Thiết kế, chế tạo máy phay cnc mini 3 trục phục vụ giảng dạy thực hành cnc

- Thiết kế hệ thống điều khiển, board mạch đệm nối từ máy tính xuống hệ thống Driver điều khiển các động cơ các trục công tác X,Y, Z; điều khiển các trục chính… - Thiết kế thi công hệ t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ,CHẾ TẠO MÁY PHAY CNC MINI 3 TRỤC

PHỤC VỤ GIẢNG DẠY THỰC HÀNH CNC

Ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Giảng viên hướng dẫn : Th.S Vũ Thế Mạnh

TP Hồ Chí Minh,ngày 02 tháng 08 năm 2022

MỤC LỤC

Phiếu đăng ký tên đề tài ĐATN

Phiếu giao nhiệm vụ 1/3

Phiếu giao nhiệm vụ 2/3

Phiếu giao nhiệm vụ 3/3

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG x

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 2

1.1 Lý do chọn đề tài 2

1.2 Mục tiêu đề tài 3

1.3 Nhiệm vụ của đề tài 3

1.4 Đối tượng nghiên cứu 3

1.5 Giới hạn đề tài 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 5

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu CNC ngoài nước và trong nước 5

2.2 Kết cấu cơ khí máy CNC 7

2.3 Hệ thống điều khiển máy CNC 12

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 17

3.1 Lựa chọn phương án thiết kế máy 17

3.2 Nguyên lý máy phay CNC 3 trục 18

3.3 Các phương án động học máy 19

3.3.1 Phương án phôi cố định 19

3.3.2 Phương án phôi di chuyển 19

3.3.3 Phương án bàn máy mang phôi di chuyển trục X,Y 20

3.3.4 Lựa chọn phương án động học 20

3.4 Sơ đồ động học máy 20

3.5 Nguyên lý hoạt động máy thiết kế 22

3.6 Thiết kế hệ thống cơ khí cho máy 22

3.6.1 Xác định chế độ làm việc giới hạn 22

3.6.2 Xác định các lực khi gia công 25

3.6.2 Xác định công suất của động cơ điện 25

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ 27

4.1 Cụm trục Z 27

4.1.1 Vít - đai ốc bi 27

4.1.2 Ray trượt vuông 30

4.1.3 Tính khớp nối 32

4.1.4 Tính ổ lăn 33

4.2 Cụm trục X 35

4.2.1 Vít - đai ốc bi 35

4.2.2 Ray trượt vuông 37

4.2.3 Tính khớp nối 39

4.2.4 Tính ổ lăn 40

4.3 Cụm trục Y 42

4.3.1 Vít – đai ốc bi 42

4.3.2 Ray trượt vuông 44

4.3.3 Tính khớp nối 47

4.3.4 Tính ổ lăn 47

4.4 Khung máy, bàn máy 50

4.4.1 Khung máy 50

4.4.2 Bàn máy 50

4.5 Điều khiển 51

4.5.1 Sơ đồ giải thuật điều khiển 51

4.5.2 Động cơ Step 52

4.5.3 Driver điều khiển động cơ 54

4.5.4 Bộ điều khiển DDCSV 56

4.5.5 Biến tần 58

4.5.6 Sơ đồ hệ khối hệ thống điện - điều khiển 59

CHƯƠNG 5: THI CÔNG SẢN PHẨM 60

5.1 Kết quả chế tạo kết cấu cơ khí 60

5.1.1 Kết cấu khung máy 60

5.1.2 Cơ cấu chuyển động cơ khí 61

5.2 Kết quả thi công phần điều khiển 62

5.2.1 Động cơ bước 62

5.2.2 Driver điều khiển động cơ 62

5.2.3 Động cơ trục chính 62

5.2.4 Biến tần điều khiển động cơ trục chính 63

5.2.5 Bộ điều khiển DDCS 63

5.2.6 Cảm biến limit 63

CHƯƠNG 6: ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 64

6.1 Kết quả ứng dụng 64

6.2 Đánh giá kết quả 66

6.3 Hướng phát triển của đề tài 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Máy CNC 2

Hình 2.1: Cấu tạo của trục spindle 9

Hình 2.2: So sánh giữa trục Spindle 1,5 Kw và trục Router 9

Hình 2.3: Băng dẫn hướng loại ray trượt vuông 10

Hình 2.4: Vít me đai ốc bi 10

Hình 2.5: Vít me đai ốc thường 10

Hình 2.6: Cấu thành hệ thống điều khiển của CNC 13

Hình 2.7: Kiến trúc điều khiển của một máy công cụ CNC về phần cứng và phần mềm 14 Hình 2.8: Điều khiển chu trình hở 15

Hình 2.9: Điều khiển chu trình nửa kín 15

Hình 2.10: Điều khiển chu trình kín 16

Hình 2.11: Điều khiển chu trình hỗn hợp 16

Hình 3.1: Máy CNC khung nhôm định hình 17

Hình 3.2: Máy CNC dạng khung thép đúc 17

Hình 3.3: Máy CNC kiểu C frame 18

Hình 3.4: Tọa độ máy CNC 19

Hình 3.5: Sơ đồ phương án sử dụng vít me- đai ốc 20

Hình 3.6: Sơ đồ phương án bộ truyền đai 21

Hình 4.1: Sơ đồ giải thuật 51

Hình 4.2: Driver DM556 54

Hình 4.3: Bộ biến đổi nguồn DC S400-24 55

Hình 4.4: Sơ đồ đấu dây Driver DM556 và động cơ STEP 56

Hình 4 5 Bộ điều khiển DDCSV 56

Hình 4.6: Sơ đồ cổng kết nối DDCS 58

Hình 4.7: Biến tần YASKAWA VS MINI J7 59

Hình 4.8: Sơ đồ khối hệ thống điện – điều khiển 59

Hình 5.2: Khung máy Y 60

Hình 5.3: Khung máy X 60

Hình 5.4: Khung máy Z 61

Hình 5.5: Khung máy được lắp hoàn chỉnh 61

Hình 5.6: Trục Vitme – đai ốc bi trục X,Y,Z 61

Hình 5.7: Động cơ bước trục X,Y,Z 62

Hình 5.8: Driver DM 556 điều khiển động cơ bước X,Y,Z 62

Hình 5.9: Động cơ trục chính 62

Hình 5.10: Biến tần động cơ trục chính 63

Hình 5.11: Bộ điều khiển DDCS 63

Hình 5.12: Cảm biến limit X,Y,Z 63

Hình 6.1: Thiết kế và lập trình trên phần mềm MasterCAM 64

Hình 6.2: Mô phỏng gia công trên phần mềm 65

Hình 6.3: Kết quả mô phỏng gia công trên vật liệu Mica 65

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 4.1: Bảng chọn cấp chính xác vít - đai ốc bi 27

Bảng 4.2: Thông số kích thước của vít me trục Z 29

Bảng 4.3: Bảng thông số hình học của ray trượt trục Z 32

Bảng 4.4: Thông số kích thước vít – đai ốc bi trục X 37

Bảng 4.5: Thông số ray trượt trục X 39

Bảng 4.6: Thông số kích thước vít – đai ốc bi trục Y 44

Bảng 4.7: Thông số ray trượt trục Y 46

LỜI MỞ ĐẦU

Trong các năm qua nhiều đề tài thiết kế, chế tạo máy CNC mini phục vụ gia công

cơ khí đã được thực hiện tại nhiều trường đào tạo kỹ thuật với mong muốn chế tạo các máy CNC đạt độ chính xác cao có thể ứng dụng vào sản xuất và phục vụ giảng dạy Bên cạnh

đó, việc đào tạo sinh viên có nắm vững kiến thức về thiết kế CAD, lập trình gia công CAM làm nền tảng vận hành điều khiển được các máy CNC công nghiệp cũng được đưa vào chương trình đào tạo chính khóa với thời lượng lý thuyết vừa thực hành Chương trình đào tạo trường luôn quan tâm đến chất lượng đào tạo sinh viên vừa vững về lý thuyết giỏi về thực hành Ngoài ra, nhằm giúp sinh viên có thời gian thực hành trực tiếp nhiều hơn với máy mà chi phí đầu tư máy dạng công nghiệp khá cao, thời gian thực hành trong trường còn hạn chế mà số lượng sinh viên quá đông Vì thế chúng em vận dụng kiến thức đã học

đã được đào tạo trong 4 năm tại Đại học Công Nghệ TP.HCM Chúng em đã quyết định

chọn đề tài tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo máy phay CNC 3 trục mini phục vụ giảng dạy

thực hành CNC”

Trong đề tài đồ án tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà chúng em hướng tới là chế tạo được mô hình máy CNC hoạt động ổn định và hoạt động với sai số nhỏ, sau đó chúng em hướng tới khắc phục dao động, sai số và sau đó có thể tiếp tục nâng cao thêm tính tự động của máy như khả năng thay dao tự động, hệ thống cấp phôi tự động Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của chúng em còn những thiếu sót Chúng em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài

Chúng em xin chân thành cảm ơn quý Thầy và Cô trong Viện Kỹ thuật Hutech trường Đại học Công nghệ TPHCM đã hướng dẫn, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất để chúng em hoàn thành đồ án tốt nghiệp này

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Lý do chọn đề tài

Kể từ năm 1940 sự ra đời của máy CNC đã thay đổi khái niệm về gia công cơ khí,

nó đã đặt ra nền tảng cho gia công cơ khí chính xác và năng suất gia công Đến nay, máy CNC cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính, công nghệ gia công chế tạo,… đã cho

ra đời nhiều loại máy CNC hiện đại với nhiều chức năng khác nhau, phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau, đã và đang được sử dụng rộng khắp trên thế giới Hiện nay một số quốc gia công nghiệp hiện đại đã làm chủ được công nghệ chế tạo máy CNC như Mỹ, Đức, Nhật, Hàn Quốc, Đài Loan, Trung Quốc… sản xuất và xuất khẩu máy CNC có độ chính xác cao, linh hoạt cho toàn thế giới Ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu về sử dụng máy CNC

để gia công đang rất lớn, từ cơ sở sản xuất đơn chiếc nhỏ lẻ, đến công ty lớn đều sử dụng máy CNC phục vụ cho quá trình sản xuất, gia công cơ khí chính xác

Hình 1.1: Máy CNC (Nguồn Internet) Máy CNC đã và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất ở nước

ta Đặc biệt, trong ngành cơ khí lĩnh vực tự động hoá và cơ khí chính xác, việc nghiên cứu ứng dụng các máy CNC tạo điều kiện cho quá trình tự động hoá, linh hoạt hoá các dây chuyền sản xuất là rất quan trọng đang được các doanh nghiệp và các trường đạo tạo kỹ thuật quan tâm Đây là lĩnh vực mới và khó, cần có những bước đi thích hợp từ đơn giản đến phức tạp để tiếp cận vấn đề Theo hướng đó, trong các năm qua nhiều đề tài nghiên cứu và chế tạo máy CNC phục vụ gia công cơ khí đã được thực hiện tại trường Đại học

Công nghệ TP.Hồ Chí Minh với mong muốn chế tạo các máy CNC đạt độ chính xác cao

có thể ứng dụng vào giảng dạy Về lĩnh vực nghiên cứu chế tạo máy CNC, đây là một đề tài hấp dẫn và đang được chú trọng đối với các trường Đại học, Cao đẳng trong cả nước

Do đó, để cập nhật được kiến thức, đồng thời giúp cho các sinh viên có cái nhìn hoàn thiện hơn về máy CNC,đề tài tập trung nghiên cứu và chế tạo một máy phay Mini CNC hoàn chỉnh, phục vụ cho công tác giảng dạy, học tập của trường, của viện

Vấn đề đào tạo nguồn nhân lực không thể có được chất lượng sinh viên sau khi ra trường tốt nếu hàng trăm học viên mà chỉ có từ 1 đến 2 chiếc máy để thực hành Giá thành cao, đồ thay thế đắt, người hướng dẫn không được đào tạo bài bản và tâm lý sợ “làm hỏng” các thiết bị đắt tiền đã làm cho việc đưa máy CNC vào đào tạo gặp rất nhiều khó khăn Do vậy nếu chúng ta chủ động chế tạo được máy CNC trong trường thì sẽ là điểm tựa để việc đào tạo chất lượng cao được thuận lợi hơn, giảm chi phí khi thuê khoán chuyên môn cho các cơ sở đào tạo bên ngoài

Từ những yếu tố trên trên, việc thiết kế, chế tạo máy CNC là cần thiết để phục vụ cho công tác đào tạo, giảng dạy tại trường Công nghệ Tp HCM Do vậy, tác giả chọn đề

tài: “Thiết kế và chế tạo máy phay CNC 3 trục phục vụ giảng dạy thực hành CNC”

1.2 Mục tiêu đề tài

Đề tài có các mục đích sau:

- Chế tạo mô hình máy CNC 3 trục gia công vật liệu mềm bằng mica, gỗ, nhôm v.v

- Độ chính xác yêu cầu khi gia công có sai số từ 0.05 đến 0.1mm

- Gia công được các chi tiết kích thước dài x rộng x cao trong khoảng từ 200x150x50

1.3 Nhiệm vụ của đề tài

- Thiết kế cơ khí kết cấu máy phay CNC mini 3 trục phục vụ giảng dạy thực hành CNC

- Thi công phần cơ khí, chế tạo và lắp ráp hoàn thiện mô hình máy CNC

- Thiết kế hệ thống điều khiển, board mạch đệm nối từ máy tính xuống hệ thống Driver điều khiển các động cơ các trục công tác X,Y, Z; điều khiển các trục chính…

- Thiết kế thi công hệ thống điện, cảm biến hành trình an toàn khi vận hành, hệ thống làm mát trục chính, hệ thống đèn báo trạng thái hoạt động v.v

1.4 Đối tượng nghiên cứu

- Phương pháp tính toán, thiết kế trên cơ sở các yêu cầu đặt ra

- Sử dụng phần mềm hỗ trợ xây dựng mô hình tính toán và thực hiện mô phỏng kiểm tra kết quả tính toán quá trình trao đổi nhiệt

- Phương pháp tham khảo và tra cứu tài liệu qua thư viện, Internet…

1.5 Giới hạn đề tài

- Máy có 3 trục, chiều dài hành trình các trục X, Y, Z lần lượt là: 300mm, 250mm, 200mm

- Động cơ được sử dụng là động bước

- Máy gia công được những vật liệu như gỗ, nhựa, nhôm

- Máy được sử dụng bộ điều khiển rời độc lập (DDCS V3.1)

- Chi phí tài chính dự tính ban đầu là khoảng 20,000,000 VNĐ

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu CNC ngoài nước và trong nước

Trong bối cảnh phát triển ngành công nghiệp nước ta hiện nay hầu hết các công nghệ chúng ta đang sử dụng đều phải nhập khẩu Trong quá trình sử dụng, sẽ có rất nhiều

hệ thống cần phải thay thế, sửa chữa, nâng cấp và chúng vẫn phải nhập khẩu vì trong nước không có những thiết bị, dây chuyền để chế tạo ra các hệ thống đó Máy CNC chế tạo trong nước với chi phí thấp sẽ là chìa khoá để đảm bảo chúng ta có thể nhanh chóng chế tạo được các hệ thống thay thế phù hợp vừa phục vụ cho công nghiệp vừa đáp ứng nhu cầu các doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ

Nghiên cứu trên thế giới:

Dựa theo kết quả của các cuộc nghiên cứu đưa ra, thì có 5 công ty hàng đầu đang nắm giữ phần lớn thị trường trong việc sản xuất, nghiên cứu và chế tạo máy CNC là Fanuc Corporation, Haas Automation, Heidenhain, Siemen AG, và cuối cùng là Mitsubishi Electric (chiếm tới hơn tổng 60% thị phần toàn thế giới năm 2015) Và để duy trì sự cạnh tranh trên thị trường quốc tế các hãng không ngừng nghiên cứu và phát triển sản phẩm của mình Sự phát triển tập trung chủ yếu vào việc tạo các sản phẩm mới có khả năng tích hợp làm việc chung với máy CNC, nâng cấp giao diện sử dụng của máy để người dùng có thể dùng sản phẩm với trải nghiệm tốt nhất

Nhờ vào hệ thống giao diện ngày càng được cải tiến sao cho thân thiện với người dùng hơn nên đã thúc đẩy sự phát triển của các ngành công nghiệp chế tạo, không chỉ giúp kiểm soát tốt hơn dung sai chi tiết và chất lượng bề mặt sau khi hoàn thành mà còn cho phép thêm một số các đặc trưng khác trong quá trình chế tạo không giống với ý tưởng thiết

kế ban đầu của kĩ sư hay khách hàng Cùng với sự cải tiến liên tục nay máy tiện CNC có thể tiện được chi tiết có kích thước lớn khoảng 457,2 mm, ngoài ra trong một số trường hợp yêu cầu đặc biệt máy còn có thể làm việc với cả các chi tiết lớn hơn thế Ngoài việc tập trung phát triển CNC 3 trục truyền thống, người ta còn phát triển thêm hệ thống CNC

5 trục với khả năng làm việc cùng các chi tiết phức tạp với thời gian làm việc ngắn hơn và chất lượng sản phẩm tốt hơn nhờ vào tốc độ cắt cao, đường chạy dao tốt, chất lượng bề mặt sản phẩm cao Trong tất cả các nghiên cứu cải tiến trên, một yếu tố khác cũng vô cùng quan trọng trong quá trình phát triển của máy CNC hiện nay, đó là hệ thống siêu CPU điều khiển Dựa vào loại CPU mới này đã giúp cho quá trình điều khiển diễn ra với tốc độ cao hơn, từ đó nâng cao chất lượng sản phẩm đầu ra Tốc độ xử lý nhanh của CNC đảm bảo

cho khả năng làm việc với thời gian làm việc ngắn trong đó hệ thống PLC hỗ trợ cho quá trình xử lý Với tốc độ truyền tín hiệu nhanh giữa CNC và ổ đĩa cho phép máy hoạt động với sự chuẩn xác cao Ngoài ra bộ CPU mới còn được đơn giản bớt một số bộ phận so với CPU cũ nhưng vẫn giữ được khả năng làm việc tốt giúp thiết kế và chế tạo không bị phức tạp

Nghiên cứu trong nước:

Tại Việt Nam, trong thời gian vài năm trở lại đây, cùng sự đầu tư đúng mức và quan tâm từ nhà nước và các doanh nghiệp cho công cuộc nghiên cứu Công cụ điều khiển số CNC, mà hàng loạt các máy CNC “Made in Viet Nam” đã được ra đời Cụ thể là chiếc máy CNC được chế tạo và là chủng loại máy đầu tiên tại Việt Nam sản xuất thành công do Công ty TNHH Cơ điện tử Bách Khoa (BKMech) Máy có tốc độ phay của trục chính lên đến 24000 vòng/phút, tốc độ dịch chuyển khoảng 30 m/phút, giúp giảm thời gian gia công, trung bình tiết kiệm khoảng từ 20-40% so với gia công phay thông thường do tốc độ cắt cao hơn Giá dự kiến của sản phẩm vào khoảng 50000 USD – 80000 USD tùy theo yêu cầu đặt hàng của khách, giá thành chỉ bằng 50% so với máy CNC nhập khẩu từ Đài Loan Không dừng lại ở đó với đề tài nghiên cứu thiết kế chế tạo máy phay CNC 5 trục của TS Hoàng Vĩnh Sinh thuộc Viện cơ khí của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Việt Nam đã

có thể chế tạo được máy CNC 5 trục thậm chí còn được công ty Rorze Robotech của Nhật đặt chế tạo với mức giá 140000 USD Khi đó, tại Đài Loan chỉ có hơn 10% trong số 100 công ty sản xuất máy đủ năng lực làm được chủng máy này

Theo sự giải thích của TS Hoàng Vĩnh Sinh, có 2 xu hướng tồn tại song song trong việc sản xuất các máy CNC tại Việt Nam Thứ nhất là xu hướng mua các “xác máy” cũ Các máy này có thể là máy CNC hoặc máy vạn năng thông thường và được loại bỏ các thành phần không liên quan như các động cơ, tay quay,… Sau đó, thay thế các thiết bị truyền động thích hợp, lắp ráp các thiết bị điều khiển, đặt tham số điều khiển phù hợp cho quá trình hoạt động của máy Xu hướng này sử dụng được kết cấu máy có sẵn nên giảm chi phí chế tạo kết cấu máy và đã được thực hiện nhiều ở các viện nghiên cứu như IMI… Nhưng khó có thể biết được các kết cấu được xây dựng liệu đã phù hợp với hoạt động của máy CNC, có thể kiểm soát độ chính xác của máy hay không… Thứ hai là xu hướng chế tạo các thành phần của kết cấu máy và lắp ráp tại Việt Nam Các bộ phận điều khiển sẽ được nhập, lắp ráp theo yêu cầu của người sử dụng Đây là xu hướng bắt buộc đối với các nhà sản xuất CNC nếu muốn đưa máy CNC nhãn hiệu Việt Nam phổ biến rộng rãi trong

nước Vì chỉ có thể chế tạo mới có thể kiểm soát được các sai số của máy và cách khắc phục Hơn nữa việc chế tạo những kết cấu máy sẽ thúc đẩy công nghiệp đúc, gia công cơ khí chính xác phát triển Với sự đầu tư có định hướng thì chất lượng của máy CNC sản xuất tại Việt Nam hoàn toàn có thể tin tưởng được

Hiện nay nước ta vẫn phải nhập các bộ phận điều khiển cho máy CNC bao gồm các module để lắp ráp vào bộ thân máy sản xuất trong nước Giá thành của toàn bộ các module điều khiển chiếm khoảng 40% giá thành của máy Cấu trúc của các bộ phận điều khiển là dạng đóng, người dùng không thể tương tác với cấu trúc bên trong nên gặp khó khăn trong quá trình sửa chữa, bảo trì máy CNC như: thiếu thiết bị thay thế khi hỏng hóc, đội ngũ kỹ thuật không đáp ứng được việc sửa chữa do không có đầy đủ thông tin về cấu trúc bên trong của bộ điều khiển,… Nước ta chưa có được đội ngũ kĩ thuật đủ khả năng đáp ứng cho việc sản xuất một máy phay CNC hoàn toàn nội địa, thiết bị kỹ thuật trong nước còn hạn chế và phụ thuộc lớn vào các nhà cung cấp nước ngoài Do vậy, việc đào tạo nguồn nhân lực về CNC là sự tập trung cần thiết hiện nay

Máy CNC sản xuất tại Việt Nam do trung tâm BKMech đứng ra sản xuất, hiện nay

có 4 dòng máy CNC phay 3 trục chính là VMC65/VMC86/VMC110 và máy HSM50 (dòng máy phay tốc độ cao)

Ưu điểm của máy: Qui trình lắp ráp chuẩn hóa tuân thủ theo tiêu chuẩn quốc tế, yêu cầu của các nhà sản xuất phụ kiện, đảm bảo máy làm việc với tần suất cao, nâng cao tuổi thọ, độ ổn định, độ chính xác khi gia công Máy được hiệu chỉnh và bù sai số sau khi hoàn thành nhờ các thiết bị đo laser và thiết bị đo bar, giúp máy đạt độ chính xác cao

Đối với các máy CNC tại Việt Nam bình thường có sai số vị trí 0,01mm nhưng các máy này có thể đạt được sai số vị trí là 0,005mm Máy sử dụng các thiết bị tiêu chuẩn Nhược điểm: Các chi tiết được làm với số lượng nhỏ, giá thành cao Giá thành máy còn lớn Khó khăn nhất trong phần chế tạo máy CNC Việt Nam không phải là phần điện tử mà

là phần cơ khí, phần kết cầu và truyền dẫn cơ khí Vậy hạn chế lớn trong việc nghiên cứu

và sản xuất máy CNC chủ yếu ở phần chuẩn hóa kết cấu cơ khí để có thể tạo ra chuyển động chính xác với dung sai gia công thấp, cùng với việc chế tạo các linh kiện phù hợp giảm giá thành máy

2.2 Kết cấu cơ khí máy CNC

Một máy CNC thông dụng thường có các bộ phận chính như: thân máy, chân máy, bàn máy, cụm trục chính, các bộ phận truyền động, spindle và dụng cụ cắt

Thân máy và chân máy:

Thân máy và chân máy là bộ phận được chế tạo bằng vật liệu có độ bền cao, thông thường người ta chọn gang để chế tạo thân máy và chân máy vì có độ bền cao gấp 10 lần thép và đều được kiểm tra kĩ sau khi đúc nhằm đảm bảo không có khuyết tật đúc trên máy

Thân máy chứa hệ thống động cơ điều khiển chuyển động của các cụm trục chính,

hệ thống trục khắc và nhiều hệ thống khác nữa

Yêu cầu của thân máy bao gồm:

-Phải có độ cứng vững cao

-Phải có các thiết bị chống rung động

-Phải có độ ổn định nhiệt trong quá trình làm việc

-Thân máy phải có độ chính xác khi gia công thuận tiện cho việc lắp ráp theo quy chuẩn môđun hóa

Bàn máy:

Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công Bàn máy có 2 loại chính là bàn máy đứng yên và bàn máy di động Với bàn máy động, nhờ có sự di chuyển động linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp Nhưng đối với bàn máy CNC 3D dùng

để khắc gỗ thì bàn máy thường đứng yên mà chỉ có trục mang hay còn gọi là giá đỡ trục Z

di chuyển theo phương trục Y của máy và trục Z di chuyển theo phương X Yêu cầu của bàn máy là phải có độ ổn định, cứng vững

Các loại trục chính thông dụng là trục phay, trục chính spindle, trục chính router: -Trục phay thường được dùng cho việc gia công nặng với độ chuẩn xác cao vì thế nên thường được dùng để gia công kim loại cứng với tốc độ vừa phải

-Trục router là dụng cụ gia công bằng điện dùng để cắt và tạo hình các vật liệu như

là gỗ, plastic, MDF hay một số kim loại khác Trục router thông thường có 2 loại là loại cầm tay và loại cắt tốc độ cao dùng trong máy CNC Gia công bằng trục router là phương

pháp gia công thuận lợi và dễ dàng mua được vì chúng được sử dụng rộng rãi, do chỉ cần cắm điện vào là có thể sử dụng được ngay trục router Tốc độ của trục router có thể dễ dàng điều khiển thông qua một bộ phận kiểm soát tốc độ router truyền thống nhưng trong

đa số trường hợp trục sẽ mất đi momen xoắn khi tốc độ giảm

-Trục spindle và trục router khá giống nhau nhưng trục spindle là loại trục đắt hơn trục router, và thường phải điều khiển tốc dộ bằng bộ biến tần VFD (Variable Frequency Drive) Trục spindle có cấu tạo bao gồm phần thân nơi chứa motor, vòng chặn và trục xoay, ngoài ra trục spindle còn có cổ, vòng kẹp, đai ốc kẹp, dụng cụ cắt [2]

Hình 2.1: Cấu tạo của trục spindle

(Nguồn Internet) Trục spindle có thể duy trì momen xoắn tối đa ngay cả khi đang hoạt động với số vòng quay RPM thấp, đây là một điểm lợi thế so với trục router truyền thống Ngoài ra trong cấu trúc của trục còn có cả vòng chắn giúp trục tránh rung lắc trong quá trình làm việc với tốc độ cao tránh gây ra sai số dụng cụ Trục spindle cắt êm hơn, mượt hơn và chính xác hơn rất nhiều so với router Một trong những lí do khiến spindle làm việc êm hơn router

là do hệ thống làm nguội của nó, trục spindle thì được làm nguội bằng nước còn trục router thì được làm nguội bằng gió nên khi làm nguội quạt gió quay gây ra tiếng ồn [2]

Hình 2.2: So sánh giữa trục Spindle 1,5 Kw và trục Router

(Nguồn Internet)

Hình 2.3: Băng dẫn hướng loại ray trượt vuông

(Nguồn Internet) Trục vít me, đai ốc: Trong máy công cụ điều khiển số, người ta thường sử dụng hai dạng vít me cơ bản là: vít me đai ốc thường, vít me đai ốc bi Vít me đai ốc thường: là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặt còn vít me đai ốc bi là loại vít me và đai ốc bi có dạng tiếp xúc lăn

Hình 2.4: Vít me đai ốc bi (Nguồn Internet)

Hình 2.5: Vít me đai ốc thường

(Nguồn Internet)

Dụng cụ cắt:

Do máy CNC là máy phay gỗ, hoạt động gia công trên máy sẽ diễn ra với tốc độ cao nên ta chọn phương án chuyển động của dao cắt là phương án gia công tốc độ cao (High Speed Machining-HSM)

Cho đến nay trên thế giới vân chưa có một định nghĩa thống nhất cho thuật ngữ gia công tốc độ cao Theo lý thuyết của Salomons đưa ra vào năm 1931 thì “Gia công tốc độ cao là gia công với vận tốc cắt nhanh hơn vận tốc cắt khi gia công truyền thống từ 5 đến

10 lần” Về sau này có thêm một số định nghĩa khác về gia công tốc độ cao HSM như gia công với tốc độ trục chính cao (High spindle speed machining), gia công với bước tiến lớn (High Feed Machining), gia công năng suất cao (High productive machining) Tuy nhiên, các cách hiểu này chỉ mang tính tương đối vì một tốc độ của trục chính được xem là nhanh đối với loại vật liệu này có thể bị xem là chậm với một loại vật liệu khác

Ngày nay khi nói về khái niệm HSM người ta định nghĩa rằng “Gia công tốc độ cao

là phương pháp gia công sử dụng tốc độ trục chính cao với lượng dịch dao ngang nhỏ và chiều sâu cắt nhỏ”

Ưu điểm và ứng dụng của gia công tốc độ cao so với gia công truyền thống là: -Tốc độ cắt gọt lớn

-Lực cắt thấp

-Chất lượng bề mặt gia công tốt

-Gia công được vật liệu có độ cứng cao

-Gia công được chi tiết thành rất mỏng

Nhờ những ưu điểm này mà HSM được ứng dụng ngày càng phổ biến trong hầu hết các lĩnh vực có liên quan đến gia công cơ khí

Máy cắt HSM phải đáp ứng được các yêu cầu cơ bản sau:

Trục chính có công suất lớn và số vòng quay cao: >20000 vòng/phút

Tốc độ xử lí dữ liệu nhanh: 50-2000 blocks/s

Tốc độ truyền tải dữ liệu nhanh: >50 MB

Có khả năng nội suy đường NURBS

Độ cứng vững, độ đồng tâm và khả năng ổn định nhiệt của trục chính cao

Có tùy chọn làm mát xuyên qua trục chính

Có khả năng đọc trước câu lệnh trong chương trình gia công

Do chọn phương án chuyển động gia công là phương án chuyển động tốc độ cao, thì theo thống kê của hãng dụng cụ cắt SanVik thì có đến 80%-90%, người ta chọn dao phay ngón hay dao phay cầu có đường kính từ 1mm đến 20mm để làm việc này Hai loại dụng cụ cắt này cũng ở dạng nguyên khối hoặc ghép mảnh nhưng đặc tính hình học và vật liệu làm ra chúng có sự khác biệt để phù hợp với công nghệ phay HSM

Về hình học, dụng cụ cắt HSM thường được thiết kế để gia công với chiều sâu cắt nhỏ Hình dạng và số lượng lưỡi cắt có thể được lựa chọn tùy theo điều kiện gia công (cắt vật liệu nào, thô hay tinh, phay thẳng hay phay rãnh,…) Nhưng quan trọng là kích thước các lưỡi cắt phải chính xác để bảo đảm tính cân bằng, hạn chế rung động trong quá trình cắt Một số loại còn được thiết kế lỗ thông để thổi khí hoặc dung dịch làm nguội

Về vật liệu, hai tính chất cơ bản của vật liệu dùng làm dụng cụ cắt là độ bền và độ cứng ở nhiệt độ cao Thép gió không thỏa mãn được hai yêu cầu này nên hầu như không được sử dụng trong gia công HSM, thay vào đó là những loại vật liệu siêu cứng như CBN (Cubic boron nitride), PCD (polycrystalline diamond) Đặc điểm của những loại vật liệu này là độ cứng càng cao thì càng giòn, chính vì vậy, công nghệ phủ bề mặt được sử dụng rất rộng rãi trong chế tạo dụng cụ cắt cho HSM Sự kết hợp giữa vật liệu nền và lớp phủ đã cho ra đời rất nhiều loại dụng cụ cắt với những đặc tính riêng đáp ứng tối đa yêu cầu cắt gọt Các hợp chất thường được dùng làm lớp phủ là TiC (chống mài mòn), TiN (chống dính lưỡi cắt), TiAlN (chịu nhiệt cao , cách nhiệt tốt)… Hai phương pháp phù hợp được sử dụng là lắng đọng vật chất bay hơi (Physiscal Vapor Deposition-PVD) với chiều dày lớp phủ 2-5 m và lắng đọng hóa học (Chemical Vapor Deposition-CVD) với chiều dày lớp phủ 5-10 m

2.3 Hệ thống điều khiển máy CNC

Trong máy CNC, bộ điều khiển của máy có nhiệm vụ nhận các mã lệnh chỉ dẫn của người dùng lập trình dưới dạng G-code, sau đó thông dịch và chuyển thành các xung điều hướng dẫn các động cơ chuyển động trong quá trình gia công Hệ thống CNC bao gồm 3

Hình 2.6: Cấu thành hệ thống điều khiển của CNC

(Nguồn Internet) Dựa vào hình trên, ta nhận thấy hệ điều khiển của CNC hay hệ NC bao gồm bộ phận giao tiếp giữa người và máy (MMI-Man-Machine-Interface), phần lõi điều khiển số (NCK- Numerical Control Kernel) và bộ điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Control)

MMI chịu trách nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành máy, thi hành các lệnh của máy, hiển thị thông tin trạng thái của máy và thực hiện các chức năng soạn thảo chương trình gia công

NCK là lõi của hệ thống CNC, nó thông dịch chương trình gia công và tiến hành nội suy điều khiển vị trí và bù trừ sai số dựa trên chương trình đã được thông dịch Cuối cùng NCK điều khiển các động cơ chuyển động để gia công chi tiết

Bộ điều khiển PLC điều khiển tốc độ trục chính, thay chi tiết gia công và nhập hoặc xuất các tín hiệu xử lý Nó đóng vai trò điều khiển các hoạt động của máy (ngoại trừ điều khiển động cơ servo)

Hình 2.7: Kiến trúc điều khiển của một máy công cụ CNC về phần cứng và phần mềm

(Nguồn Internet) Với diễn tả như trên hình, ta thấy máy CNC có phần cứng bao gồm hệ điều khiển CNC, hệ thống các động cơ dẫn động và bản thân máy công cụ Và phần mềm CNC bao gồm MMI có chức năng hỗ trợ soạn thảo chương trình, giao diện người sử dụng và hiển thị các thông tin trạng thái, NCK có chức năng thi hành công việc thông dịch chương trình, nội suy và điều khiển, PLC có chức năng thực hiện các chương trình logic tuần tự

Trong hệ thống CNC, mô-đun xử lý các chức năng của MMI, NCK và PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm, hệ thống RAM và ROM để lưu các ứng dụng của người dùng (cho MMI), chương trình gia công (cho NCK) và các chương trình PLC (cho PLC)

Nếu phân loại phương pháp hệ thống điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người

ta chia hệ thống điều khiển thành 4 loại: [4]

Điều khiển chu trình hở: dữ liệu chương trình gia công được nhập đưa vào bộ điều khiển máy (MCU – Machine control unit), thông tin sẽ được giải mã và lưu trữ Từng lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ servo Lượng dịch chuyển của động

cơ hay bàn máy phụ thuộc vào số xung điện động cơ nhận được Hệ thống điều khiển này khá đơn giản vì không có mạch hồi tiếp, không có cách nào để kiểm tra xem động cơ servo

có dịch chuyển đúng theo lệnh đã được yêu cầu hay không Độ chính xác chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác của động cơ bước, vít me và hệ thống truyền động

Hình 2.8: Điều khiển chu trình hở

(Nguồn Internet) Điều khiển theo chu trình nửa kín: Với loại điều khiển này, thiết bị kiểm tra được lắp vào trục của động cơ servo để kiểm tra góc quay nhằm xác định độ di chuyển của bàn máy ứng với góc quay và bước của vít me Nên độ chính xác của bàn máy phụ thuộc nhiều vào độ chính xác của trục vít me

Hình 2.9: Điều khiển chu trình nửa kín

(Nguồn Internet) Điều khiển theo chu trình kín: Trong hệ thống này, thiết bị giám sát vị trí được lắp trên bàn máy và vị trí thực của bàn máy sẽ được hồi tiếp về hệ điều khiển Chu trình kín và chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sát được lắp ở bàn máy hay trục của động cơ và độ chính xác của thiết bị nhận biết vị trí của hệ thống điều khiển chu trình kín rất cao

Hình 2.10: Điều khiển chu trình kín

(Nguồn Internet) Điều khiển hỗn hợp: là sự kết hợp giữa chu trình kín và chu trình nửa kín Trong vòng nửa kín dùng để giám sát chuyển động của động cơ, vòng kín sử dụng thước quang

để giám sát vị trí của bàn máy Sự kết hợp giữa vòng lặp kín và vòng lặp nửa kín đảm bảo chính xác điều khiển trong mọi trường hợp

Hình 2.11: Điều khiển chu trình hỗn hợp

(Nguồn Internet) Các dạng điều khiển của máy công cụ CNC dựa vào khả năng gia công các bề mặt khác nhau như lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình,… Do đó các dạng điều khiển của máy được chia ra thành:

Điều khiển điểm: dùng để gia công các lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT

3.1 Lựa chọn phương án thiết kế máy

Sau khi khảo sát thực tế, nhóm tác giả đã tìm hiểu và đưa ra 3 phương án :

● Phương án 1: Máy phay CNC mini dạng khung nhôm định hình

Hình 3.1: Máy CNC khung nhôm định hình

(Nguồn Internet)

Ưu điểm:

-Nhỏ gọn

-Giá thành chế tạo rẻ

-Linh hoạt trong quá trình sử dụng, sửa chữa, dễ tháo lắp

-Chống han gỉ theo thời gian, chống oxi hóa

Nhươc điểm:

-Sức chịu tải nhẹ và không chịu được áp lực lớn

-Máy có độ rung khi vận hành

-Nguyên liệu gia công bị hạn chế

-Máy chủ yếu thường dùng trong in 3D, khắc gỗ

Hình 3.2: Máy CNC dạng khung thép đúc

(Nguồn Internet)

Ưu điểm :

- Khung máy chắc chắn, cứng vững

- Chuyên dùng để phay kim loại như: thép, đồng, nhôm,

- Tốc độ di chuyển bàn máy rất lớn, phù hợp với chiến lược gia công cao tốc chuyên dụng của phần mềm Cad/ Cam hiện đại

Nhược điểm:

- Giá thành chế tạo máy cao

- Khung máy nặng nên khó khăn trong việc di chuyển

Hình 3.3: Máy CNC kiểu C frame

(Nguồn Internet)

Ưu điểm:

- Khung máy cứng cáp, chắc chắn

- Độ chính xác gia công cao

- Dễ bảo trì, bảo dưỡng

3.2 Nguyên lý máy phay CNC 3 trục

Hoạt động chủ yếu của máy CNC là mang cụm trục chính di chuyển dựa theo loại điều khiển để gia công phôi thành chi tiết phù hợp Việc tạo ra chuyển động đó cần phải

có sự di chuyển đơn lẻ hoặc kết hợp của các trục truyền động, chủ yếu ở đây là các cụm trục X, Y, Z và loại chuyển động của các trục là chuyển động tịnh tiến Vậy việc biến đổi chuyển động của nguồn dẫn động là động cơ quay sang chuyển động của các cụm trục là

chuyển động tịnh tiến cần có cơ cấu truyền động phù hợp Có rất nhiều cơ cấu truyền động

để biến đổi chuyển động này như cơ cấu tay quay con trượt, cơ cấu cam,…và trong đó phù hợp nhất là cơ cấu truyền động vít và đai ốc

Hình 3.4: Tọa độ máy CNC (Nguồn Internet)

bệ đỡ thì khớp trượt không bị rơ, đảm bảo trượt ổn định và không sai số

- Trục X trượt trên trục Y có gắn các hệ số các thanh trượt, cơ cấu truyền động,

động cơ tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y

- Trên trục Z có bắt các cơ cấu bắt động cơ chạy di chuyển bút vẽ Trục Z trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z

3.3.2 Phương án phôi di chuyển

- Phần cố định bao gồm khung máy ( hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ và cơ cấu truyền

động của trục X và trục Y gắn cố định và khung máy

- Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung, trục Z trượt trên trục

X, nên trên trục X có gắn các thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của trục Z

3.3.3 Phương án bàn máy mang phôi di chuyển trục X,Y

- Động cơ trục chính di chuyển lên xuống theo trục Z còn bàn máy mang phôi di chuyển theo trục X,Y

3.3.4 Lựa chọn phương án động học

Từ phân tích các phương án chuyển động trên cùng với mục đích sử dụng mô hình, nhóm chọn phương án bàn máy di chuyển theo 2 phương X, Y nhờ có bàn máy dọc chuyển động theo phương Y truyền động nhờ vít – đai ốc bi và bàn máy ngang chuyển động theo phương X truyền động nhờ vít- đai ốc bi Động cơ phay của trục chính chuyển động theo phương Z nhờ truyền động vít – đai ốc bi

➢ Ưu, nhược điểm dùng bộ truyền vít me - đai ốc:

✓ Ưu điểm của bộ truyền vít me — đai ốc:

-Bộ truyền vít đai ốc có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo, giá thành không cao có kích thước nhỏ gọn, tiện sử dụng

-Bộ truyền có khả năng tải cao, làm việc tin cậy Không gây tiếng ồn

-Có tỷ số truyền rất lớn tạo ra được lực dọc trục lớn, trong khi chỉ cần đặt lực nhỏ vào tay quay

-Có thể thực hiện được di chuyền chậm, chính xác cao

✓Nhược điểm của bộ truyền vít me - đai ốc:

-Hiệu suất của bộ truyền rất thấp

-Ren bị mòn nhanh, nên tuổi bền không cao, nhất là khi phải làm việc với tốc độ lớn

❖Phương án sử dụng bộ truyền đai:

Hình 3.6: Sơ đồ phương án bộ truyền đai

Việc truyền lực có tính đàn hồi

Chạy êm ít ổn, chịu sốc

tmax =

Qua đó không có tỷ lệ truyền chính xác

Nhiệt độ ứng dụng bị giới hạn

Thêm tải trọng lên ổ trục do lực căng cần thiết của dây đai

Từ việc phân tích các ưu — nhược điểm chúng em lựa chọn phương án nguyên lý thiết

kế sử dụng bộ truyền vít me — đai ốc

3.5 Nguyên lý hoạt động máy thiết kế

Máy CNC 3 trục có cấu tạo gồm 1 bàn gá sản phẩm, 1 trục chính (spindle) quay ở tốc độ cao gắn các loại dao cụ để thực hiện gia công và các trục X,Y,Z, Khi cấp điện cho các động cơ gắn vào các trục và thông qua bộ truyền vít me trục Y sẽ di chuyển kéo theo trục X và Z di chuyển theo Động cơ gắn vào trục X khi được khởi động sẽ dẫn động kéo cho Z di chuyển đến một vị trí xác định Khi động cơ gắn trên trục Z được khởi động sẽ kéo theo sự dịch chuyển lên xuống của động cơ trục chính( spindle) gắn dao cụ gia công khiến tạo ra chiều sâu cắt nhất định

- Chuyển động của các trục X, Y, Z, được điều khiển bởi động cơ bước được cung cấp bởi dòng điện xoay chiều hoặc dòng điện 1 chiều

- Tốc độ dịch chuyển của máy được thực hiện bởi đưa ra các lệnh

- Tất cả hoạt động của máy được thực hiện bằng các mã CNC code như dịch chuyển các trục về 1 vị trí xác định, vận tốc cắt, chiều sâu cắt, đóng mở trục chính

- Đối với mỗi mã đều được hoạt động riêng biệt

- Hệ thống cảnh báo có sẵn để bảo vệ các hoạt động và các thành phần khác nhau

3.6 Thiết kế hệ thống cơ khí cho máy

=> Chọn t min= 0.2

Smax = (1

3:1

7)tmax = (1

3:1

7)0.73 = (0.24 : 0.1) => Chọn Smax = 0.15

Smin = (1

5: 1

10)Smax = (1

Do đó chế độ cắt này thường dùng để tham khảo Chế độ cắt thích hợp hơn là chế độ cắt tính toán dựa vào quy trình công nghệ hợp lý gia công với năng suất cao dựa theo công thức nguyên lý cắt

C v , m , x, y , u , p , q : Hệ số các số mũ

T : chu kỳ bền của dao

KV : Hệ số điều chỉnh, xác định theo công thức sau :

KV = KMV KNV KUV

Với: KMV là hệ số phụ thuộc vào chất lượng của vật gia công ( Bảng 5.1 và 5.4 - [5] )

KNV là hệ số phụ thuộc vào trạng thái của phôi

KUV là hệ số phụ thuộc vào vào vật liệu cắt ( Bảng 5.6 - [5] )

Chiều dài phần làm việc của dao L = 8 mm

Số răng của dao Z = 4 răng

Dựa vào các thông số đã chọn

3.6.2 Xác định các lực khi gia công

-Lực chạy dao ngang : Ph = 0,25 Pz = 0,25.873 = 218 (N )

-Lực chạy dao thẳng đứng : Pv = 0,95.Pz = 0,95.873 = 829 (N)

-Lực chạy dao hướng kính : Py = 0,35.Pz = 0,35.873 = 305 (N)

-Lực chạy dao hướng trục : P x = 0,52.P z = 0,52.873 = 453 (N)

3.6.2 Xác định công suất của động cơ điện

Trong chế tạo máy việc tính công suất của động cơ điện là việc không thể thiếu Nó tạo

cơ sở cho việc tính toán động lực học của các chi tiết và các bộ phận máy.Việc xác định công suất của động cơ điện phải đạt mức chính xác nhất định Nếu công suất của động cơ thừa so với yêu cầu thì máy vẫn làm việc nhưng kết cấu cồng kềnh, nặng nè và đắt tiền Ngược lại, nếu công suất nhỏ hơn yêu cầu thì không đảm bảo được quá trình cắt gọt, máy

sẽ bị quá tải và mau hỏng

❖ Xác định công suất động cơ truyền động chính

Hiệu suất truyền động là  = 0, 95, vậy theo công thức:

( Bảng 5.42 - [5] )

𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑡

𝜂 → 𝑃𝑐𝑡 =0,966

0,95 = 1.01𝑘𝑊 [8]

Trong đó Pct là công suất cần thiết

Pt=Pc=0,966 kW là công suất tính toán

Với số vòng quay nsb=20000 vòng/phút Ta chọn động cơ spindle 1.5KW ER11 với các thông số:

n=24000 vòng/phút

T=0,89 Nm

Đường kính động cơ 80mm

Khối lượng 5kg

CHƯƠNG 4: QUY TRÌNH THIẾT KẾ

4.1 Cụm trục Z

4.1.1 Vít - đai ốc bi

Dựa vào tính toán vít - đai ốc bi trên ta tiến hành chọn vít - đai ốc bi theo tiêu chuẩn của hãng sản xuất HIWIN để lắp ráp cụm trục Z Cụm trục Z là cụm trục di chuyển theo chiều cao từ trên xuống với vận tốc bằng tốc độ ăn dao v=fr=14400 mm/phút=14,4 m/phút, cụm trục mang trục gia công chính được gắn trên một tấm đỡ Bàn trượt có kích thước là 200*150*10 mm Động cơ khối lượng 2,5 kg Cụm trục Z có thời gian tăng tốc

Tính tải trọng làm việc dọc trục cho vít - đai ốc bi: [12]

Khi tăng tốc hướng lên:

1

1

14, 4 ( ) 24,53 23,1 (2,35 2,5) 151,58 206, 75

Vậy lực làm việc dọc trục là Fbmax=Fb1=206,75 N

Tải trọng quy đổi tính theo công thức M8 [12]:

Theo công thức M15 [12] ta tính ra khả năng tải động:

p dt d

4.1.2 Ray trượt vuông

Để phù hợp cho các loại máy CNC tiện, phay ta chọn series loại HG với tải trọng lớn có kí hiện HGH-CA, cấp chính xác H tương đương High dựa theo bảng 2-2 [13] Với tải trọng đặt trước loại ZA dùng cho điều kiện khi đòi hỏi độ chính xác cao thường dùng cho trục Z trong các máy công nghiệp theo bảng 2-1-12 [13]

Lực tác động lên ray trượt là trọng lượng động cơ trục gia công chính, lực cắt, trọng lượng bàn trượt lần lượt là Pdongco=24,53 N, Pbantruot=23,1 N, Fc=151,58 N

Theo bảng 1-3 [13] ta chọn trường hợp các lực tác động trên con trượt:

P =P + =P + = N có Pt=0 là tải trong theo phương vuông góc Pmax

Khả năng tải động sơ bộ của ray trượt vuông tính theo công thức 1 2 [13]:

Kiểm tra độ bền của ray trượt:

L P

trượt đủ bền

Bảng 4.3: Bảng thông số hình học của ray trượt trục Z

Thời gian làm việc Lh=12000h

Tải trọng tác động lên vị trí để các ổ lăn: [8]

Tải trọng hướng tâm tác dụng lên vị trí để ổ lăn A: F A R = 5, 57N

Tải trọng hướng tâm tác dụng lên vị trí để ổ lăn B: F B R = 1, 23N

Lực dọc trục Fa=364,77 N

Ta chọn ổ bi đỡ tự lựa của hãng SKF

Kí hiệu ổ d (mm) D (mm) B (mm) C (kN) C0 (kN)

Khả năng chịu tải dọc trục tối đa của ổ theo [14]:

→Fap=0,003.12.10=0,504kN > Fa=364,77N ổ chịu được tải dọc trục của máy khi hoạt động

[14]

Với e=0,33 theo [14] thì Fa/Fr lớn hơn e, vậy dựa vào Y1=1,9 và Y2=2 theo [14]: