MỤC LỤC MỤC LỤC 1 DANH MỤC HÌNH ẢNH 2 Chương I TỔNG QUAN VỀ MÁY TIỆN CNC 6 1 1 Giới thiệu về máy tiện cnc 6 1 1 1 Khái niệm 6 1 1 2 Một số dạng kết cấu máy tiện CNC 6 1 2 Phân tích ưu nhược điểm của m.
TỔNG QUAN VỀ MÁY TIỆN CNC
Giới thiệu về máy tiện cnc
CNC (Computer Numerical Control – điều khiển bằng máy tính) là hệ thống điều khiển máy móc bằng máy tính dùng để gia công lặp lại các bộ phận kim loại và vật liệu khác với độ chính xác cao Quá trình này dựa trên các chương trình được viết bằng ký hiệu chuyên dụng theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường được gọi là mã G (G-code) CNC được phát triển vào cuối thập niên 1940 và đầu thập niên 1950 tại Phòng thí nghiệm Servomechanisms của MIT, mở ra kỷ nguyên tự động hóa trong gia công cơ khí.
Là máy gia công dưới sự kiểm soát của máy tính.
1.1.2 Một số dạng kết cấu máy tiện CNC
Máy tiện CNC kiểu đứng :
Máy tiện đứng CNC (Vertical CNC Machine) có trục chính vuông góc với bàn máy và thực hiện quá trình gia công lên xuống theo phương dọc, mang lại độ chính xác và ổn định cao cho từng chi tiết Cấu hình này làm cho máy trở thành lựa chọn tối ưu cho các dự án gia công tập trung một mặt, đặc biệt là với các tấm kim loại lớn và khuôn dập chìm.
Hình 1.1: Máy tiện đứng CNC TAKISAWA VTL-750
Máy tiện CNC kiểu ngang :
Máy tiện ngang CNC (Horizontal CNC Machine) có trục chính nằm ngang và gia công vật liệu theo phương song song với bàn máy Thiết kế này cho phép gia công nhiều mặt và xử lý các chi tiết có trục dài một cách hiệu quả Đây là lựa chọn tối ưu cho các dự án yêu cầu gia công trục dài và hình dạng phức tạp, đồng thời tăng cường độ chính xác và năng suất trên nhiều mặt gia công Với độ ổn định cao và khả năng điều khiển dao chính xác, máy tiện ngang CNC đáp ứng tốt yêu cầu sản xuất hiện đại.
Hình 1.2: Máy tiện CNC LMW model smartplus
Các loại máy tiện CNC khác :
Máy tiện CNC tốc độ (Speed Lathes) có thiết kế đơn giản gồm ụ trước, ụ sau và dụng cụ tiện; dù chỉ hoạt động ở ba hoặc bốn cấp tốc độ, nhưng trục chính có tốc độ cao, phục vụ cho các công việc gia công nhẹ như kéo sợi kim loại, tiện gỗ và đánh bóng kim loại.
Hình 1.3: Máy tiện CNC TK840
Máy tiện CNC động cơ là loại máy tiện phổ biến nhất trong các máy tiện CNC Nó hoạt động hiệu quả ở cả công suất thấp và cao, mang lại độ chính xác và hiệu suất gia công ấn tượng cho nhiều loại kim loại khác nhau Các máy này có nhiều kích thước chiều dài gia công lên tới 60 feet (khoảng 18 mét), cho phép gia công các chi tiết có kích thước lớn và đa dạng kim loại.
Hình 1.4: Máy phay tiện CNC PDL-T6/8
Máy tiện CNC tháp pháo hay máy tiện CNC rơ-vôn-ve (Turret Lathes) được sử dụng cho các hoạt động yêu cầu thao tác gia công nhanh, với các dụng cụ dao gắn trên một cấu trúc duy nhất Thiết lập duy nhất này giúp máy có thể hoàn thành công việc một cách nhanh chóng Máy có thể định vị dụng cụ tiếp theo và thực hiện một quy trình tuần tự mà không cần di chuyển phôi nhiều, từ đó ngăn ngừa các lỗi liên quan đến lệch trục.
Hình 1.5: Máy phay tiện CNC TX600-6
Phân tích ưu nhược điểm của một số loại kết cấu của máy tiện CNC
Máy tiện đứng CNC thường được trang bị bàn tròn có đường kính lớn để kẹp phôi chắc chắn trong suốt quá trình gia công, giúp xử lý các phôi có kích thước lớn và trọng lượng nặng một cách dễ dàng do ít chịu ảnh hưởng của trọng lực Nhờ thiết kế này, quá trình gia công đạt độ chính xác cao và năng suất tăng lên, mang lại sản phẩm chất lượng hơn.
Máy tiện đứng CNC sở hữu khả năng cắt vượt trội, với tốc độ gia công nhanh giúp thời gian hoàn thiện sản phẩm ngắn hơn
Gia công được các chi tiết có độ chính xác cao bởi tính ổn định của máy
Về cơ bản, các máy tiện chủ yếu thực hiện nguyên công tiện Để thực hiện các nguyên công đơn giản như khoan hay phay, máy thường được lắp thêm một động cơ riêng trên đầu rơ-vôn-ve của máy.
Chỉ gia công được chi tiết có kích thước có chiều dài ngắn
1.2.2 Máy tiện CNC kiểu ngang : Ưu điểm :
Máy tiện ngang có ưu thế so với các loại máy tiện CNC khác nhờ trục chính nằm ngang, cho phép gia công hiệu quả các vật liệu có kích thước dài Thiết kế này giúp xử lý chi tiết dài dễ hơn, giảm rung lắc và tăng độ ổn định trong quá trình gia công, từ đó nâng cao năng suất và độ chính xác cho các ứng dụng gia công vật liệu dài như thanh, ống và trục.
Máy gia công này có thiết kế đa dạng về kích thước và hình dạng, cho phép gia công được cả những chi tiết có đường kính từ trung bình đến lớn Điều này được thực hiện nhờ mâm cặp có kích thước phù hợp và lực kẹp thủy lực được kích hoạt bởi xi lanh tích hợp trong thiết bị mâm cặp, đảm bảo phôi được kẹp chặt và cố định xuyên suốt quá trình gia công.
Hầu hết máy tiện ngang có khả năng kết hợp bộ nạp liệu dạng thanh tự động, giúp tích hợp với quy trình gia công và tăng hiệu suất sản xuất Thiết kế của máy tiện ngang được tối ưu để kỹ sư có thể vận hành dễ dàng và bảo trì thuận tiện, giảm thời gian ngưng máy và nâng cao độ bền của thiết bị.
Đáp ứng yêu cầu gia công đa dạng gia công được cả các chi tiết trục khuỷu , trục cam , trục truyền hộp số
Máy còn kết hợp nhiều công cụ định hình để thực hiện các hoạt động như gia công thô, gia công tinh, mài nhẵn, tiện cứng và đo lường.
Vì mâm cặp trên các máy này giữ chi tiết gia công theo phương thẳng đứng và chịu tác động của trọng lực tự nhiên, các chi tiết thường được cố định và gia công với sự ổn định cao hơn Do các chi tiết chịu lực từ trọng lực của Trái Đất, các máy này thường được dùng để gia công các phôi nhẹ hơn so với máy tiện đứng CNC, nhằm tăng hiệu quả và an toàn trong quá trình gia công.
Do phải cần lực lớn hơn so với máy tiện đứng nên công suất máy tiện lớn hơn
Ứng dụng của máy tiện CNC
Máy tiện CNC xuất hiện và nhanh chóng thay đổi cách thức sản xuất công nghiệp bằng cách gia công các đường cong và các cấu trúc 3D phức tạp một cách dễ dàng như đường thẳng Công nghệ này nâng cao độ chính xác và năng suất, tối ưu hóa quy trình sản xuất và đồng thời giảm thiểu lượng thao tác thủ công của con người.
Việc tăng cường tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy tiện CNC mang lại tiến bộ đáng kể về độ chính xác và chất lượng sản phẩm Công nghệ tự động hóa của CNC giúp giảm thiểu sai sót và giải phóng thời gian cho người thao tác để tập trung cho các công việc khác Đồng thời, hệ thống CNC cho phép linh hoạt trong thao tác, tối ưu hóa quy trình sản xuất và rút ngắn thời gian thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác nhau.
Trong môi trường sản xuất, một cell được hình thành bởi các máy tiện CNC ghép lại với nhau để thực hiện nhiều thao tác trên một chi tiết duy nhất Máy tiện CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ thiết kế do phần mềm CAM sinh ra, giúp một bộ phận hoặc lắp ráp chuyển từ thiết kế sang sản xuất mà không cần in ấn từng bản vẽ chi tiết Có thể coi CNC là các phân đoạn của hệ thống robot công nghiệp, được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất trong phạm vi giới hạn Ứng dụng của máy tiện CNC hiện nay rất đa dạng, từ gia công chính xác cao đến tự động hóa quy trình sản xuất, giúp tăng năng suất và rút ngắn thời gian chế tạo.
Bên cạnh các máy tiện CNC thông dụng, vẫn có các máy tiện CNC cỡ nhỏ với kích thước và cấu tạo đơn giản Những máy tiện CNC nhỏ này vẫn vận hành theo nguyên lý làm việc của CNC, nhưng mức độ gia công và độ chính xác của chúng thấp hơn so với các máy CNC kích thước lớn.
Máy tiện CNC có cấu tạo đơn giản và chế tạo dễ dàng giúp giảm giá thành, phù hợp với các đơn vị sản xuất vừa và nhỏ Với khả năng gia công chi tiết trục phức tạp, máy tiện CNC mang lại độ chính xác và hiệu suất làm việc cao cho các dự án gia công.
Máy tiện CNC cho phép sản xuất những sản phẩm tinh xảo với độ chính xác cao, từ các chi tiết cơ bản đến những cấu kiện phức tạp một cách dễ dàng và nhanh chóng Nó được sử dụng để gia công bề mặt phẳng và ren vít, đồng thời có thể tạo ra các sản phẩm 3D rất phức tạp.
Trong ngành hàng không vũ trụ, gia công tiện CNC được sử dụng rộng rãi nhằm sản xuất các bộ phận có độ bền cao, hình học phức tạp và tương thích với vật liệu khó gia công mà ít phương pháp sản xuất khác có thể xử lý Những bộ phận này có vai trò then chốt và đòi hỏi mức độ chính xác cao nhất, với dung sai lên tới 0,001 mm và các yêu cầu khắt khe về đồng tâm, độ phẳng, độ tròn và hình trụ, chỉ có thể đạt được qua gia công CNC chất lượng cao.
Kết luận chương 1
Trong ngành cơ khí chế tạo ở nước ta hiện nay, gia công các chi tiết có kết cấu đa dạng từ lớn đến nhỏ kết cấu từ đơn giản đến phức tạp Nhận thấy đa phần chi tiết có kết cấu lớn sản xuất đơn chiếc thường được gia công trên máy cơ truyền thống , chủ yếu các chi tiết có kích thước vừa phải ,dạng sản xuât hàng loạt ứng dụng phần lớn là máy CNC do chi phi đầu tư lớn nên việc sự dụng máy CNC để gia công các chi tiết lớn là hạn chế Từ những ưu nhược điểm của từng kiểu máy tiện CNC ta thấy tính ứng dụng máy tiện CNC kiểu ngang được sử dụng phổ biến ở nước ta bởi nó phù hợp với tính kinh tế tính ứng dụng cao gia công đa dạng chi tiết
Trong phạm vị đề tài , em lựa chọn phương án tính toán thiết kế kết cấu cơ khí máy tiện CNC 2 trục dạng ngang , dựa trên những ưu nhược điểm của dòng máy này , dựa trên cơ sở thực tế điều kiện sản xuất ở nước ta hiện nay giúp đưa ra kết cấu cơ khí hợp lý , yêu cầu kỹ thuật độ chính xác , chất lượng bề mặt làm từng bộ phận lắp ráp để tối ưu hóa năng cao độ chính xác của máy khi gia công
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY TIỆN CNC
Kết cấu và nguyên lý hoạt động của máy tiện CNC
2.1.1 Kết cấu máy tiện CNC
Máy tiện CNC có đặc điểm kết cấu tương tự máy tiện thông thường nhưng vận hành theo một chương trình được lập trình theo quy tắc chặt chẽ phù hợp với quy trình công nghệ và phần mềm được cài đặt trong máy Trong tiện thông thường, người điều khiển phải theo dõi vị trí dao cắt và thao tác kịp thời để tạo ra những chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật, và độ chính xác cùng năng suất phụ thuộc vào trình độ tay nghề người vận hành Ngược lại, máy tiện CNC thực hiện công việc dựa trên chương trình đã được biên soạn, kết quả gia công không phụ thuộc vào tay nghề mà người vận hành chủ yếu đóng vai trò theo dõi và kiểm tra các chức năng hoạt động của máy.
Kết cấu máy tiện CNC gồm 2 phần chính :
Phần chấp hành : Đế máy , thân máy , cụm trục chính , trục vít me , ụ động ,ụ đứng , bàn xe dao và băng dẫn hướng , mâm cặp
Phần điều khiển : Động cơ , hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm
Mô hình khái quát máy tiện CNC:
Hình 2.1: Mô hình khái quát máy tiện CNC
Hình 2.2: Sơ đồ bộ phận máy tiện CNC
Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp
Vật liệu này có độ bền lên tới 10 lần so với thép và 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.
Phải có độ cứng vững cao.
Phải có các thiết bị chống rung động.
Phải có độ ổn định nhiệt.
Phải đảm bảo độ chính xác gia công.
Đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy.
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.
Hình 2.3: Cụm trục chính máy tiện CNC
Nguồn động lực điều khiển trục chính đến từ các động cơ được lựa chọn kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác Trục chính thường được điều khiển bằng động cơ Servo ở chế độ vòng lặp kín, áp dụng công nghệ số giúp điều khiển tốc độ với độ chính xác cao và hiệu quả vượt trội ngay cả khi làm việc ở tải nặng.
Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính nhằm tăng momen xoắn và gia tốc, tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng nhanh với yêu cầu vận hành Nhờ kiểm soát góc quay chính xác, hệ thống cho phép trục chính tăng tốc độ lên rất nhanh, mang lại hiệu suất làm việc mạnh mẽ và độ ổn định cao trong quá trình hoạt động.
Các dạng điều khiển trục chính điển hình :
Hình 2.4: Ba dạng điều khiển trục chính điển hình Điều khiển đai : Truyền động từ động cơ tới trục chính thông qua dây đai
Sự kết hợp tốt giữa mô men và tốc độ mang lại nhiều lựa chọn cho chế độ làm việc của máy Điều khiển trực tiếp cho phép tăng tốc độ trục chính lên mức cao và mang lại quá trình làm việc êm ái Điều khiển bánh răng có khả năng duy trì tốc độ ổn định ngay cả ở chế độ tải nặng, đảm bảo hiệu suất làm việc liên tục.
Kết cấu cụm trục chính rất đa dạng, với trục chính có thể đặt trên 2 hoặc 3 ổ lăn Nếu khoảng cách giữa hai ổ được xác định theo phương án tối ưu thì độ cứng vững của hệ không nhỏ hơn khi dùng ba ổ, vì lý do dùng ba ổ là hộp trục chính quá dài và tạo điều kiện chống rung tốt hơn trong trục chính Do khó khăn về công nghệ nên cụm trục chính trong máy công cụ hạng nặng thường sử dụng ba ổ lăn Nhiều tài liệu nước ngoài nghiên cứu khảo sát hơn 350 cụm trục chính của các loại máy công cụ khác nhau, cho thấy tới gần 130 phương án kết cấu khác nhau.
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của ban theo X và chuyển động theo trục Z của trục chính.
Yêu cầu của hệ thống thanh trươt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao độ cứng vững tốt, không có hiện tượng dính, trơn khi trượt.
Băng dẫn hướng là một bộ phận quan trọng của hệ thống dẫn hướng, gồm thanh trượt và gối đỡ thanh trượt, tạo nền tảng cho sự chuyển động mượt mà và ổn định Hệ thống này đảm bảo máy móc hoạt động đúng hướng, nâng cao độ chính xác, tính chuẩn mực và sự linh hoạt trong vận hành, đồng thời giảm thiểu sai lệch và hao mòn, với ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động, máy móc công nghiệp và thiết bị CNC.
Trong hệ thống băng dẫn hướng của máy CNC, con trượt vuông được sử dụng phổ biến vì cho phép chuyển động tới lui chính xác ngay cả khi cả con trượt và rail chịu tải trọng nhất định; so với thanh trượt dẫn hướng tròn, thanh trượt vuông có độ cứng vững và độ chính xác cao hơn và có tải trọng làm việc gần 1.5 lần, đi kèm là mức giá cao hơn Ưu điểm của thanh trượt vuông gồm chịu tải trọng nặng, độ bền cao, độ chính xác cao, chuyển động trơn tru, ma sát thấp, dễ lắp đặt và chắc chắn.
Nhược điểm o Giá thành cao. o Kích thước khối lượng lớn.
Con trượt vuông được cấu thành từ 2 bộ phận chủ yếu là thanh trượt và con trượt
Thanh trượt hay rail là bộ phận cố định có hình dạng vuông đòi hỏi độ chính xác hình học ở mức cao để đảm bảo sự di chuyển tuyến tính của máy Thiết kế của nó tích hợp rãnh lăn bi và các lỗ được bố trí đều để bắt ốc liên kết với các bộ phận cố định của hệ thống máy móc Nhờ rãnh lăn bi và độ phân bố lỗ đều, thanh trượt giảm ma sát, tăng độ cứng và khả năng chịu tải cho cả hệ thống Việc gia công chính xác và lắp đặt chuẩn xác cực kỳ quan trọng để tối ưu hiệu suất vận hành và độ bền của máy trong các ứng dụng tự động hóa và CNC Với vai trò là thành phần then chốt cho dẫn động tuyến tính, thanh trượt mang lại vị trí định vị chính xác và ổn định cho các bộ phận di chuyển.
Con trượt bộ phận di trượt được bố trí ăn khớp với thanh trượt chứa bi tạo ma sát lăn trong quá trình làm việc.
Thanh trượt vuông được thiết kế với 4 rãnh bi hướng tâm 45 độ và được tôi luyện ở độ cứng từ 58 đến 62 HRC, mang lại khả năng chịu lực hiệu quả theo nhiều phương và tăng độ bền, tải trọng cho thiết bị Các loại ray trượt vuông được làm từ thép S55C với công nghệ nung cao tần tiên tiến nhằm nâng cao độ cứng và độ bền Trong khi đó, thanh trượt tròn được chế tạo từ thép SUJ2, có độ cứng bề mặt từ 60 đến 64 HRC và được mạ crom chống gỉ, chống ăn mòn hiệu quả Nhờ độ chính xác và độ bền cao, thanh trượt vuông có tuổi thọ dài cho các ứng dụng cơ khí.
Tiếng ồn phát sinh khi chuyển động của thanh trượt vuông cho thấy sự cần thiết của một hệ thống dẫn hướng êm ái và mượt mà Thanh trượt vuông không có độ rơ và lắc ngang, nhưng yêu cầu phải được lắp đặt trên mặt phẳng để đảm bảo hiệu suất tối ưu Trong khi đó, con trượt tròn có khả năng hỗ trợ phù hợp với các cơ cấu lắp đặt có bề mặt không phẳng tuyệt đối, mang lại sự linh hoạt cho thiết kế Việc lựa chọn giữa thanh trượt vuông và trượt tròn phụ thuộc vào điều kiện bề mặt, mức độ ổn định và độ chính xác mà hệ thống yêu cầu.
Thanh trượt vuông có cấu tạo đơn giản và dễ lắp đặt, tháo gỡ nhanh
Thanh trượt vuông mang lại sự tiện lợi và dễ dàng khi cần thanh trượt dài hơn 4m Để đạt được chiều dài trên 4m, có thể cắt dây ở hai đầu và nối lại, giúp giảm thiểu tối đa độ vấp của con trượt khi nó chạy qua.
Trục vit me đai ốc
Trong máy công cụ điều khiển số, hai dạng vít me cơ bản được sử dụng phổ biến là vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi Vít me đai ốc thường có cấu tạo đơn giản, truyền động ổn định với chi phí thấp và phù hợp cho những ứng dụng không đòi hỏi độ chính xác cao Ngược lại, vít me đai ốc bi (ball screw) khắc phục ma sát nhờ cơ chế bi quay bên trong, cho độ chính xác và khả năng lặp lại cao hơn, vận hành mượt mà và hiệu suất gia công tốt hơn, đặc biệt được ưa chuộng trong các hệ thống CNC yêu cầu độ chuẩn xác cao Lựa chọn giữa hai loại phụ thuộc vào tải trọng, yêu cầu về độ chính xác, tốc độ di chuyển và ngân sách, nhằm tối ưu hiệu suất và tuổi thọ của hệ thống truyền động.
Hình 2.5: Vit 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
Bộ phận đỡ ổ chứa dao trên máy tiện cho phép dao di chuyển tịnh tiến ra/vào theo hướng song song và vuông góc với trục chính nhờ các động cơ bước được lập trình sẵn, đảm bảo điều khiển chính xác theo chu trình gia công Ổ dao (đầu dao) là thành phần quan trọng, máy tiện thường dùng hai loại ổ dao phổ biến đáp ứng các yêu cầu gia công khác nhau.
Đầu rơvônve có thể lắp từ 8 đến 12 dao các loại.
Các ổ chứa trong hệ thống gia công được liên kết với các bộ phận khác như đồ gá thay đổi dụng cụ, nhằm tối ưu hóa quy trình gia công Đầu rơvônve cho phép thay dao nhanh trong thời gian ngắn và xử lý nhiều dụng cụ một cách hiệu quả, trong khi ổ chứa dao có thể tích hợp lượng lớn dao mà vẫn đảm bảo an toàn, giảm thiểu nguy cơ va chạm trong vùng làm việc của máy tiện Ổ chứa dụng cụ cho máy tiện CNC thường được sử dụng ít hơn so với đầu rơvônve do việc thay đổi dụng cụ khó khăn hơn, nhưng ưu điểm là an toàn, ít gây ra va chạm và có thể ghép nối tự động một số lượng lớn dụng cụ mà không cần can thiệp bằng tay.
Hình 2.6: Một số dạng ổ chứa dụng cụ
Cơ sở lý thuyết tính toán và chọn động cơ
2.2.1 Động cơ điện 1 chiều (DC)
Hình 2.10: Động cơ điện 1 chiều
Các thông số chủ yếu quyết định đến tính năng làm việc của động cơ điện
U: Điện áp cung cấp cho phần ứng
I : Cường độ dòng điện của phần ứng.
R : Điện trở trong của phần ứng.
E : Sức phản điện động phần ứng
Các quan hệ cơ bản của động cơ điện một chiều là :
Trọng đo : k là hệ số phụ thuộc vào đặc tinh của dây cuốn và số thanh dẫn của phần ứng
Số vòng quay của động cơ điện một chiều
Mô men động C được xác định từ phương trình cân bằng công suât
Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có thể thực hiện bằng cách:
Thay đổi từ thông thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ Trong trường hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U và tăng tốc từ 0 lên tốc độ định mức, công suất không đổi còn mô-men (torque) giảm theo tốc độ.
Điều chỉnh điện áp phần ứng là kỹ thuật điều khiển quan trọng giúp thiết lập đặc tính làm việc của động cơ điện Trong trường hợp từ thông không đổi, khi tăng tốc từ 0 lên tốc độ định mức thì momen quay sẽ không đổi, còn công suất sẽ tăng theo tốc độ.
Đảo chiều quay của động cơ điện một chiều (DC motor) có thể thực hiện bằng cách đổi chiều từ thông (hướng của dòng kích từ) hoặc đổi chiều dòng điện phần ứng Nói cách khác, thay đổi hướng của từ thông hoặc thay đổi hướng của dòng điện phần ứng sẽ làm từ trường tác động ngược lại và khiến rotor quay theo chiều mong muốn.
Động cơ bước có thể vận hành mà không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và vận tốc, phù hợp với các thiết bị điều khiển số Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở nên phổ biến trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại Tuy nhiên phạm vi ứng dụng của nó chủ yếu ở vùng công suất nhỏ và trung bình, và việc nghiên cứu nâng cao công suất cho động cơ bước là vấn đề được quan tâm hiện nay, mặc dù hiệu quả hoạt động của động cơ bước vẫn thấp hơn so với các loại động cơ khác.
Trong thực tế vận hành máy CNC, động cơ bước thường không đáp ứng đầy đủ về công suất và khả năng bù sai số trong quá trình điều khiển Tuy nhiên, đối với một số mô hình máy CNC, động cơ bước vẫn cho thấy khả năng đáp ứng tương đối tốt các yêu cầu về độ chính xác, công suất phù hợp và đặc biệt là dễ dàng trong việc điều khiển.
Các thông số chủ yếu của động cơ bước:
Góc quay của động cơ bước được xác định cho mỗi xung kích thích Mỗi xung kích thích cho một bước quay, và góc bước càng nhỏ thì độ phân giải vị trí càng cao Số bước cho một vòng quay (s) là tham số quan trọng: với s bước mỗi vòng, góc quay cho mỗi bước bằng 360/s độ.
Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào số bước diễn ra mỗi giây Đối với hầu hết các động cơ bước, số xung cấp cho động cơ bằng số bước tính theo phút, nên tốc độ có thể được xác định từ tần số xung f Tốc độ quay của động cơ bước được tính theo công thức rpm = f × 60 / số bước cho một vòng quay (ví dụ động cơ 1.8° thường có 200 bước cho một vòng).
n: Tốc độ quay (vg/ph)
f: Tần số sung ( bước/ph)
s: số bước trong một vòng quay
Ngoài các thông số quan trọng như độ chính xác vị trí, momen và quán tính của động cơ, động cơ bước có ba loại cơ bản: động cơ bước nam châm vĩnh cửu (PM), động cơ bước từ trở biến đổi (VR) và động cơ bước kiểu lai (hybrid) Trong máy tiện CNC mini, chúng ta sử dụng động cơ bước kiểu lai với độ phân giải 1,8° cho mỗi bước, mang lại hiệu suất và độ phân giải phù hợp cho các ứng dụng gia công.
Hình 2.12: Cấu trúc động cơ bước kiểu lai
Động cơ bước kiểu lai mang đặc trưng của cả hai loại PM và VR Cấu tạo rotor và stator của động cơ bước kiểu lai tương tự như động cơ VR hai đoạn trục, tuy nhiên rotor của động cơ kiểu lai chứa nam châm vĩnh cửu Hai lá rotor làm bằng thép mềm được ép lên trục và hình thành nam châm vĩnh cửu Số răng trên rotor của động cơ kiểu lai lớn hơn số răng trên stator, sự chênh lệch này thể hiện khả năng điều khiển động cơ Các răng trên rotor của động cơ kiểu lai được bố trí đối xứng nhau trên hai đoạn trục, nghĩa là răng trên đoạn rotor này trùng với khe giữa hai răng của đoạn rotor kia.
Hình 2.13: Sơ đồ nôi dây động cơ bước kiểu lai
Rotor của động cơ bước kiểu lai được cấu tạo từ hai đoạn trục: phần ngoài làm bằng thép non và phần bên trong là trục nam châm vĩnh cửu Cách nối dây trên hai đoạn trục được thể hiện trong hình trên: dây pha A có màu sẫm, dây pha B có màu mờ hơn Cuộn pha A lắp trên các cực lẻ, còn cuộn pha B được lắp trên các trục chẵn.
Trong động cơ bước kiểu lai có hai đoạn rotor, răng trên một đoạn trùng với rãnh trên đoạn kia và hai đoạn rotor được từ hóa tương ứng với cực của nam châm vĩnh cửu; giả sử đoạn trục A có cực từ là N và đoạn trục B có cực từ là S Khi cấp điện cho cuộn pha A, dòng từ trường xuất phát từ rotor A chia làm hai nhánh: nhánh thứ nhất đi từ nam châm vĩnh cửu sang rotor A, qua răng trên cực 1, vì răng trên cực 1 đối diện với răng của rotor nên từ kháng là nhỏ nhất, sau đó dòng từ lan sang stator A và từ stator A lan sang stator B; dòng từ tiếp tục lan theo đường có từ trở nhỏ nhất, ví dụ là cực 3 của stator B, vì cực này có răng đối xứng với răng của rotor; dòng từ đi vào rotor B, lan tới nam châm vĩnh cửu và khép kín mạch Dòng từ thứ hai cũng đi từ nam châm vĩnh cửu qua rotor A, đi tới răng 5 của rotor A và lan sang stator A, từ stator A lan sang stator B, từ stator B qua răng 7 lan tới rotor B, từ rotor B lan tới nam châm vĩnh cửu và khép kín mạch từ Lúc này rotor đứng yên ở trạng thái cân bằng.
Ngắt cấp điện cho pha A và cấp điện cho pha B khiến tổng trở không còn ở mức tối thiểu, đẩy rotor quay theo hướng giảm tổng trở Trong hình minh họa, rotor quay đến vị trí cực 4 và 8 trên rotor A, nơi các răng đối xứng với răng của stator và tương ứng với các cực 2 và 6 trên phần rotor B, mô tả cách điều khiển rotor của động cơ.
Hệ thống điều khiển động cơ bước
Một hệ thống có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát theo sơ đồ sau :
Hình 2.14: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước
D.C.Supply : Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống Nguồn một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ Với các động cơ có công suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều.
Khối điều khiển logic là thành phần chịu trách nhiệm tạo ra tín hiệu điều khiển cho động cơ, có thể là một nguồn xung độc lập hoặc một hệ thống mạch điện tử được tích hợp và phát ra các xung điều khiển cần thiết Nhờ khối điều khiển logic, động cơ bước có thể được điều khiển theo từng bước hoặc theo nửa bước, tùy thuộc vào cấu hình và yêu cầu của hệ thống.
Power Driver là hệ thống cấp nguồn đã được điều chỉnh nhằm cung cấp điện cho động cơ Thiết bị này lấy điện từ nguồn cấp và nhận tín hiệu xung điều khiển từ khối điều khiển, sau đó điều chỉnh và phát ra dòng điện cần thiết để động cơ hoạt động liên tục và hiệu quả.
Cơ sở lý thuyết tính toán cụm ụ động
Được đặt trên sống trượt dẫn hướng của băng máy và có thể di chuyển dọc theo sống trượt bằng tay đến bất kỳ vị trí nào Nó hỗ trợ đỡ các chi tiết gia công có độ cứng thấp và đồng thời gá mũi khoan, khoét, doa, cùng các đồ gá tarô để phục vụ cho quá trình gia công.
Kích thước lòng ụ động phụ thuộc vào kích thước đường kính tối đa của gá đặt trên máy tiện; thông thường lòng ụ động nhỏ hơn hoặc bằng kích thước trục chính Ụ động có thể được dịch chuyển đến vị trí cần thiết bất kỳ trên băng máy Hãm hoặc nới lỏng ụ động nhờ tay hãm; kéo tay hãm về phía trước để nới lỏng, đẩy nó về phía sau để siết hãm Khi cần hãm chắc trong thời gian dài hơn, nên siết chặt đai ốc bằng cờ lê cỡ lớn.
Nòng ụ động có thể từ từ tiến về phía trục chính hoặc lùi lại Việc điều khiển chuyển động tiến, lùi của nòng ụ động được thực hiện bằng tay, khi quay tay quay vô lăng Bạn có thể khóa chặt hoặc nới lỏng nòng ụ động bằng tay để hãm hoặc thả hành trình, đồng thời điều chỉnh độ côn bù đắp cho ụ động.
Chi tiết được gia công được chống tâm ngoài Nếu chống tâm và chống tâm chết của máy bị lệch không thẳng hàng chi tiết gia công sẽ bị côn
Hình 2.15: Kết cấu bộ phận ụ động máy tiện
Cơ sở lý thuyết tính toán cụm trục chính
Máy tiện có chuyển động chính là quay tròn nên tính toán động lực học của cụm trục chính và tính toán độ ổn định máy thì thông số cơ bản và có ý nghĩa nhất là đặc tính của cụm trục chính công xôn Để tính toán tĩnh hệ thống đàn hồi của máy tiện mini đưa ra cụm trục chính về dạng một sơ đồ kết cấu dựa trên sơ đồ quy đổi.
Các giả thuyết của mô hình tính toán động lực học của cụm trục chính máy tiện
Bỏ qua ảnh hưởng đàn hồi của lỗ thân máy lắp ổ đỡ (coi thân máy là cứng
Chỉ nghiên cứu ảnh hưởng của lực cắt hướng kính đến biến dạng của cụm
Bỏ qua lực ma sát quay giữa ổ đỡ và trục, lực giảm chấn trong hộp trục chính.
Trong phân tích ổ đỡ, có thể bỏ qua độ giảm chấn do màng dầu bởi màng này rất mỏng Khi chịu áp lực thủy tĩnh, độ cứng của màng dầu rất cao, gấp hàng chục lần độ cứng của thép, nên ảnh hưởng đến giảm chấn của ổ đỡ là ít.
Bỏ qua biến dạng trục do ma sát nhiệt sinh ra trong ổ đỡ.
Khi nghiên cứu tính toán coi kết cấu của cụm trục chính gồm 1 cặp ổ
Kết cấu cụm trục chính - công xôn máy tiện CNC
Hình 2.16: Sơ đồ kết cấu cụn trục chính công xôn
Trục chính 1 hợp thành với ổ 2 và ổ 3 thành hệ trục ổ, mặt bích 4 là mâm cặp,công xôn 5 là chi tiết
Các kích thước cơ bản :
d,dB, dk đường kính trục 1 , mặt bích 4, đoạn công xôn 5
L là khoảng cách giữa hai ổ trước và sau
LB là chiều rộng mặt bích 4
L1 là chiều dài đoạn công xôn trục chính 5
lo là chiều dài công xôn trục chính 5
lk là chiều dài phần công xôn đến vị trí cắt
Độ cứng vững của hệ thống trục chính – công xôn là yếu tố nền tảng xác định tính động lực học và ổn định rung của cả hệ thống gồm trục chính, công xôn, đồ gá, dụng cụ và chi tiết gia công trong quá trình gia công; nâng cao độ cứng vững đồng nghĩa với tăng độ chính xác của máy và cải thiện khả năng chống rung của hệ thống; cụm trục chính – công xôn hoạt động như một hệ động lực học có đặc tính phụ thuộc vào tỷ số giữa đầu ra và đầu vào và khi thông số đầu vào không thay đổi theo thời gian, đặc tính này được xem là đặc tính tĩnh; đặc trưng tĩnh của hệ thống đàn hồi là độ cứng vững phụ thuộc vào thành phần lực cắt tác dụng lên bề mặt chi tiết gia công, khi đó trị số nghịch đảo của độ cứng vững chính là độ biến dạng hoặc độ mềm dẻo; biến dạng tĩnh của máy gia công kim loại là chỉ tiêu quan trọng, phụ thuộc vào độ chính xác của máy và quá trình gia công, và được đo bằng sự thay đổi vị trí giữa dụng cụ và chi tiết; biến dạng giới hạn ở vị trí cắt là giá trị đảm bảo cụm trục chính – công xôn làm việc ổn định, biên độ dao động nhỏ và sai số hình dáng, kích thước khi cắt nhờ vào đó; do đó cần giảm biến dạng tĩnh bằng cách nâng cao độ cứng vững của cụm trục chính – công xôn; độ cứng vững có mối quan hệ với năng suất gia công: chế độ cắt nên được chọn dựa vào độ cứng vững, và độ cứng vững càng cao thì độ bền của dụng cụ và tốc độ cắt càng lớn.
Mặc dù độ cứng vững là một yếu tố quan trọng trong thiết kế và tính toán, khi thực hiện các bài toán người ta thường chỉ quan tâm đến độ biến dạng của phần công xôn và bỏ qua biến dạng của cụm trục chính Việc bỏ qua biến dạng ở cụm trục chính có thể dẫn tới đánh giá không chính xác về khả năng chịu tải, độ ổn định và hiệu suất của hệ thống Do đó, cần xem xét đồng thời biến dạng của cả phần công xôn và cụm trục chính để đảm bảo độ tin cậy của thiết kế và tối ưu hoá hiệu quả vận hành.
Để tính độ biến dạng (độ mềm dẻo) của hệ thống đàn hồi, bài toán được giải bằng tính toán tĩnh với cụm trục chính công-xôn thay bằng một dầm tĩnh đặt trên hai gối tựa đàn hồi Việc thay thế ổ bằng gối tựa đàn hồi đòi hỏi đặt phản lực R vuông góc với dầm và một mômen (m) cho hai gối đỡ trước và sau, ký hiệu là RT, RS và mT, mS Ta quy ước giá trị dương (+) khi độ võng của dầm hướng xuống dưới và góc xoay theo chiều kim đồng hồ; theo quy ước này phản lực RT, RS nhận giá trị dương khi hướng lên trên và momen mT, mS nhận giá trị dương ngược kim đồng hồ.
Hình 2.17: Sơ đồ tính tĩnh độ biến dạng của cụm trục chính công xôn quy về vị trí cắt
Cụm trục chính máy được đặt lên hai cặp ổ đỡ, mỗi ổ đỡ đã tạo sẵn sức căng ban đầu gây ra các mô men cản trở tốc độ quay và làm tăng biến dạng của trục Để kể đến ảnh hưởng của sức căng ban đầu, khi tính toán vị trí dịch chuyển và góc quay của trục chính người ta đưa vào hai dạng biến dạng của mỗi gối đỡ là biến dạng thẳng và biến dạng góc Biến dạng dài ở ổ trước và ổ sau được ký hiệu AT và AS (mm/N) và được biểu diễn bằng hình lò xo, biến dạng góc ở ổ trước và ổ sau ký hiệu aT và aS (l/Nmm) được thể hiện bằng đường xoắn ốc (hình 2.17) Độ biến dạng thẳng được xác định là biến dạng tiếp xúc giữa viên bi và vòng bi, còn biến dạng góc của ổ được tính dựa trên số thí nghiệm Độ võng (l_yx) và góc xoay được nêu ở phần sau.
' l y x )của đầu trục chính – công xôn được tính theo công thức
Cả hai công thức này đều lấy thứ nguyên chiều dài là mm, lực là N
E – mô đun đàn hồi của vật liệu trục, N/mm 2
I- mô men quán tính trung bình của trục chính theo tiết diện ngang, mm
EI - độ cứng uốn theo tiết diện trục chính
R l lực đơn vị đặt vào vị trí cắt, N
RT và RS, mT,mS lực phản hồi và mô men của gối tựa, N , Nmm; l, ll ,lK- kích thước theo sơ đồ kết cấu, mm Điều kiện biên :
Tính toán biến dạng giữa dầm
Hình 2.18: Sơ đồ tính toán tĩnh biến dạng giữa của dầm
Giải bài toán tĩnh theo sơ đồ (Hình 2.18) khi tác dụng lực đơn vị là Rl = 1 vào giữa dầm nhằm xác định độ biến dạng của dầm đặt giữa hai gối đỡ, ký hiệu δ Việc xác định độ biến dạng δ cho biết đáp ứng tĩnh của cấu kiện dưới tác động của lực đơn vị và làm cơ sở phân tích phân bố biến dạng trên toàn chiều dài dầm.
Việc xác định Δgd là cần thiết để đánh giá độ biến dạng của ổ và để xây dựng công thức tính tần số, trong đó chuyển vị tại vị trí đặt lực phải được xác định Δgd được xem như một tham số quan trọng; trong công thức tần số, các giá trị chuyển vị này được gọi là hệ số ảnh hưởng Độ võng l_yx và góc xoay y_l'x của tiết diện trục chính tại tọa độ x, nằm giữa hai gối tựa, được xác định theo công thức liên quan nhằm mô tả mối liên hệ giữa vị trí x, độ võng và góc xoay, phục vụ cho đánh giá độ cứng và đáp ứng động của hệ thống.
Xác định biến dạng của ổ trục chính
Biến dạng hướng kính của ổ bao là sự kết hợp giữa biến dạng đàn hồi của con lăn và vòng lăn y2 trên bề mặt lắp ghép của vòng lăn trên trục chính và thân ổ; từ đó các yếu tố biến dạng này được mô tả bằng các đại lượng liên quan đến con lăn và vòng lăn y2 nhằm làm rõ mối liên hệ giữa các bộ phận và ảnh hưởng của chúng đến hiệu suất làm việc của ổ.
Với d, D đường kính trong và ngoài của ổ lăn (mm)
B là bề rộng của ổ (mm)
K2 = 0.005 - 0.025 (mm3/kG) Khi ổ bi có độ chính xác càng cao, lực căng càng lớn thì K2 càng nhỏ.
Hệ số b và K1 cho trong bảng sau
Tính biến dạng của bậc công xôn
Hình 2.19 trình bày sơ đồ công xôn và cách xác định độ biến dạng Δ tại vị trí cắt bằng hai thành phần: thành phần thứ nhất (Δ2 + Δ3) là công thức tĩnh phụ thuộc đặc tính kỹ thuật của trục chính, còn thành phần thứ hai (Δ1) chỉ phụ thuộc đặc tính kỹ thuật của phần công xôn Độ biến dạng của đầu công xôn có tiết diện không đổi dọc theo suốt chiều dài lK (nơi đặt lực) và được xác định theo công thức sức bền vật liệu.
EK.IK độ cứng uốn tại tiết diện công xôn
Cơ sở lý thuyết tính toán trục vít me đai ốc
Thiết bị dẫn động đóng vai trò then chốt trong máy CNC, là yếu tố chính đảm bảo sự vận hành và gia công chính xác Việc tính toán và lựa chọn các thiết bị dẫn động là một công việc bắt buộc và phức tạp, đòi hỏi thiết lập nhiều công thức và tiêu chí liên quan Trong quá trình thiết kế hệ dẫn động, cần thực hiện các bước tính chọn cụm vít me đai ốc bi, ổ lăn, động cơ và con trượt cho trục X, và tương tự cho trục Y với các thành phần tương ứng, nhằm đảm bảo mỗi trục có khả năng chịu tải, độ cứng và vận hành mượt mà phục vụ cho yêu cầu gia công.
Có nhiều hãng mà ta có thể dùng cho công việc tính toán và lựa chọn các sản phẩm phục vụ cho thiết kế Trong quá trình chọn thiết bị dẫn động, PMI và HIWIN là hai hãng lớn được sử dụng phổ biến nhất Các catalog của PMI và HIWIN đều cung cấp hướng dẫn chi tiết giúp người dùng chọn đúng sản phẩm, và chỉ cần thực hiện các bước được nêu trong catalog để tìm ra sản phẩm ưng ý nhất.
Dưới đây là hai bảng (sơ đồ) để tính chọn hệ thống dẫn động từ PMI và HIWIN.
Sơ đồ chọn của TBI Bảng tính chọn của HIWIN
Về cơ bản, PMI và HIWIN đều có chung một cách thức để lựa chọn sản phẩm từ hãng một cách hợp lý; PMI giúp ta có cái nhìn tổng quan qua từng bước, trong khi HIWIN thiên về tính toán chi tiết Chúng ta có thể kết hợp hai bảng dữ liệu để dễ dàng tính toán và chọn sản phẩm phù hợp với nhu cầu của mình.
Kết cấu bộ truyền vitme-đai ốc bi được thiết kế để dịch chuyển chính xác trên các biên dạng của các trục truyền dẫn Trong hệ thống này, không được phép có khe hở và cũng không được phép có hiệu ứng Sick-Slip (trượt lùi do lực cản ma sát) Bộ vitme-đai ốc bi là giải pháp kỹ thuật tối ưu nhằm đảm bảo yêu cầu về độ chính xác và ổn định chuyển động, đồng thời hạn chế khe hở và ngăn ngừa hiện tượng trượt lùi trên trục truyền dẫn.
Vitme-đai ốc bi có khả năng biến đổi truyền động từ quay sang chuyển động tịnh tiến một cách dễ dàng, đồng thời ít ma sát và không có khe hở khi truyền động với tốc độ cao, nên nó là ưu điểm nổi bật để lựa chọn vitme đai ốc bi cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác và hiệu suất cao Kết cấu chung của hệ vitme-đai ốc bi bao gồm trục vít me, đai ốc bi chứa các viên bi thép luân chuyển và tái tuần hoàn trong khoang dẫn, cùng với hệ thống dẫn hướng và truyền động đảm bảo chuyển động ổn định và chính xác; những thành phần phụ như khớp nối, đai dẫn động và cơ cấu khởi động, dẫn động đều được bố trí để tối ưu hóa tải trọng và độ bền của toàn bộ hệ thống.
Bộ truyền vít me – đai ốc là hệ truyền động quan trọng được dùng để điều khiển và truyền động chạy dao trong máy công cụ NC, CNC, và được lắp trên các máy công cụ chính như máy mài, máy doa tốc độ cao và nhiều loại máy khác Thêm vào đó, nó còn được ứng dụng thỉnh thoảng trên máy tiện và máy tổ hợp, trong truyền dẫn di động của xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng Bên cạnh đó, bộ truyền này còn đảm nhận vai trò truyền động chính cho các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường và máy chuốt.
- Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứng vững chiều trục cao
- Tổn thất do ma sát bé, hiệu suất bộ truyền đạt tới 0,9 so với vít me đai ốc trượt là 0,2 ÷ 0,4
Trong cơ cấu vitme và đai ốc, ma sát tĩnh rất nhỏ và ma sát động biến thiên theo tốc độ khiến chuyển động diễn ra rất êm và ổn định, cho độ chính xác cao vì lực ma sát gần như không phụ thuộc tải khi tốc độ thay đổi Các dạng profil ren của vitme và đai ốc rất đa dạng, ảnh hưởng đến khả năng mang tải, độ bền và độ trơn tru của chuyển động; các profil ren phổ biến gồm tam giác, vuông và các dạng đa giác, được chọn để tối ưu cho từng ứng dụng.
Các dạng hình học của cấu kiện được mô tả gồm dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung tròn và dạng rãnh (dạng cung nhọn) Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hình thang có khả năng tải thấp và chỉ nên được sử dụng khi máy có khả năng chịu tải trọng chiều trục nhỏ và độ cứng vững không cao.
Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất, với bán kính rãnh r2 gần bằng bán kính viên bi R1, giúp giảm tối đa ứng suất tiếp xúc; Nên chọn r2/r1 khoảng 0,95–0,97, vì giá trị này ảnh hưởng rõ rệt tới tổn thất do ma sát; Khi góc tiếp xúc nhỏ, bộ truyền có độ cứng vững và khả năng tải kém, lực hướng kính lớn; tăng góc tiếp xúc làm tăng khả năng đảo và độ cứng vững truyền động, đồng thời giảm tổn thất do ma sát, do đó khe hở đường kính Δd phải được chọn sao cho góc tiếp xúc đạt 45°, và Δd được tính bằng Δd = 4.(r2 − r1).(1 − cos α).
Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, bao gồm cho phép truyền động không rơ và có thể điều chỉnh được độ dôi của đường kính viên bi Ngược lại, ở dạng nửa tròn để khử độ rơ và tạo độ dôi đều thì phải dùng thêm đai ốc thứ hai để điều chỉnh.
Tính toán lựa chọn cụm trục vít me bi trục X Đặc điểm của bộ truyền
Truyền động vít me-đai ốc bi là cơ cấu có các viên bi nằm trong rãnh xoắn của vít và đai ốc, giúp biến đổi chuyển động quay thành dịch chuyển tuyến tính với ma sát được giảm thiểu Vì vận tốc của các viên bi không trùng với vận tốc của vít và đai ốc, cần thiết phải đảm bảo sự tuần hoàn liên tục của các viên bi bằng cách hai đầu đoạn ren làm việc được kết nối với rãnh hồi bi (Hình 2.20a) hoặc với các ống dẫn bi (Hình 2.20b).
Hình 2.20: Trục vít me đai ốc bi
- Cấu tạo đơn giản, chịu lực lớn, thực hiện được dịch chuyển chậm.
- Thực hiện được các dịch chuyển cần độ chính xác cao
- Điều khiển một cách dễ dàng.
- Hiệu suất thấp do ma sát trên ren
Vật liệu: Ngoài yêu cầu về độ bền, vật liệu làm vít cần có độ bền mòn cao và dễ gia công
Vật liệu đai ốc: Gang xám.
Xác định sơ bộ đường kính trong d1 của ren theo độ bền kéo
Theo điều kiện bền ta có : d1 = (5)
Trong đó : Fa là lực dọc trục d1 là đường kính trong của vít me (mm)
Với ch là giới hạn chảy của vật liệu làm vít Trục vít me ở đây được làm từ thép 45, có [ ch ]là 360 (MPa) => [ K ] = 120 (MPa)
Chọn các thông số khác của bộ truyền
Đường kính bi: db= (0.08÷0.15) d1 (mm)
Bán kính rãnh lăn : r1 =( 0,51÷0,53) db (mm)
Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi
C = (r 1 - ).cos (mm) Trong đó : là góc tiếp xúc (45 o )
Đường kính vòng tròn qua các tâm bi
Đường kính trong của ren đai ốc
Chiều cao làm việc của ren h1 h1= (0.3÷0.35) db(mm)
Đường kính ngoài của vít d và của đai ốc D d= d1+ 2.h1 (mm)
Số bi trong các vòng ren làm việc:
Zb= - 1 viên Với số vòng ren làm việc là K Chọn được giá trị Zb
Góc ma sát lăn thay thế :
Hệ số ma sát lăn ft= 0,005
Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến
Từ các kết quả trên ta chọn series: loại trục vút me và đường kính trục vít me
∙ Tính kiểm nghiệm về độ bền
Tải trọng riêng dọc trục tính theo công thức:
Với λ = 0,8 – Hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi.
Từ = 0,01 và qa= 4,16 từ đồ thị ta xác định được σmax = 3000 MPa
Hình 2.21 Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất σ max
Nếu giá trị max < [max] Mpa => 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
Cơ sở lý thuyết tính toán gá dao
Trong hình 2.22, sơ đồ cấu trúc mô tả mối liên hệ quy ước giữa hệ thống đàn hồi máy – gá – dao – chi tiết và các quá trình làm việc với các phần tử, mạch vòng liên kết, tín hiệu vào ra và các điểm nút được thể hiện rõ nét Các chỉ số ký hiệu i đặc trưng động lực học Wi của các phần tử như sau: ĐH – hệ đàn hồi; F – quá trình ma sát; P – quá trình cắt; M – quá trình trong động cơ Hình 2.22 nêu lên cấu trúc điển hình của hệ thống đàn hồi máy – gá – dao – chi tiết và quá trình làm việc có tác động bên ngoài Tổng đại số hai vectơ được thực hiện tại điểm nút cộng (vòng tròn nhỏ có hai gạch chéo; tín hiệu đến phần tử qua ô chéo đen được trừ với tín hiệu đến phần tử qua ô chéo trắng) Các tín hiệu ra khỏi phần tử đàn hồi là các vectơ y1, y2, y3… (biểu thị biến dạng hay dịch chuyển tương ứng), được gọi là các tọa độ suy rộng, đồng thời gắn với các đạo hàm của chúng.
Hình 2.22 Cấu trúc quá trình làm việc hệ thống gá dao
Lực cắt Py với biến dạng của hệ thống đàn hồi theo phương y
Trong mô hình động học của phần tử đàn hồi, ngoại lực Pn tác dụng lên hệ và gây ra biến đổi tương ứng với tín hiệu đầu vào Chiều sâu cắt g được xem là một tín hiệu vào xuất hiện đồng thời với các vectơ tín hiệu đầu vào, do đó các thành phần lực có thể được cộng đại số theo nguyên lý tuyến tính Nhờ tính tuyến tính của hệ, sự kết hợp các tín hiệu vào cho phép xác định tổng hợp đáp ứng của phần tử dưới nhiều tác động ngoại lực khác nhau.
Pn và chiều sâu cắt g đều hướng ngược với lực Py và trục y, vì vậy tại điểm nút phải trừ các vectơ cho nhau Biến dạng của hệ thống đàn hồi—máy – gá – dao – chi tiết theo hướng y làm giảm chiều sâu cắt thực tế.
Cơ sở lý thuyết tính toán thân máy
Công thức tính tải trọng làm việc được cho trong bảng sau: Điều kiện làm việc
Sơ đồ lực Công thức chính
Hệ bàn máy nằm ngang chuyển động đều hoặc không tải
Hệ bàn máy nằm ngay nhô ra ngoài chuyển động đều hoặc không tải Điều kiện làm việc
Sơ đồ lực Công thức chính
Hệ bàn máy ngang có chứa bàn xe dao và ụ động
Cơ sở lý thuyết tính toán băng máy
Hình 2.23 Sơ đồ tính toán băng máy ( ray dẫn hướng)
2.8.1 Hệ số tải tĩnh Co
Tải trọng tĩnh định mức C0 được đặt theo giới hạn tải trọng tĩnh cho phép
Biến dạng tập trung tại khe giữa kênh dẫn và bi lăn gia tăng khi ray dẫn hướng chịu tải trọng thừa hoặc va đập diện rộng; nếu biên độ biến dạng vượt quá giới hạn cho phép, sự di trượt của ray dẫn hướng sẽ bị cản trở.
Mômen tĩnh cho phép M0 được đặt theo giới hạn của mômen tĩnh
Khi 1 mômen tác dụng vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu áp lực lớn nhất giữa các áp lực phân bố trên toàn bộ bi lăn của hệ thống.
2.8.3 Hệ số an toàn tĩnh fs
Hình 2.24 Hệ lực tác dụng lên băng máy
C 0 tải trọng tĩnh định mức(N)
P : tải trọng làm việc tính toán(N)
M0 : momen tĩnh cho phép(Nm)
M : momen đã tính toán(Nm)
Các giá trị tham khảo của fs cho các máy công nghiệp thông thường và máy công cụ cho trong bảng bên dưới:
2.8.4 Hệ số tải trọng động định mức C
Ngay cả khi các ray dẫn hướng được sản xuất theo cùng một quy trình và chịu tác dụng dưới điều kiện như nhau, tuổi bền dịch vụ của chúng cũng có sự khác biệt Vì vậy, tuổi bền dịch vụ được dùng như một chỉ tiêu để xác định tuổi bền của hệ thống ray dẫn hướng Tải trọng định mức động C được dùng để tính toán tuổi bền dịch vụ khi hệ thống ray dẫn hướng chịu tải Tải trọng định mức động C được xác định như một tải trọng có hướng và độ lớn khi nhóm các ray dẫn hướng làm việc với cùng điều kiện; tuổi bền trung bình của ray dẫn hướng là 50 km (nếu bộ phận lăn là bi).
2.8.5 Tính toán tuổi bền danh nghĩa
Tuổi bền danh nghĩa của ray dẫn hướng chịu ảnh hưởng của tải trọng làm việc thực tế Do đó, tuổi bền danh nghĩa có thể được tính toán dựa trên tải trọng động định mức và tải trọng làm việc thực tế để phản ánh đúng điều kiện vận hành.
Tuổi thọ mỏi của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố môi trường như độ cứng vững của đường ray, nhiệt độ môi trường và điều kiện chuyển động Vì vậy, những thông số này được đưa vào tính toán tuổi thọ mỏi danh nghĩa để đánh giá độ bền của hệ thống ray trong điều kiện thực tế Việc tích hợp các yếu tố môi trường và điều kiện vận hành vào mô hình tính toán giúp dự báo tuổi thọ danh nghĩa một cách chính xác hơn, hỗ trợ thiết kế, bảo trì và vận hành an toàn của hệ thống đường ray.
Công thức tính ứng với:
C : hệ số tải trọng động (N)
Đối với tải trọng làm việc (P) của hệ thống ray, để đảm bảo khả năng tải tối ưu, độ cứng vững của đường ray phải duy trì ở mức HRC58–64 Nếu độ cứng dưới phạm vi này, tải cho phép và tuổi bền danh nghĩa sẽ giảm, khiến hiệu suất vận hành không ổn định và chi phí bảo trì tăng Vì vậy, việc kiểm tra định kỳ, duy trì và điều chỉnh độ cứng đường ray ở phạm vi HRC58–64 là yếu tố then chốt để tối ưu tải trọng làm việc, gia tăng tuổi thọ và tin cậy của hệ thống.
Vì lý do này, tải trọng động định mức và tải trọng tĩnh định mức sẽ được nhân với hệ số ổn định trong quá trình tính toán, nhằm tăng độ chính xác và an toàn cho thiết kế Bảng dưới đây cho thấy đồ thị độ cứng, đảm bảo HRC lớn hơn 58, do đó f_H = 1.
Với hệ số nhiệt f_T, khi nhiệt độ điều khiển vượt quá 100°C, tuổi bền danh nghĩa sẽ giảm, nên tải trọng động và tĩnh định mức phải được nhân với hệ số nhiệt độ trong tính toán Nhiều phần của ray được làm từ nhựa và cao su, vì vậy duy trì nhiệt độ dưới 100°C là tối ưu Đối với các yêu cầu đặc biệt, liên hệ với nhà sản xuất.
Hệ số tải trọng fW cho biết tải trọng thực tế có thể lớn hơn tải trọng làm việc đã được xem xét trong tính toán do rung động và va đập phát sinh trong quá trình vận hành Rung động xảy ra khi điều khiển ở tốc độ cao, còn va đập xảy ra khi máy khởi động lại và dừng máy, khiến tải trọng tác động lên hệ thống tăng lên so với dự tính ban đầu Vì vậy cần tính toán và thiết kế với yếu tố rung động và va đập để đảm bảo độ an toàn, tin cậy và hiệu quả của hệ thống.
Do đó, xét đến tốc độ chuyển động và rung động, tải trọng động định mức phải được chia cho hệ số tải trọng theo bảng bên cạnh
2.8.6 Tính toán tuổi bền theo thời gian
Khi tuổi bền danh nghĩa đã được xét đến , tuổi bề dịch vụ được tính toán theo những thông số có được khi chiều dài hành trình và vòng quay là không đổi.
ls : chiều dài hành trình
Ray dẫn hướng được điều khiển nhờ chuyển động của những viên bi lăn giữa ray và phần di trượt Lực cản ma sát được tính toán dựa trên tải trọng làm việc và lực cản chốt Nói chung, hệ số ma sát sẽ khác nhau giữa các sê ri khác nhau Hệ số ma sát của sêri MSA và MSB trong khoảng 0.002 tới 0.003
: hệ số ma sát động
P : tải trọng làm việc f : sức chịu vòng đệm
2.8.8 Tính toán tải trọng tương đương
Hệ thống ray dẫn hướng có khả năng chịu tải và mô men theo cả bốn hướng của tải trọng hướng tâm, tải trọng đảo chiều hướng tâm và tải trọng mặt bên đồng thời Khi có nhiều tải tác dụng lên hệ thống ray cùng lúc, các tải trọng còn lại sẽ được hướng về tâm hoặc về mặt bên tương ứng, phục vụ cho việc tính toán tuổi bền dịch vụ và hệ số an toàn tĩnh Công thức tính toán liên quan được trình bày ở dưới đây để chuẩn hóa đánh giá khả năng chịu tải và độ ổn định của hệ thống.
PE :Tải trong tương đương
PR :Tải trọng hướng tâm tác dụng lên mặt trên
PT :Tải trọng hướng tâm tác dụng lên mặt bên
Công thức tính tải trọng trung bình:
Pn : tải trọng biến thiên
Ln : khoảng dịch chuyển dưới tác dụng của Pn
L : tổng chiều dài dịch chuyển
Cơ sở lý thuyết tính toán độ tin cậy , độ ổn định , tuổi thọ của máy
Khái niệm chung về sự ổn định là điều kiện quan trọng và cần thiết để xác định đặc tính động lực học của hệ thống và các phần tử trong hệ thống, hay nói cách khác là khả năng làm việc của hệ thống ở trạng thái động; để phân biệt độ ổn định của phần tử với độ ổn định của hệ thống, người ta dùng khái niệm độ ổn định riêng của từng phần tử, và dù bản chất phần tử cũng là một hệ thống liên kết nội tại, nguyên tắc đánh giá vẫn dựa trên việc tuyến tính hoá phương trình dao động của phần tử hoặc của cả hệ thống, mặc dù trong một số trường hợp đặc biệt có thể không cần tuyến tính hoá Độ ổn định được xác định theo hướng tăng hay giảm của đáp ứng quá độ theo thời gian, tức là theo sự tăng lên hay suy giảm của nghiệm tổng quát của phương trình vi phân trong quá trình động lực học Trong phân tích máy công cụ, người ta chú ý đến độ ổn định khi các bộ phận di động chạy không tải và khi máy làm việc có tải, so sánh biên độ của hai trường hợp ở trạng thái giới hạn để xác định chỉ tiêu ổn định rung của máy công cụ; độ ổn định của các bộ phận khi chạy không tải không quyết định trực tiếp tuổi thọ của máy, vì mất ổn định thường là do hiện tượng chuyển động giật cục của bàn dao, bàn máy, ụ máy và xà ngang trên các đường hướng trượt, còn trong các cụm máy có chuyển động quay thì mất ổn định thường liên quan đến sự cố ở các ổ trượt, ly hợp ma sát hoặc phanh.
Nguyên nhân chính gây mất ổn định chuyển động là ma sát dẫn tới hiện tượng tự dao động, hay còn gọi là tự dao động ma sát Các cụm máy di động khi xuất hiện hiện tượng này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác gia công, làm giảm độ bền của dụng cụ và tuổi thọ của máy Việc kiểm soát ma sát và triệt tiêu tự dao động là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất gia công, cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí bảo trì.
Qua các công trình nghiên cứu trên thế giới đã kết luận về các thông số ảnh hưởng đến tuổi thọ độ ổn định máy gồm :
Tải trọng làm việc của máy
Tăng thời gian tiếp xúc động (nghĩa là thời gian tạo hình chuyển vị sơ bộ)
Việc dùng chất bôi trơn và lựa chọn vật liệu cho các bộ truyền động giúp giảm hệ số ma sát tiếp xúc, từ đó giảm mài mòn và tăng hiệu quả truyền động Đồng thời, tăng độ cứng vững của truyền dẫn làm giảm biên độ dao động và nâng cao sự ổn định của hệ thống Khi xác định các trị số độ cứng vững của truyền dẫn, sẽ tồn tại hai giới hạn ổn định theo tốc độ; trong khoảng giữa hai giới hạn này, hệ thống có thể xuất hiện tự dao động khi tốc độ trượt nằm từ giới hạn dưới đến giới hạn trên.
Biện pháp nâng cao tốc độ êm khi di động các bộ phận máy
Nâng cao độ ổn định riêng của quá trình ma sát, (nghĩa là khắc phục hiện tượng kẹt cứng của bề mặt ma sát)
Để giảm cung trễ của lực ma sát do chuyển vị sơ bộ hoặc di động nhỏ, cần tối ưu hóa sự tương tác giữa các bề mặt ma sát và kiểm soát chuyển vị Nâng cao độ ổn định của hệ thống bằng các biện pháp kết cấu và hình thành liên kết động nhằm tạo ra đặc trưng động lực học của ma sát tiếp xúc Độ ổn định của cụm trục chính được đánh giá qua biên độ dao động ở đầu mút công-xôn trục chính khi quay không tải và biên độ này không được vượt quá giới hạn quy định theo bảng 2.5.
Phương pháp tính tuổi thọ theo độ cứng vững cụm ổ trục chính
Theo quy luật mòn chung, độ cứng của chi tiết chịu mòn được cho là thay đổi theo thời gian hoặc theo quãng đường ma sát Trong điều kiện mòn bình thường, quá trình này chia thành ba giai đoạn: giai đoạn chạy rà, ở đó tốc độ giảm độ cứng vững giảm dần; giai đoạn ổn định, khi tốc độ giảm độ cứng vững duy trì ở mức cố định theo thời gian; và giai đoạn độ cứng vững suy giảm nhanh, khi tốc độ giảm độ cứng vững tăng lên đột ngột Hiểu được ba giai đoạn này giúp dự báo tuổi thọ của chi tiết và điều chỉnh phương án bảo dưỡng cho phù hợp.
Trên cơ sở quan hệ giữa mòn, tuổi thọ và độ tin cậy, ta có thể xác lập được một mối liên hệ giữa độ cứng vững J và tuổi thọ cùng với độ tin cậy như thể hiện trên Hình 2.25 Quan hệ này cho phép dự báo tuổi thọ và mức độ tin cậy của hệ thống dựa trên giá trị độ cứng vững J, từ đó hỗ trợ thiết kế và bảo trì hiệu quả Việc phân tích mòn và tuổi thọ đi kèm với độ tin cậy giúp xác định ngưỡng đảm bảo cho các thành phần chịu tải, tối ưu chuỗi vòng đời và nâng cao hiệu suất vận hành Hình 2.25 trình bày rõ nét đường cong liên hệ giữa J, tuổi thọ và độ tin cậy, thuận tiện cho người thiết kế và kỹ thuật viên khi đánh giá rủi ro và lên kế hoạch bảo trì.
Hình 2.25 mô tả sự phụ thuộc theo thời gian của độ cứng vững của cụm trục chính, ký hiệu J Độ cứng vững J thay đổi theo thời gian t và tuân theo quy luật tuyến tính, tức là J(t) tăng hoặc giảm với một hệ số tỷ lệ cố định Sự biến đổi này được thể hiện bằng một phương trình tuyến tính, cho phép ước lượng và dự báo giá trị J ở bất kỳ thời điểm t nào Việc này có ý nghĩa quan trọng trong đánh giá độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống, đồng thời cung cấp cơ sở cho phân tích ổn định của cụm trục chính dưới các điều kiện làm việc khác nhau.
Jm- Độ cứng vững trung bình cụm ổ trục chính theo thời gian,
Jo – Độ cứng vững ban đầu của cụm ổ trục chính,
m – Tốc độ suy giảm trung bình của độ cứng vững
Tốc độ giảm trung bình độ cứng vững theo thời gian có thể tính theo phương trình tương tự tốc độ mòn
m = kj.Pm.Vm→ m = k.Pm.nm trong đó:
Pm – Tải trọng trung bình,
Vm – Vận tốc trung bình
nm – Tốc độ quay trung bình,
kj và k là các hệ số có thể xác định từ các kết quả thực nghiệm
Tuổi thọ trung bình Tm của cụm ổ trục chính khi có độ cứng vững còn lại [J] cho phép sẽ được xác định theo công thức:
Kết luận chương 2
Căn cứ vào đặc điểm cấu tạo, nguyên lý điều khiển của máy tiện CNC và các yêu cầu đặt ra cho loại máy này, thiết kế máy tiện CNC nhằm tối ưu hóa độ chính xác, khả năng lặp lại và hiệu quả sản xuất Các đặc điểm cấu tạo nổi bật gồm khung máy có độ cứng cao, hệ thống trục chính và dẫn động được tối ưu để giảm rung và chịu tải trọng gia công ở nhiều cấp tốc độ, cùng với một hệ thống điều khiển số cho lập trình và thực thi chu trình gia công một cách tự động Nguyên lý điều khiển của máy dựa trên lập trình NC/CNC, cho phép điều chỉnh tự động các thông số gia công như tốc độ cắt, tiến dao và chế độ làm việc, từ đó tối ưu chu trình gia công và chất lượng bề mặt Yêu cầu đối với máy tiện CNC bao gồm độ chính xác và độ lặp lại cao, độ tin cậy vận hành trong môi trường sản xuất liên tục, khả năng gia công trên nhiều loại vật liệu và tích hợp các hệ thống giám sát, đo lường và bảo trì dự phòng để giảm thiểu thời gian chết Máy tiện CNC được thiết kế có những đặc điểm chính như sau:
Phần cố định bao gồm đế máy và phần gá cơ cấu dẫn động của trục X.
Đài dao được thiết kế đặt cố định trên bàn máy và có thể di chuyển trên mặt phẳng ngang theo hai trục X và Y Quá trình di chuyển được thực hiện nhờ hệ thống dẫn động gồm động cơ bước gắn với trục vít me, giúp điều khiển chính xác và ổn định trong quá trình gia công.
Phôi được gắn với trục chính thông qua mâm cặp 3 chấu
Chuyển động chính của máy gia công gồm hai thành phần cốt lõi: chuyển động cắt và chuyển động chạy dao Chuyển động cắt là quá trình phôi quay quanh trục X để tạo đường cắt và hình thành chi tiết trên bề mặt gia công Đồng thời, chuyển động chạy dao mô tả sự di chuyển của dao theo hai phương X và Y trên bàn máy, giúp định hình và gia công chi tiết theo yêu cầu Sự phối hợp giữa chuyển động quay của phôi và chuyển động chạy dao quyết định độ chính xác, chất lượng bề mặt và hiệu suất gia công, đồng thời tối ưu hóa quá trình gia công CNC.
Điều khiển các trục của Máy cũng giống nguyên lý điều khiển các trục
của máy tiện CNC thông thường
Kết cấu cơ khí chính của máy :
Phần cố định của máy bao gồm các thành phần chính sau: Bệ máy, ụ trước, trục dẫn hướng theo phương Z (thanh trượt) và gối đỡ thanh trượt; cơ cấu truyền động theo phương Z gồm động cơ bước và trục vít me, đảm bảo di chuyển ổn định và chính xác theo trục Z.
Phần di chuyển dọc theo trục Z bao gồm: ụ sau; cơ cấu di chuyển theo trục
X và dẫn hướng theo trục X (bàn truợt dọc); đai ốc cố định trên bàn truợt ngang.
Phần di chuyển dọc theo trục X được cấu thành bởi đài dao, bàn trượt ngang và cơ cấu truyền động theo trục X gồm động cơ bước và trục vít me theo phương X; đai ốc cố định trên bàn trượt ngang đảm bảo liên kết chắc chắn và ổn định cho quá trình dịch chuyển.
Kết cấu dẫn hướng của bàn máy :
Sử dụng cấu trúc dẫn hướng dạng thanh trượt, trục vít me được nối với động cơ và cố định với ụ trước cùng giá đỡ thanh trượt; đai ốc gắn vào bàn trượt và di chuyển dọc trên hai thanh trượt Khi động cơ quay trục vít me, đai ốc kéo bàn trượt dọc và bàn trượt tịnh tiến chính xác trên hai thanh trượt.
Hệ dẫn động được thiết kế với kết cấu dẫn hướng bằng ray dẫn hướng và bàn trượt Trục vít me được liên kết với động cơ cố định trên khung, truyền động quay cho trục vít me Đai ốc được gắn chặt vào bàn trượt dọc; khi động cơ quay, đai ốc kéo bàn trượt ngang tịnh tiến trên bàn trượt dọc, cho phép di chuyển chính xác và ổn định của hệ thống theo trục X-Y.