tính toán thiết kế hệ thống dẫn hướng cho gia công dưới sự di chuyển của một trục và một trục xoay

tính toán thiết kế hệ thống dẫn hướng cho gia công dưới sự di chuyển của một trục và một trục xoay

LỜI CẢM ƠN

Sau bốn năm học tại trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hố Chí Minh, chúng em

đã được học và tiếp thu rất nhiều kiến thức mới từ sự chỉ bảo tận tình của Quý Thầy

Cô, cũng như sự giúp đỡ của bạn bè Đây là khoảng thời gian đầy ý nghĩa Đồ án tốt nghiệp là nền tản quan trọng để đánh dấu một bước ngoặc mới trong cuộc đời chúng em.

Chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành đến thầy Hà Ngọc Nguyên Người đã hướng dẫn chúng em thực hiện đồ án tốt nghiệp và cung cấp cho chúng em nhiều kinh nghiệm quý báu.

Chúng em xin chân thành cám ơn quý thầy cô bộ môn cơ điện tử và các cán bộ công nhân viên trường Đại học Công Nghệ Thành Phố Hố Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi để nhóm em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp này.

Sinh viên thực hiện:

Đồ án tốt nghiệp

Trang 1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan :

1 Những nội dung trong đồ án này là do tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn trực tiếp của thầy Hà Ngọc Nguyên

2 Mọi tham khảo dùng trong đồ án đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố

3 Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Sinh viên

Lời mở đầu

Trong giai đoạn phát triển đi lên theo hướng hiện đại hóa, công nghiệp hóa sảnxuất của đất nước ta hiện nay, thì việc sử dụng các loại máy móc hiện đại thaythế sức lao động của con người là xu hướng tất yếu để tăng năng xuất lao động,tạo được nhiều sản phẩm chất lượng cao phục vụ cuộc sống, giải phóng sức laođộng con người

Trong công nghiệp để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, độ bền cao, mẫu mãđẹp và đảm bảo tiêu chuẩn, phục vụ nhu cầu cuộc sống, phát triển kinh tế thì cầnphải có hệ thống sản xuất tự động bao gồm nhiều loại máy móc công nghiệphiện đại khác nhau

Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loạitinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại.Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNCdưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máyđột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác Thuật ngữ CNC liên quan đến mộtnhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động vàthực hiện quá trình gia công kim loại Đồ án này sẽ kết hợp hai loại máy phổbiến nhất trên thị trường hiện nay là máy tiện và máy phay thành một máy

Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếcmáy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn Tất nhiên, giá của nhữngchiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiềucông ty Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện nhữngchuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định

Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ Một ý tưởng đangđược phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằngvít me bi lồng vào nhau Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi mộtmáy tính phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đườngmức chi tiết chính xác Đồ án này trình bày về quá trình tính toán thiết kế hệthống dẫn hướng cho gia công dưới sự di chuyển của một trục và một trục xoay

Chương 1: Mục tiêu và tổng quan

1.1 Mục tiêu :

- Thiết kế và điều khiển máy CNC trục XZA

1.2 Tổng quan :

1.2.1 Khái niệm :

- CNC ( computer numerical control ) là một dạng máy NC điều khiển

tự động có sự trợ giúp của máy tính , mà trong đó các bộ phận tự độngđược lập tình để hoạt động theo các sự kiện tiếp nối nhau với tốc độ đượcxác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thuốcyêu cầu

1.2.2 Phân loại :

- Các máy CNC có thể phần chia theo loại và theo hệ thống điều khiển:

• Theo loại máy cũng tương tự như các máy công cụ truyền thống ,chia ra các loại như máy khoan CNC , máy phay CNC , máy tiệnCNC…và các trung tâm gia công CNC Các trung tâm CNC có khảnăng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loạidụng cụ khác nhau

• Phân chia theo hệ điều khiển có thể phân ra các loại: Các máy điều khiển điểm tới điểm

Ví dụ như máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập…

Các máy điều khiển đoạn thẳng : đó là các máy có khả nănggia công trong qua trình thực hiện dịch chuyển theo các trục Các máy điều khiển đường : bao gồm các máy

Máy 2DMáy 3D

Điều khiển 2D1/2

Điều khiển 4D , 5D.

1.2.2.a Ưu điểm của máy CNC :

- So với các máy điều khiển công cụ bằng tay, sản phẩm từ máy CNC

không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển mà phụ thuộc vàonội dung, chương trình được đưa vào máy Người điều khiển chỉ chúyếu theo dõi kiểm tra các chức năng hoạt động của máy

- Độ chính xác lằm việc cao Thông thường các máy CNC có độ chính

xác máy là 0.001mm do đó có thể đạt được độ chính xác cao hơn

- Tốc độ cắt cao Nhờ cấu trúc cơ khí bền chắc của máy, Những vật liệu

cắt hiện đại như kim loại cứng hay gốm oxit có thể sử dụng tốt hơn

- Thời quan gia công ngắn hơn

- Máy CNC có tính linh hoạt cao trong việc lập trình, tiết kiệm thời

quan chỉnh máy, đạt được tính kinh tế cao trong việc gia công hàngloạt các sản phẩm nhỏ

- Ít phải dừng máy vì kỹ thuật, do đó chi phí dừng máy nhỏ

- Tiêu hao do kiểm tra ít, giá thành đo kiểm tra giảm

- Thời gian hiệu chỉnh máy nhỏ

- Có thể gia công hàng loạt

1.2.2.b Nhược điểm :

- Giá thành chế tạo máy cao hơn

- Giá thành bảo dưỡng, sữa chữa máy cũng cao hơn

- Vận hành và thay đổi người đứng máy khó khăn hơn

1.2.3 Lựa chọn phương án thiết kế và điều khiển máy CNC trục XZA :

Gồm nhưng phương án sau:

1.2.3.a Giao ti ếp máy tính với máy CNC

1.2.3.a.1 Cổng nối tiếp (serial Port hay COM port) :

Ưu điểm:

Truyền tính hiệu đi được khá xa

Dễ lập trình điều khiển vì hầu hết các ngôn ngữ lập trình hướng đốitượng đều đa tích hợp sẵn module điều khiển cổng nối tiếp

1.2.3.a.2 Giao tiếp qua Slot Card :

Trong máy tính người ta chế tạo sẵn các slot cho phép người sử dụngtính năng của máy bằng cách gắn các thiết bị vào đó

Mỗi slot đều có các đường dữ liệu (data), địa chỉ (address), các đường+5v, -5v, +12v, -12v và các đường điều khiển như CLK, IRQ,RESET, IOW, IOR…vì vậy nếu thiết kế mạch giao tiếp qua slot sẽgiảm được nhiều linh kiện, giảm được nguồn bên ngoài, dễ điều khiểngiá thành thấp, tốc độ truyễn dữ liệu nhanh

Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm thì giao tiếp qua slot cũng cónhững nhược điểm Do slotcard gắn bên trong máy tính nên cách giaotiếp này khó có thế nhận dữ liệu từ bên ngoài vào, và cũng bị hạn chế

về khoảng cách làm việc đồng thời mỗi khi sử dụng đều phải mở máytính gây bất tiện cho người sử dụng

1.2.3.a.3 Cổng song song (LPT port hay parallel port) :

• Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC Nhược điểm :

• Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình Việcnghiên cứu nâng công suất động cơ bước đang là vấn đề rất đượcquan tâm hiện nay

• Hiệu suất động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác

1.2.3.b.2 Động cơ một chiều (DC motor)

Ưu điểm:

• Momen xoắn lớn, giá thành

rẻ Nhược điểm:

• Đáp ứng chậm trong khi mạch điều khiển lại phức tạp

• Phải có mạch phản hồi thì mới nâng cao độ chính xác

1.2.3.b.3 Động cơ SERVO: Ưu

điểm:

• Momen xoắn lớn, có cả 2 loại AC và DC

• Tốc độ đáp ứng nhanh, độ chính xác cao

1.2.3.c Lựa chọn phương án duy chuyển các trục

1.2.3.c.1 Phương án 1: phôi xoay trên trục A, dụng cụ gia công di chuyển trên trục Z

Hình 1: Mô hình máy điêu khắc gỗ 3D

Chương 2 : Tính toán thiết kế trục X và Z

2.1 Xác định chế độ làm việc giới hạn:

2.1.1 Chế độ cắt cực đại:

- Để đảm bảo máy làm việc với năng suất cao nhất đồng thời cũng đảmbảo chất lượng của chi tiết gia công, máy thiết kế cần phải có khả năng đểlựa chọn vận tốc cắt và lượng chay dao thích hợp nhất

- Chuyển động chạy dao là chuyển động tương đối của dụng cụ và chi tiếtgia công được thêm vào và tạo điều kiện đưa vùng gia công lan rộng ratoàn bề mặt gia công Chuyển động chạy dao có thể liên tục hoặc giánđoạn

- Tốc độ cắt là quãng đường mà một điểm trên lưỡi cắt chính nằm cáchtrục xa nhất đi được trong một phút

- Sau một vòng quay của dao phay, điểm của lưỡi cắt nằm trên đường tròncủa đường dao có đường kính d sẽ đi được một quãng đường mà chiều dài

là chu vi của đường tròn đó, tức là nd

- Để xác định quãng đường mà điểm đó đi được một phút, cần phải nhânphút, tức là ndn Lúc đó, tốc độ cắt xác định thức sau :

- Đối với chi tiết gia công cùng chu vi, như cơ tính khác nhau, thì cầnphải gia công vận tốc khác nhau Trong trường hợp gia công chi tiết có

đường kính dao khác nhau, nhưng vận tốc như nhau thì số vòng quay phảiđược điều chỉnh từ nmin - nmas tức là dùng vận tốc Vmas để gia côngchi tiết có đường kính dao d1000.Vmas thì số vòng cần thiết là :max

2.1.2 Thông số trục quay chính.

- Để có thể thay đổi số vòng quay động cơ, ta chọn loại động cơ thay đổi được số vòng quay thông qua biến tần, động cơ này có thông số sau :Công suất định mức của động cơ P = 1,5 KW

Ta chọn bộ biến tần gián tiếp thay đổi tần số f

Khoản thay đổi từ (5 Hz – 400Hz )

- Với chế độ cực đại, toàn bộ chi tiết máy được thiết kế với tải trọnglớn nhất, dẫn đến kích thước lớn nhất, trọng lượng tăng lên Khi sử dụng

Trang 1 7

6

6

do phải đảm bảo độ bóng, độ chính xác khi gia công, trình độ tay nghềcông nhân đứng máy… nên ít người công nhân cho máy làm việc hết côngsuất thiết kế Do đó, chế độ cắt này thường dùng để tham khảo Chế độcắt thích hợp là chế độ cắt tính toán dựa vào qui trình công nghệ hợp lí,gia công với năng suất cao theo các công thức ở nguyên lí cắt.

Trang 1 8

Chế độ cắt

KMV – hệ số phụ thuộc vào chất lượng vật liệu gia công.( bảng 5.1-5.4 Sách Cơ sở chế tạo máy _ tập 2)

KNV - hệ số phụ thuộc vào trạng thái phôi.(bảng 5.5Sách Cơ sở chế tạo máy _ tập 2)

KUV - hệ số phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ cắt.(bảng 5.6 Sách Cơ sở chế tạo máy _ tập 2).

2.1.4 Lượng chạy dao:

- Khi phay cần phân biệt lượng chạy dao răng Svòng S và lượng chạy dao phút, tất cả được biểu diễn mối quan hệZ ,lượng chạy dao sau:

Trong đó: Sph = S n = SZ Z n

n : số vòng quay cảu dao (v/ph)

Z : số răng của dao phay

Lượng chạy dao xác định ở bảng(5.33-5.38/ Cơ sở chế tạo máy _ tập 2)

2.1.5 Chiều sâu phay t(mm) và chiều rộng phay B(mm):

- Chiều sâu phay t và chiều rộng phay B được hiểu là lượng gỗ của phôiđược bóc đi khi phay Trong tất cả các dạng phay trừ dao phay mặt đầu,chiều sâu cắt được xác định bằng khoảng cách tiếp xúc của răng dao

và phôi được đo theo hướng vuông góc của đường tâm dao phay

- Chiều rộng phay B được xác định bằng chiều dài cắt của răng daokhi cắt, đo theo hướng răng dao song song với trục dao

2.1.6 Xác định lực tác dụng khi gia công:

quyết định đối với kết cấu của máy thiết kế Tùy thuộc vào quá trìnhtạo phôi, lực cắt P hình thành với các phần lực hướng trục Ps ,hướng kính Py , pháp tuyến PZ.

Hình 2.1: Sơ đồ lực cắt

Lực PZ – Xác định tải trọng động của cơ cấu hộp tốc độ và tạo nên công suất cắt, là thành phần lực cắt theo phương chiều sâu cắt

Lực PV – Là lực ép dao vào chi tiết gia công là thành phần lực cắt, theo phương vận tốc V

Lực Ps , Py - Xác định tải trọng động của cơ cấu chạy dao

làthành phần lực cắt theo phương dao S

2.1.7Xác đị nh ch ế độ c ắ t khi phay:

Dao được chọn ở đây là dao phay ngón hợp kim cứng:

- Đường kính dao : D = 6mm

- Chiều dài phần làm việc của dao l =16mm

- Chiều dài dao: L = 40mm

- Số răng dao Z = 4

Bảng 2.2: Lựa chọn dao phay ngón hợp kim cứng

- Xác định chiều sâu cắt t: tmas = 6 (mm)

- Chọn lượng chạy dao: S = 1mm/vòng

- Chiều rông phôi B =

Cr = 245 Hệ số điều chỉnh.

m=0,37 ; x = 0,24; y = 0,26 ; u= 0,1; p = 0,13, q = 0,44 – các hệ số mũ đượcxác định ở bảng 5.39 Hệ số và các số mũ trong công thức tính tốc độ cắt khiphay.(Sổ tay Công Nghệ Chế Tạo máy _Tập 2).

KUV = 0,8- hệ số phụ thuộc vào vật liệu dụng cụ cắt.( bảng 5.6 Sách

Cơ sở chế tạo máy _ tập 2)

Thay các thông số trên vào công thức tính tốc độ cắt ta được

- Chiều dài dao: L = 40mm.

- Số răng dao Z = 4

- Xác định chiều sâu cắt t: tmas = 6 (mm)

- Chọn lượng chạy dao: S = 1mm/vòng

= 4,8 mm

Hệ số và hệ số mũ được sát định theo Công nghệ chế tạo máy - tập2

Bảng 2.3: Hệ số CP và các số mũ trong công thức tính lực cắt khi phay.

Thay vào công thức ta có :

Trên cơ sở PZ và V xác định từ trước.

cơ đáp ứng đủ công suất cho việc cắt )

Mô men xoắn Ms (Nmm) trên trục chính của máy :

M = PZ.D

=

s 2.100

1 106,5.6

Trong đó:

1 : động cơ trục Z

2: vít me trục Z

3 : ray trượt trục Z

2.2.1.a Chọn động cơ Ta có động cơ Vexta PK266-02A gồm thông số sau :

Bảng 2.4 : Thông số động cơ Vexta PK266-02A

2.2.1.b Ta chọn vít me bi vì các ưu điểm của bộ truyền:

- Tổn thất ma sát bé, hiệu suất của cơ cấu vít me đai ốc có thể đạt tới 0,9trong

+ Lực cắt chính của máy : Fm = PZ= 1 106,05N

Lực dọc trục lớn nhất khi gia công : Famas =1 156,05 N

Trong thực tế trường hợp biến đổi biến đổi chuyển động quay thành tịnhtiến thì mô men xoắn T (Nmm) trên khâu dẫn xác định theo công thức

Ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm của vít :

Điều kiện bền được thỏa vì otd = 31,79 MPa <[o ] = 130,3 MPa

Ta thấy lực Faz = 1 384,78 (N) > Famas =1 156,05( N) nên khả năng

truyền của vít me kéo theo phương Z Vậy ta có thể kết luận động cơ

fw = 1,2 hệ số ma sát của vít me.

Nm : vận tốc quay danh nghĩa:

Trang 3 8

phút Với bước vít bằng 2 mm -> vận tốc danh nghĩa Nm

L = 310 chiều dài làm việc của vít me

Thay vào công thức ta có:

Độ chính xác vị trí là: 0,01 mm

Tóm lại ta có thông số trục vít me Z như sau:

Bảng 2.6 : Thông số làm việc của vít me trục Z

Hình 2.3 : Bản vẽ chi tiết vít me trục Z

Hình 2.4 : Bản vẽ hình vít me trục Z

2.2.2 Chọn ray trục Z:

Các thông số đầu vào:

Khối lượng phôi trên bàn Z: m = 0 kg

Ở đây ta chọn ray vuông dẫn hướng trục Z:

Hình 2.6 :Sơ đồ phân bố tải trọng trên ray

Chuyển động của bàn Z là chuyển động thẳng đứng (gồm lên và xuống ).

Tải trọng tĩnh định mức C0 được đặt theo giới hạn tải trọng tĩnh cho phép

Sự biến dạng tập trung không đổi sẽ tăng giữa kênh dẫn và bi lăn khi raydẫn hướng nhận tải trọng thừa hay chịu va đập diện rộng Nếu độ lớn củabiến dạng vượt quá giới hạn cho phép, nó sẽ cản trở sự di trượt của raydẫn hướng

b) Mô men tĩnh cho phép:

Mô men tĩnh cho phép được đặt theo giới hạn của mômen tĩnh

Khi 1 mô men tác dụng vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽchịu áp lực lớn nhất giữa các áp lực phân bố trên toàn bộ bi lăn của hệthống

0

Máy công nghiệp thông thường Điều kiện tải bình thường 1,0 - 1,3

Với tác động của độ rung 2,0 – 3,0

Với tác động của độ rung 2,5 - 7,0

Sau khi tính, ta thấy fs nằm trong khoảng máy làm việc điềukiện bình thường theo thông số của nhà sản xuất đưa ra

Đủ điều kiện an toàn

Tính toán tuổi thọ danh nghĩaLấy hệ số tải trọng fw = 1,5

Bảng 2.8 : Giá trị tải trọng †w

L = ( ¢

) 50 = (34 , 4 1 000

fw .P L

Từ có bản thông số ray trượt vuông: