần tính để tránh va đập giưa các tay kẹp

N: số dao kẹp Tang có thể chứa

->L=T—~2r~2h= TỔ ~2,22,225~2/23= 21.3 (mm)

Kiểm tra khi tay kẹp mở

Khi thay dao tay kẹp sẽ xoay quanh điểm O;một góc œ = 5° vậy lượng mở thêm

của tay kẹp ứng với bê dây nhất là :

L¿x~ 83.tga~ 83.tg5°~ 7,26 < 27.3 (mm)

Vậy các tay kẹp không bị va chạm vào nhau trong quá trình thay dao

e.Tính toán các thông số hình học của Tang

-Tĩính bán kính vòng ngoài của Tang R¡:

R, = Ro — h— Rinaxa

Trong đó :

Rọ : bán kính từ tâm dao đến đường tâm Tang Rạ= 250 (mm)

h: Lượng nhô ra của tâm định vị so với Tang h = 16 (mm)

Ra: bán kính lớn nhất của đài dao R.„ „= ae == 31.5 (mm)

R,= 300 — 16 — 31.5 = 252.5 (mm)

Lay R,= 250 (mm)

- Ban kinh vong trong cua Tang R>:

Đề có không gian cho tay kẹp di chuyên va lắp ghép lò xo để tạo ra lực kẹp ta cần phải xác định bán kính vòng trong của Tang R;

R;< R; - LL—L

L : khoảng cách từ chốt tay kẹp đến vòng tròn ngoài của Tang L = 16 (mm)

L¿ : Chiều dài chuôi tay kẹp Lụ= 58 (mm)

R¿< 250 —58 — 16 = 176 (mm)

Lay Rạ= 175 (mm)

- _ Tỉnh kích thước chiếu cao Tang

Chiều cao của đài đao h =125,4 mm

Với chiều cao của dao ta có thể lây chiều cao của Tang gân băng chiều cao của dao.Ta lay H = 120 mm

— Vay kết câu hình học của đĩa Man :

1.2.2.2 Tính toán cơ cầu Man cho Tang chứa dao

a Tính toán các thông số hình học của cơ cấu Man

Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :

Co cau Mante la co cau ding để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O, thành chuyên động quay gián đoạn của đĩa O; Chuyên động gián đoạn của đĩa O; chính là chuyên động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị trí

thay dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8, ,16,18,10

Với hệ thống thay dao gồm có 16 đài dao vậy ta cần tính cơ câu Man với số rãnh là : Z = 16

Với kết câu của đài Tang mang dao ta đi tính toán cơ cầu Man với bán kính của

dia la R = 147 (mm)

Hình 6 Sơ đô tính toán cơ cấu Man

Điều kiện bắt buộc để chống va đập là :

Khi thiết kế góc 2œ+ thực tế nhận được là tíchsố của góc 2œ đã cho trước với tỷ

số truyền động i của cơ cầu Man :

207 = 2.0.1

ở đây 2œ+ là góc quay thực tế

Khi quay góc 2œ+ sau một thời gian tr thì thời gian của cơ cầu Man t„ sau một

Các thông số hình học của cơ câu Man được xác định :

Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L :

Lay h = 36 (mm)

Ban kinh quy dao can :

Re = L.sina = 150.sin11,25°.= 29,26 (mm)

b Tính toán động học của cơ cấu Man

Xác đmh góc w của đĩa Man khi cần quay được một góc Q@ :

Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi

Vậy khi cần Man quay đều với vận tốc góc œ thì đĩa Man sẽ quay không đều với vận tốc góc œa và có gia tốc là €4,va cd van toc lớn nhất khi ọ = 0° và gia tốc lớn

Tg = l (s) thời gian hành trình xylanh vào thay dụng cụ

Tự = 0,5 (s) thời gian truyền tín hiệu

Tire = 1 (s) thoi gian hanh trình trục chính vào thay dụng cụ

T, = tytt,= 0.5 (s) thời gian thay đồi một vị trí của Tang

Ta đi tính gia tốc góc và vận tốc góc cho dia Man

Hình 7 Biêu đồ sự phụ thuộc vận tóc góc và gia tốc góc của đĩa man vào góc t

c Tính toán động lực học của cơ cấu Man

Khối lượng của Tang chứa dụng cụ :

Gr= Gpt+16.Gx+16.Gp+G

Trong đó:

Gạ: khối lượng của đĩa man là : 39 (kg)

Gx: khéi lượng của cơ câu Kep dao :Gx= 2.Gr+c

Gg= 2.0,35 + 0,1 = 0,8 (kg)

Gp: khéi lượng của một đài dao : 7 (kg)

G : khối lượng của các chi tiét phụ lẫy = 10 (kg)

Gr= 39 + 16.0,8 + 16.7 + 10 = 173,8 (Kg) Xét các lực tác dụng lên đĩa Man trong quá trình làm việc

Vậy trọng lượng của Tang chứa dụng cụ là :

Pr = G.g = 173.8.9,81 = 1704.978 (N)

Pạ : Lực do cần khi quay tác dụng lên rãnh của đĩa Man

P : Lực masát tạ ỗ côn do trọng lượng của Tang tạo ra

Pus= Pr.f = 1704.9.0,02 = 34.098 N

f = 0,02 Hệ số ma sát của ô đũa côn đỡ chặn

P: Lực của cần

R„: Bán kính trung bình của ỗ côn = 95 mm

Phương trình cân bằng momen với đĩa Man ứng với lúc đĩa Man có gia tốc lớn nhất :

J.€4max= Py-E— Pins-Ro

Với :

J : Mômen quan tinh do khối lượng của một dụng cụ với đương tâm của

Tang

J= 1¿„ + d”.Gạ„ = 8,1.10” + 300.8 = 728.1.10” (kg.mm”)

=728,1.10° (kg.m’ )

ø : gia tốc trọng trường = 9,81 m/s”

d : khoảng cách từ tâm dụng cụ đến tâm của Tang chứa dao là 300 mm

uc 36,24 rad/s” gia tốc góc lớn nhật của đĩa Man khi o = 52,3169°

d Tính toán và lựa chọn động cơ

Công suất động cơ được xác định theo công suất của cần

_ÄÑ _ w = 69,4(W) (Chọn động cơ có công suất 70 W)

?} `

ác

Số vòng quay của động cơ

nạc= 119,3 vòng/phút

1.2.2.3 Tính toán và lựa chọn ỗ lăn

Với kết cầu của hệ thống thay dao ta dùng một ô lăn dạng ô bi đỡ một dãy và

một 6 in dang 6 diia cén 6 bichi chiu tác dung của lực hướng tâm,còn ỗ côn chịu tác dụng của lực hướng tâm và lực dọc trục ở đây lực hướng tâm không lơn lắm so

với lực dọc trục nên ta chỉ tính toán cho 6 côn còn ỗ bi ta lây theo kích thước của 6

ÑWằ

c—®% 9ý Àj9 m==b

Hình 9 Sơ đồ bô trí ỗ lăn trên hệ thong thay dao

a Lua chọn loại ổ lăn :

Với kết câu của cơ câu chứa dao ta thay 6 lin chi phải ch tác dụng của lực dọc

trục,còn lực hướng khá nhỏ nên ta có thé bd qua Vay ta dung ô đũa côn đỡ chặn

b Chọn sơ bộ kích thước ổ :

Với kết câu của Tang chứa dao ta lựa chọn ỗ đũa côn cỡ đặc biệt nhẹ 2007114 (

theo GOST 333-71 ) với các thông sô : đường kính trong d;= 75 mm ; đường kính ngoài D = 115 mm, kha nang tai dOng C = 120 kN , kha nang tai tinh C,= 108,8

kN

c Tính kiểm nghiệm khả năng tải của ổ :

ỗ chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của Tang và dụng cụ được gá đặt trên Tang

Với hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, Tang quay với vận tốc

lớn nhất là œ = 3,5 rad/s,số vòng quay n = 8,6 vòng/phút,với mỗi lần hoạt động Tang chỉ quay 1 đến 2 vòng , nên ta chỉ kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh cho ô

X., Y,: Hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục

X,= 0,5, Y,= 0,22.cotga = 0,22.cotg14,08° = 0,877

Ta hra chon 6 bi đỡ một dãy loại 115 (theo GOST 8338-75) với các thông số của

d=75 mm, D= 115 mm, B= 20 mm, C = 30,4 kN, C, = 24,6 KN

1.2.2.4 Tinh toan truc d0' Tang

Đường kính trục đỡ Tang được lấy theo đường kính trong của ô lăn va bang :

D=75mm

Ta đi kiếm nghiệm độ bên của trục :

Trục đỡ Tang chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do khối lượng của Tang và

dụng cụ là Pr = 1862(N) Vậy ta chỉ đi kiêm nghiệm độ bên kéo của trục

Hình 11 Sơ đồ bố trí lực trên trục đỡ Tang

Vật liệu của trục là thép CTŠ có giới hạn bên là ơø, = 550 MPa, giới hạn chảy là

3

g, ~ 1862.10" _ 9.935 < 280 Mpa ° 53/23

Vậy trục thoả mãn điều kiện bên

Biến dạng dài của trục AI được tính theo công thức :

-3

Ay— P-L _ 1862.10°.12/8 “Thai ^ 2,2.10”em = 2,2.10'mm

Trong đó:

L =128 mm: chiều dài trục

E= 2.10 kN/cm” : môđun đàn hồi của thép

1.2.3 Tính toán hệ thống dẫn động cho co’ cau thay dao

Tính toán trục dẫn hướng

Đề dẫn hướng cho Tang chứa dụng cụ thực hiện quá trình thay dao, ta dùng hai

trục lắp trên thân đơ để dẫn hướng Sơ đồ bồ trí 2 trục dẫn hướng trên hệ thống

thay dao: