Nghiên cứu chế tạo bàn xoay máy CNC 5 trục

Lựa chọn kết cấu từ đó tính toán thiết kế chế tạo sản phẩm dựa trên cấu hình lựa chọn Tính toán thiết kế bàn xoay dựa trên phầm mềm inventor và catalog của Detron Chế tạo sản phẩm và đưa ra giải pháp điện điều khiển cho đề tài

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU ………3

DANH MỤC HÌNH ẢNH……… 5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ……… 8

1.1 Đặt vấn đề ……… 8

1.2 Mục đích của đề tài………8

1.3 Phạm vi của đề tài……… 8

1.4 Bố cục của đề tài……… 9

1.5 Kế hoạch và thời gian thực hiện.……….………10

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU VỀ MÁY PHAY CNC 5 TRỤC……… 10

2.1 Khái niệm về máy CNC và máy phay CNC……… 10

2.2 Đặc điểm kết cấu máy phay CNC……… 12

2.2.1 Các chi tiết cơ sở……….12

2.2.2 Hệ truyền động tịnh tiến hay còn gọi là hệ truyền động chạy dao……… 13

2.2.3 Hệ thống phụ trợ của máy phay CNC……….14

2.2.4 Hệ thống điều khiển………15

2.3 Phân loại máy CNC 5 trục ……… 16

2.4 Bàn xoay……….18

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ BÀN XOAY KIỂU XYZAC CHO MÁY PHAY 3 TRỤC EMCO MILL 50……… 21

3.1 Phân tích kết cấu bàn xoay thiết kế……… 21

3.1.1 Kết cấu máy phay CNC EMCO MILL 50……… 21

3.1.2 Lựa chọn kiểu bàn xoay thiết kế……….22

3.1.3 Bố trí bàn xoay……… 23

3.2 Thiết kế các chi tiết của bàn xoay……… 24

3.2.1 Tính chọn các thông số đầu vào cho bàn gá phôi……… …………24

3.2.2 Tính toán thiết kế trục, thiết kế ổ bi và lựa chọn bộ truyền đai……….24

CHƯƠNG 4 CHẾ TẠO KẾT CẤU CƠ KHÍ……… 51

4.1 Thiết kế các chi tiết……… 51

4.2 Lắp ráp bàn xoay……… 57

CHƯƠNG 5 LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN………60

5.1 Phần mềm điều khiển……… 60

5.2 Cài đặt các thông số trong phần mềm……….62

5.3 Board mạch điều khiển và kết nối……… 69

KẾT LUẬN………72

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… 73

LỜI NÓI ĐẦU

Sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa của Việt Nam không thể thiếu được việc hiện đại hóa ngành cơ khí chế tạo máy Cùng với sự phát triển chung của nền kinh tế trong những năm qua, ngành cơ khí nước ta đã đạt được những bước tiến đáng kể Ngày nay có nhiều loại máy công cụ mới được phát minh với những kỹ thuật tiên tiến phục vụ hữu ích chosản xuất và cuộc sống con người Một trong số đó phải kể tới máy phay CNC

Chúng ta đổi mới công nghệ không có nghĩa chỉ là đem tiền đi mua công nghệ cao Việc mua công nghệ không phải thứ nào cứ có tiền là mua được đặc biệt là công nghệ cao

Cụ thể hơn nhập khẩu máy công cụ CNC trong một số trường hợp có nhiều bất cập như giá đắt, bảo trì, bảo hành phức tạp, không chủ động, không phát huy được kinh tế nội suy, nhiều khi còn bị cấm vận không nhập được một số máy CNC phục vụ quốc phòng

Hiện nay số lượng máy phay CNC ở Việt Nam rất đa dạng và phong phú, nhưng chủ yếu là máy CNC 3 trục Nếu gặp những chi tiết có những biên dạng phức tạp, đặc biệt là các sản phẩm phục vụ cho ngành khuôn mẫu, công nghiệp quốc phòng vv thì máy phay CNC 3 trục chưa đáp ứng được Giải pháp để gia công những chi tiết phức tạp này là dùng máy phay CNC có số trục lớn 3 Vấn đề đặt ra là tại Việt Nam hiện nay chưa sản xuất được những máy CNC có thể thực hiện những điều này Trong khi đó chúng ta hoàn toàn có khả năng thiết kế chế tạo, cải tiến những máy CNC này Vì vậy việc nghiên cứu, chế tạo ra máy phay CNC 5 trục là hết sức cần thiết

Với những lý do trên đề tài “ Nghiên Cứu Phát Triển Cơ Cấu Cơ Khí Kiểu Bàn Quay Chuyển Đổi Máy Phay CNC 3 Trục Thành Máy CNC 5 Trục” Đã được nhóm lựa chọn làm

đề tài nghiên cứu khoa học

Đề tài này tập trung nghiên cứu kết cấu máy CNC 5 trục qua đó tìm hiểu các nguyên

lý hoạt động của máy, tính toán thiết kế cho kiểu bàn xoay mà mình lựa chọn, cuối cùng là chế tạo sản phẩm và lập trình, điều khiển cho máy CNC 5 trục Từ đó đưa ra những đánh giá, nhận định về kết quả hướng phát triển tiếp theo của đề tài

Đề tài là một hướng nghiên cứu mới về thiết kế chế tạo máy CNC, nhóm đã đi vào chế tạo mô hình và nghiên cứu về phần lập trình điều khiển cho máy Trong quá trình làm đề tài, mặc dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do khả năng, kinh nghiệm còn yếu nên không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô và các bạn để đề tài hoàn thiện và phát triển hơn Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy trong bộ môn, các thầy ở Trung Tâm Công Nghệ, Thầy giáo Nguyễn Đức Dương, thầy giáo Lê Đình Lộc và đặc biệt là thầy giáo Trần Đức Tăng đã tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài này Chúng em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày tháng năm 2016

Nhóm học viên thực hiện:

Từ Ngọc Sơn

Nguyễn Đức Mạnh

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Máy phay CNC 5 trục……….11

Hình 2.2 Các bộ phận chính của máy phay CNC……… 12

Hình 2.3 Bộ truyền vít me……….…13

Hình 2.4 Động cơ tuyến tính……….……13

Hình 2.5 Ổ tích dao……… 15

Hình 2.6 Vòi phun làm mát……… 15

Hình 2.7 Máy năm trục kiểu TTTRR………17

Hình 2.8 Máy CNC XYZAB……….18

Hình 2.9 Các trục của bàn xoay và máy phay CNC……… 18

Hình 2.10 Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay không nghiêng………… 19

Hình 2.11 Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng tự động……….19

Hình 2.12 Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng……… 20

Hình 3.1.Máy phay emco mill 50……… 21

Hình 3.2 Bàn xoay nghiêng điều khiển tự động………22

Hình 3.3 mô hình 3D của bàn xoay……… 23

Hình 3.4 Thông số trên tab design……….27

Hình 3.5 Thông số trên tab calculation……… 28

Hình 3.6 Nhập kích thước bánh dẫn……… 29

Hình 3.7 Nhập kích thước bánh bị dẫn……… 29

Hình 3.8 Mô hình 3D bộ truyền đai thang……….30

Hình 3.9 Phác thảo kết cấu trục dẫn động bàn gá phôi……… 31

Hình 3.10 Tab design cho trục dẫn động bàn gá phôi………32

Hình 3.11 Tab calculator………33

Hình 3.12 Nhập lực cho trục……… 33

Hình 3.13 Biểu đồ nội lực tổng cộng………34

Hình 3.14 Biểu đồ nội lực mặt yz……… 34

Hình 3.15 Biểu đồ momen uốn tổng cộng………35

Hình 3.16 Biểu đồ momen mặt phẳng yz……….35

Hình 3.17 Ứng suất uốn tổng cộng……… 36

Hình 3.18 Biểu đồ ứng suất uốn mặt phẳng yz……… 36

Hình 3.19 Biểu đồ ứng suất tổng cộng……… 37

Hình 3.20 Thông số tab design……… 39

Hình 3.21 Thông số tab calculator……….40

Hình 3.22 Nhập thông số bánh dẫn………41

Hình 3.23 Nhập thông số bánh bị dẫn………41

Hình 3.24 Phác thảo trục 1 sơ bộ………43

Hình 3.25 Phác thảo trục 2 sơ bộ……… 43

Hình 3.26 Tab design……….44

Hình 3.27 Tab calculator………45

Hình 3.28 Nhập lực cho trục……… 45

Hình 3.29 Biểu đồ nội lực……… 46

Hình 3.30 Biểu đồ momen uốn mặt phẳng yz………46

Hình 3.31 Biểu đồ ứng suất uốn tổng cộng………47

Hình 3.32 Biểu đồ ứng suất xoắn……… 47

Hình 3.33 Biểu đồ ứng suất tổng cộng……… 48

Hình3.34 Tab design……… 49

Hình 3.35 Tab calculator………50

Hình 3.36 Mô hình 3D của ổ bi……… ……… 50

Hình 4.1 Bản vẽ đáy giá bàn xoay……….51

Hình 4.2 Giá đứng bàn máy lớn 1……….52

Hình 4.3 Giá đứng lớn bàn máy 2……….53

Hình 4.4 Bàn gá bàn xoay……….54

Hình 4.5 Giá đứng bàn máy nhỏ……… 54

Hình 4.6 Giá cố định động cơ bước……… 55

Hình 4.7 Bàn gá phôi………56

Hình 4.8 Bản vẽ lắp……… 57

Hình 4.9 Sản phẩm sau khi gia công 1……….58

Hình 4.10 Sản phẩm sau khi gia công 2……… 58

Hình 4.11 sản phẩm sau khi gia công 3………59

Hình 4.12 Sản phẩm sau khi gia công 4……… 59

Hình 5.1 Board mạch Mach 3 Motion Card……… 69

Hình 5.2 Bố trí chân của board mạch……… 70

Hình 5.3 Kết nối Board mạch……… 71

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Hiện nay rất nhiều loại máy phay sử dụng công nghệ CNC Ưu điểm của máy phay CNC là tốc độ cắt nhanh với độ chính xác cao, giúp tiết kiệm thời gian gia công, thích hợp cho việc gia công các sản phẩm phức tạp như các chi tiết có chiều sâu lớn, sản phẩm có thànhmỏng… Với những ưu điểm nổi bật này, máy phay CNC sẽ là xu hướng hàng đầu trong lĩnh vực cơ khí, kỹ thuật, với nhu cầu chế tạo các sản phẩm có kết cấu và hình dáng hình học ngàycàng gia tăng, đặc biệt trong các ngành: Hàng không vũ trụ, chế tạo vũ khí, sản xuất ô tô, tàu thủy… Để gia công các chi tiết phức tạp này, các tổ hợp CNC nhiều trục luôn là lựa chọn hiệu quả nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm và tăng năng suất gia công

Cho đến nay ngành công nghiệp chế tạo máy công cụ đã cho ra đời nhiều loại máy CNC Nếu phân loại theo số trục thì gồm các loại máy: máy CNC 2 trục, 3 trục, 4 trục, 5 trục

và nhiều hơn nữa

Máy CNC 5 trục là loại máy công cụ điều khiển số có thể nội suy đồng thời 5 trục chuyển động Vì vậy, nó có thể gia công được các bề mặt phức tạp, giảm sai số và sai lệch hình dánghình học, tăng chất lượng bề mặt, giảm thời gian gá Về mặt công nghệ, gia công trên trung tâm CNC 5 trục là công nghệ có tính tập trung nguyên công rất cao, linh hoạt, hiệu suất khai thác máy lớn và năng suất sản phẩm vượt trội

Qua đó, nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế nhóm đã tìm hiểu, nghiên cứu và thiết kế cụm

cơ khí chuyển đổi máy phay CNC 3 trục thông thường thành máy phay CNC 5 trục với khả năng linh hoạt trong gia công mà giá thành lại phù hợp

1.2 Mục đích của đề tài

Đề tài nghiên cứu: “Nghiên Cứu Phát Triển Cơ Cấu Cơ Khí Kiểu Bàn Quay Chuyển Đổi

Máy Phay CNC 3 Trục Thành Máy CNC 5 Trục” nhẳm mục đích:

Thứ nhất: Có cái nhìn bao quát hơn về máy công cụ

Thứ hai : Lựa chọn kết cấu qua đó tính toán thiết kế chi tiết máy

Thứ ba : Hiện thực hóa chế tạo và lắp ráp sản phẩm cơ khí

Và cuối cùng là : Tìm hiểu phần điều khiển, lập trình cho máy qua đó gia công thử sản phẩmtrên đề tài thực hiện

- Nghiên cứu phần mềm điều khiển tích hợp cho đề tài, lựa chọn hướng phát triển cho đề tài

1.4 Bố cục của đề tài

Với nhiệm vụ của đề tài đã nêu trên, nội dung của đề tài được bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu đề tài

Chương 2: Nghiên cứu về máy phay CNC 5 trục

- Khái niệm về máy CNC và máy phay CNC

- Đặc điểm kết cấu máy phay CNC, máy 5 trục

- Phân loại máy CNC 5 trụcChương 3: Tính toán, thiết kế bàn xoay kiểu XYZAC cho máy phay 3 trục EMCO MILL 50

- Kết cấu máy phay CNC EMCO MILL 50

- Phân tích lựa chọn kết cấu bàn xoay

- Tính toán thiết kế các bộ phận của bàn xoayChương 4: Chế tạo kết cấu cơ khí

- Mô hình 3D của máy và bàn xoay

- Bản vẽ chi tiết của các thành phần bàn xoay

- Sản phẩm Chương 5: Điện điều khiển

- Phần mềm gia công, điều khiển

- Khai báo thông số trong phần mềm

- Kết nối board mạch điều khiển

1.5 Kế hoạch và thời gian thực hiện

1 Hoàn thiện tính toán thiết kế cơ cấu cơ khí

kiểu bàn quay cho máy phay CNC 3 trục

Máy CNC (Computer Numerical Controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh

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 CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại Hai loại máy phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là máy tiện và máy phay

Máy phay CNC là máy công cụ điều khiển số máy tính hóa có ít nhất 3 trục X,Y,Z Máy sẽ linh hoạt hơn nếu có thêm trục thứ tư là trục quay(A,B hoặc C) hoặc phân độ.Tính linh hoạt còn cao hơn nữa ở máy phay CNC 5 trục có thể gia công bất kì các bề mặt phẳng hay cong không gian,lồi lõm,định hình,phức tạp

Một xu hướng mới trong sản xuất là sử dụng máy phay CNC 5 trục.Nhờ thêm các bậc

tự do mà máy CNC 5 trục đem lại nhiều ưu điểm như sau

Hình 2.1 Máy phay CNC 5 trục

• Giảm thời gian gia công

• Các nguyên công khó và phức tạp có thể gia công trong một lần gá

• Các bề mặt được tăng cường nên các nguyên công xử lý sau gia công là không cần thiết

Nhưng bên cạnh đó nó cũng có những nhược diểm sau:

• Giá đắt tiền,yêu cầu về dụng cụ,vật tư,bảo dưỡng rất tốn kém

• Điều kiện bảo quản và làm việc rất khắt khe

• Đòi hỏi đội ngũ cán bộ kỹ thuật được đào tạo chuyên sâu

• Máy CNC có cấu hình cứng,chỉ nhà sản xuất mới thay đổi được,nhiều máy đắt tiền mà thừa chức năng,lãng phí lớn

• Máy CNC là điều khiển cứng,phẩn lớn thời gian máy làm việc dưới khả năng,lãng phí năng suất lớn

2.2 Đặc điểm kết cấu máy phay CNC

Độ chính xác gia công cao trên máy CNC đạt được nhờ cải tiến cấu trúc máy giảm thiểu phần cơ khí từ động cơ đến các cơ cấu chấp hành, giảm khe hở trong các cơ cấu truyền của

bộ phận dẫn động, giảm ma sát trong các bộ phận dẫn hướng và các cơ cấu khác, nâng cao độ

ổn định rung, giảm biến dạng đàn hồi, sử dụng các cảm biến phản hồi, như cảm biến ví trí, vận tốc của các cơ cấu chấp hành, cảm biến nhiệt độ, trên cơ sở đó đưa ra tín hiệu hiệu chỉnh

Hình 2.2 Các bộ phận chính của máy phay CNC

2.2.1 Các chi tiết cơ sở

Các chi tiết cơ sở của máy công cụ dùng để bố trí không gian cần thiết cho các bộ phận mang dao cụ và phôi, và đảm bảo độ chính xác sự phân bố tương quan giữa chúng khi có tải trọng Tập hợp các chi tiết cơ sở giữa dao cắt và phôi tạo thành hệ chịu lực của máy công cụ.Các chi tiết cơ sở bao gồm: bệ máy, thân máy, giá trượt, bàn làm việc, ụ trục chính, bàn dao, vv

2.2.2 Hệ truyền động tịnh tiến hay còn gọi là hệ truyền động chạy dao

Hệ truyền động chạy dao sử dụng các loại động cơ điện khác nhau, như động cơ dòng xoay chiều (đồng bộ, không đồng bộ), động cơ dòng một chiều, động cơ bước

Chuyển động quay của rotor của động cơ được biến đổi vào chuyển động tịnh tiến của các

cơ cấu làm việc của máy thông qua bộ truyền vitme đai ốc bi

Hình 2.3 Bộ truyền vít me

Vị trí hiện tại của các cơ cấu làm việc được xác định với sự trợ giúp của cảm biến vòng trên

hệ dẫn động hoặc cảm biến tuyến tính gắn trên bộ phận dẫn hướng

Còn với lượng tiến dao 10000 đến 40000mm/phút thì cơ cấu vít me-đai ốc lăn không đáp ứng được vì chúng tạo ra tốc độ tiến dao quá chậm, vì vậy người ta đã phát triển động cơ tuyến tính (Linear Motors ) để làm nhiệm vụ này Hình dưới đây cho sơ đồ nguyên lý của động cơ tuyến tính

Hình 2.4 Động cơ tuyến tính

Động cơ tuyến tính là một dạng đặc biệt của động cơ, động cơ này có rotor và stator phân bốdọc theo bộ phận dẫn hướng, và vị trí hiện tại được xác định bằng cảm biến tuyến tính (thướcđịnh vị) Hệ dẫn động tuyến tính có độ chính xác cao, bởi vì loại bỏ phần cơ khí từ động cơ đến cơ cấu chấp hành (loại bỏ bộ truyền vime đai ốc bi) Đây là bộ phận tạo sai số, đặc biệt khi thay đổi hướng chuyển động, song động cơ tuyến tính rất đắt và khó gia công.

2.2.3 Các hệ thống phụ trợ của máy phay CNC

Các hệ thống phụ trợ không tham gia trực tiếp vào chuyển động tạo hình nhưng có các nhiệm vụ quan trọng : gá dao và phôi, thay dao, cấp phôi, lấy chi tiết, tưới dung dịch trơn nguội, bôi trơn hệ thống, tải phoi, đo kích thước dao, kiểm tra tích cực chất lượng gia công, giám sát trạng thái làm việc của hệ thống và cảnh báo nguy hiểm, thống kê thời gian gia công, đếm chi tiết ghép nối máy công cụ với các thiết bị ngoại vi và với hệ thống sản xuất chung… Hệ thống này góp phần đảm bảo điều kiện làm việc cho các hệ thống chính; đảm bảo cho quá trình gia công được năng suất, độ chính xác và chất lượng bề mặt theo tính năng thết kế; đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành, đảm bảo vệ sinh môi trường,… Sau đây là một số các thiết bị phụ trợ trong hệ thống phụ trợ của máy CNC Các thiết bị thay dao tự động (bao gồm: ổ tích dao, đầu quay, hệ điều khiển) cần phải đảm bảo thời gian thay dao là nhỏ nhất, độ tin cậy cao trong làm việc, tính ổn định vị trí dao

Ổ tích dao có nhiêu loại, nhưng phổ biến hơn cả có 2 kiểu: kiểu “cái ô” (hình 1.4 a) – dao

cụ được phân bố theo hướng thẳng đứng Mỗi một dao được đánh số và được đặt cố định trong ổ Kiểu ổ tích dao này không đắt, nhưng làm việc chậm (thời gian thay dao 8-15s) Kiểuthứ 2 là kiểu “bàn tay” (hình 1.4 b) dao cụ được phân bố theo chiều dọc Robot đặt dao vào ô gần nhất.Có khả năng lựa chọn trước dao, khi ổ tích dao quay đồng thời với sự làm việc của máy.Chính vì vậy đối với ổ tích dao kiểu “bàn tay” thời gian thay dao 2-5s

a) Ổ tích dao kiểu cái ô b) Ổ tích dao kiểu cánh tay.

Hình 2.5 Ổ tích dao

Bộ phận tưới dung dịch trơn nguội

Hình 2.6 Vòi phun làm mát

2.2.4 Hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ điều khiển máy hoạt động theo trình tự và chế độ công

nghệ yêu cầu; bảo đảm ghép nối máy công cụ với các thiết bị liên quan; đảm bảo giao diện người vận hành … trình độ tự động hóa ngày càng cao nên vai trò của hệ thống điều khiển càng quan trọng Trên các máy vạn năng, hệ thống điều khiển gồm các tay vô lăng, tay gạt, bàn đạp, núm vặn,… Hệ điều khiển các máy tự động analog sử dụng các bộ điều khiển tự động Trên máy và trung tâm gia công CNC , hệ thống điều khiển gồm máy tính số và các thiết bị ngoại vi, đảm nhiệm việc giám sát và điều khiển toàn bộ quá trình gia công, hạn chế tối đa sự can thiệp trực tiếp của con người, chúng ta cùng tìm hiểu Bộ Điều Khiển CNC Có Nhiều Chức Năng

Bộ điều khiển CNC có nhiều chức năng:

Nhờ sự phát triển đồng bộ của ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin kết hợp vớiđòi hỏi thực tế của công nghệ chế tạo máy Hiện nay, các bộ điều khiển CNC ngày càng tin

cậy hơn, hiện đại hơn, các chức năng điều khiển ngày càng sát với công nghệ gia công chi tiết

và luôn bám sát với tốc độ của ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt

Có thể thấy rõ các chức năng cơ bản của các bộ điều khiển: Dễ sử dụng bộ vi xử lý 32 bit, có khả năng thực hiện 1000block/s thích ứng với mã G-code chuẩn ISO, bộ nhớ chương trình 256kb, thư viện dao cụ tới 200 dao, 26 tọa độ làm việc, nội suy đường xoắn helical

Dễ dàng nối ghép với máy tính và trung tâm điều khiển thông qua cổng RS232/Dnclink,

có trang thông báo và lựa chọn ngôn ngữ, tự chuẩn đoán các lỗi nội tại

Có thể lập trình hình ảnh đối xứng, có chu trình con cho: tiện, phay, khoan, chạy mô phỏng đồ họa, điều khiển contour một cách chính xác…

Ví dụ một số các bộ điều khiển CNC: Siemens có Sinumerik 802 – C, 802D, 810T, 840D… Heidenhain có TNC – 310, TNC – 426, TNC – 30… Fanuc có 16i, 18i, 21i… các bộ điều khiển kể trên có thể điều khiển 5 trục như SIEMENS Sinumerik 810, 840;

HEIDENHAIN TNC426, 430; FANUC 18i, 21i

2.3 Phân loại máy CNC 5 trục

Bắt đầu từ trục xoay(R) và trục tịnh tiến(T) bốn nhóm chính có thể phân biệt được như sau:

Năm trục có thể được phân bố giữa các trục mang phôi hoặc trục mang dụng cụ cắt trong một vài sự kết hợp

Một sự phân loại đầu tiên có thể làm dựa vào số lượng của trục mang phôi và trục mang dao theo và trình tự của mỗi trục trong chuỗi động học.Phân loại khác có thể dựa trên nơi mà các trục quay được bố trí, ở phía bên phôi hoặc bên dụng cụ cắt.Năm mức độ tự do trong một

máy tọa độ dựa trên: 3 trục X,Y ,Z (nói chung đại diện là TTT) và 2 trục quay AB, AC, hoặc

BC ( nói chung đại diện là RR) Sự kết hợp của 3 trục quay (RRR) và 2 trục tịnh tiến (TT) là hiếm có

Máy năm trục ở hình 2.7 được mô tả theo XYZAB.(TTTRR)

Hình 2.7 Máy năm trục kiểu TTTRRTrục XYAB mang phôi và trục Z mang dụng cụ cắt Hình 2.8 trình diễn một máy loại XYZAB,3 trục tuyến tính mang dụng cụ cắt và 2 trục quay mang phôi

Hình 2.8 Máy CNC XYZAB

2.4 Bàn xoay

Nhằm mở rộng khả năng công nghệ của máy công cụ ,nhất là cho các máy CNC 2 trục,người ta đã chế tạo một thiết bị có khả năng tăng một số trục của máy từ 2 hoặc 3 trục thành các máy 4 hoặc 5 trục Thiết bị đó chính là bàn xoay Thực ra bàn xoay chẳng qua là một đồ

gá đặc biệt và chúng chủ yếu dùng trên các máy phay CNC,trung tâm gia công đứng ,trung tâm gia công ngang và máy doa ngang

Bàn xoay thường được lắp trên các máy phay CNC hoặc trung tâm gia công Đối với

loại bàn xoay không nghiêng thì nó có vai trò như trục thứ 4 của máy Đối với loại bàn xoay nghiêng thì nó đóng vai trò như trục thứ 4 và thứ 5 của máy, các trục này lúc này có tên là A

và B như hình 2.9

Hình 2.9 Các trục của bàn xoay và máy phay CNC

Bàn xoay của máy CNC có tác dụng làm tăng thêm tính vạn năng cho máy Nó có phạm vi sửdụng rất lớn, nhưng chủ yếu là dùng để gia công :

+ Mặt phẳng

+ Các bề mặt định hình (như bề mặt cam, cối dập, khuôn ép …)

+ Cắt ren vít trong và ngoài

+ Gia công bánh răng và dao cắt nhiều lưỡi có răng thẳng hoặc xoắn

+ Cắt rãnh thẳng và xoắn…

+ Có thể gia công các bề mặt nghiêng

Đối với bàn xoay nhiều trục, có thể tiến hành gia công cùng một lúc nhiều chi tiết, làm : + Tăng khả năng công nghệ của máy,

+ Tăng năng suất gia công

+ Giảm thời tháo lắp và điều khiển dụng cụ

+ Giảm thời gian và các nguyên công cơ bản

+ Thích hợp cho việc sản xuất hàng loạt và hàng khối

Hình 2.10 Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay không nghiêng

Hình 2.11 Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng tự động

Hình 2.12 Một số dạng chi tiết được gia công trên bàn xoay nghiêng

Kết luận

Ưu điểm của máy phay CNC 5 trục so với máy 3 trục:

 Giảm số lần gá đặt và sai số gá đặt

 Giảm được cắt lẹm khi gia công các chi tiết hình dáng phức tạp

 Các điều kiện cắt tốt hơn,ít mòn dao hơn

 Tăng độ chính xác gia công, năng suất gia công,gia công được các vị trí bất kỳChất lượng bề mặt tốt hơn

 Gia công, điêu khắc tượng, phù điêu, chính xác

 Giảm thời gian cắt khi gia công mặt cong bằng dao phay mặt phẳng

Tuy nhiên còn 1 số nhược so với máy 3 trục như sau:

 Giá máy phay CNC 5 trục rất đắt ngang với các trung tâm gia công CNC (đây cũng

là 1 trong những nguyên nhân cần phải cải tiến máy phay CNC 3 trục thành 5 trục nhờ cơ cấu cơ khí kiểu bàn quay mà đề tài đang nghiên cứu)

 Bộ điều khiển CNC phải mạnh tương xưng với khả năng mong muốn của máy

 Gia tăng sai số vị trí do tăng số trục quay

 Lực cắt, vận tốc cắt lớn khi cùng lượng tiến dao nên cần hệ thống công nghệ đủ cứng vững

 Khó lập trình bằng tay, cần sự hỗ trợ của các phần mềm CAD/CAM mạnh mẽ như

NX, ProE, và lập trình viên phải thành thạo, đào tạo chuyên sâu về

3.1.1 Kết cấu máy phay CNC EMCO MILL 50

Hình 3.1.Máy phay emco mill 50Đây là dạng máy phay CNC 3 trục tịnh tiến Có hai mang phôi và trục mang dụng cụ

cắt.Nên đây là dạng máy phay 3 trục kiểu TTT

Hành trình chuyển động của các trục trên máy CNC như sau

Nếu thêm trục thứ hai cho phép di chuyển dụng cụ theo cung tròn bất kỳ trong không gian

Dựa vào cấu trúc không gian của máy CNC ta chọn kiểu bàn xoay thiết kế là loại bàn xoay nghiên.

Hình 3.2 Bàn xoay nghiêng điều khiển tự động

Khi ta kết hợp thêm bàn xoay vào máy CNC thì khả năng công nghệ của máy được tăng lên.Cụ thể máy có 3 trục tính tiến khi ta thêm 2 quay thì theo lý thuyết ậý có thể gia công bất

kì mặt phẳng nào

 Ưu điểm:

 Trục dao song song với trục Z của máy nên có thể khoan theo trục Z

 Các chu trình gia công theo hướng nghiêng so với phôi luôn được thực hiện trong mặt phẳng XY của máy Các chức năng trên thực hiện ngay trên cấu hình 3 trục đơn giản

 Việc bù dao giống như ở máy 3 trục

 Loại này có khả năng công nghệ cao

 Có thể gia công các mặt phẳng,tròn xoay, các rãnh các gờ lồi

 Gia công các bề mặt nghiêng ở nhiều góc độ khác nhau

 Nhược điểm:

 Kích thước phôi giới hạn

 Không gian làm việc nhỏ hơn máy 3 trục

 Việc chuyển các giá trị tọa độ (X,Y,Z,I,J,K) trong tọa độ Đề các của dao sang

hệ tọa độ của máy (X,Y,Z,A,B hoặc C) phụ thuộc vào vị trí tương đối của phôi trên bàn máy.Nghĩa là ứng với mỗi vị trí gá đặt phôi trên bàn máy,bộ hậu xử lý buộc phải tính toán lại từ đầu để sinh ra file G-code tương ứng

 Loại bàn xoay này việc điều khiển thức tạp.Chính xác giữa các góc quay phảiđảm bảo giữa hai trục lắc là quay

 Phạm vi ứng dụng:

 Gia công phôi chính xác rất cao

 Gia công cánh quạt, cánh tua-bin, profile cho lốp xe,

 Phù hợp gia công phôi có hình dáng nhất định quay theo 1 chu ki góc nào đó,cùng 1 chương trình có thể lặp lại khi quay phôi đi 1 góc tương ứng

3.1.3 Bố trí bàn xoay

Bàn xoay được thiết kế và bố trí trên trục x của máy, đây cũng là trục chứa bàn gá phôi

của máy ban đầu thay thế bàn gá phôi ban đầu là ETO bằng bàn xoay thiết kế

Bàn xoay có kích thước tổng thể bên ngoài như sau:

Chiều dài tổng thể bàn xoay 425,50mm

Chiều rộng tổng thể bàn xoay 125mm

Chiều cao tổng thể bàn xoay 130mm

Hình 3.3 mô hình 3D của bàn xoay

3.2 Thiết kế các chi tiết của bàn xoay

3.2.1 Tính chọn các thông số đầu vào cho bàn gá phôi

Dựa trên tài liệu tính toán và thiết kế bàn xoay của hãng DETRON, dựa theo mẫu bàn xoay thiết kế GFS-171S ta tính toán thiết kế bàn xoay

+ Khối lượng phôi do máy phay phục vụ nghiên cứu cho sinh viên nên ta chọn mẫu phôi có khối lượng lớn nhất là M=3kg

+ Chọn tốc độ quay lớn nhất của trục gá phôi lớn nhất là nmax=22.2 vòng/phút(bằng tốc độ của bàn xoay GFS-171S)

+ Ta có biểu thức liên hệ:

.

ε ε

Trong đó:

- M1 (N.m) là momen của bàn gá phôi GFS-171S theo trục B khi mang phôi

- M2 (N.m)là momen của bàn gá phôi mà ta thiết kế theo trục B khi mang phôi

- J1,J2 (kg.m2) (

2 2

) là gia tốc góc của bàn gá phôi theo trục B khi mang phôi

Lần lượt thay các thông số vào biểu thức trên ta có kết quả cần tìm ở dưới bảng sau:

3.2.2 Tính toán thiết kế trục, thiết kế ổ bi và lựa chọn bộ truyền đai

a, Lựa chọn bộ truyền cho đề tài

Đề tài lựa chọn bộ truyền đai cho hệ thống truyền động của bàn xoay, mỗi bộ truyền đều có cho mình những ưu nhược điểm riêng, để phù hợp với đề tài với phạm vi nghiên cứu chúng tôi lựa chọn bộ truyền đai Bộ truyền đai có đặc điểm truyền chuyển động giữa các trục

xa nhau Đai được mắc lên hai bánh đai với lực căng ban đầu F0 , nhờ đó có thể tạo ra lực ma sát trên bề mặt tiếp xúc giữa đai và bánh đai nhờ lực ma sát mà tải trọng được truyền đi

Bộ truyền đai có nhiều loại đai khác nhau:

+ Bộ truyền đai dẹt có độ bền mòn cao, bền , dẻo, hiệu suất cao tuy nhiên khả năng kéo lại thấp hơn các loại đai khác và khả năng chống trượt kém

+ Bộ truyền đai thang đây là bộ truyền có tiết diện hình thang, mặt làm việc là hai mặt bên tiếp xúc với các rãnh hình thang tương ứng trên bánh đai, nhờ đó hệ số ma sát giữa đai và bánh đai hình thang lớn hơn so với đai dẹt và do đó khả năng kéo cũng lớn hơn tuy nhiên hiệu suất thấp và khả năng chống trượt không cao

+ Bộ truyền đai nhiều chêm gồm các đoạn nhô hình chêm phân bố dọc theo mặt trong của đai và tiếp xúc với các rãnh chêm của bánh đai, lớp sợi chịu tải chủ yếu Ưu điểm của đai nhiều chêm là chiều rộng nhỏ hơn, phối hợp được hai đặc tính tốt của đai thang và đai dẹt nhờ đó có thể dùng bánh đai nhỏ hơn với đường kính bé hơn tuy nhiên nó vẫn khả năng chống trượt không cao

+ Bộ truyền đai răng là bộ truyền đai dẹt có răng ở mặt trong Khi tiếp xúc với bánh đai, các răng của đai sẽ ăn khớp với các răng trên bánh đai Do truyền lực bằng ăn khớp truyền động đai răng có những ưu điểm: không có trượt, tỉ số truyền lớn, lực tác dụng lên trục và lên ổ nhỏ

⇒

Dựa vào các ưu nhược điểm của các loại đai, chúng tôi lựa chọn bộ truyền đai răng cho truyền động giữa trục động cơ và trục quay của trục chứa bàn gá phôi

b, Thiết kế bộ truyền

Truyền động từ trục động cơ qua trục bàn gá phôi qua một bộ truyền đai và một cặp ổ bi ta

có hiệu suất của các loại bộ truyền η =ol 0.98

, η =d 0.96

vậy ta có công suất cần thiết cho động

cơ là

0.012 0.98.0.96

dc dc

ol d

P P

η η

kWChọn tỉ số truyền cho bộ truyền bằng 2 vậy ta có nđc=44.4 vòng/phút

Vậy momen cần thiết cho động cơ là :

Động cơ SUMTOR 57HS11230A4

Mẫu động cơ SUMTOR 57HS11230A4

Bảng thông số động cơ SUMTOR 57HS11230A4

Tính toán thiết kế bộ truyền đai trên phần mềm inventor loại đai chọn là L synchronous Belt 187L050

Công suất bộ truyền đai P=0.013kW

Modun của đai m=2

Để đảm bảo kích thước bàn xoay và khả năng tải ta chọn số răng bánh đai bé z1=14 ⇒

z2=28

ta lần lượt có các đường kính vòng chia tương ứng d1=14.2=28mm; d2=28.2=56mm

Khoảng cách trục sơ bộ được tính 0,5 (m z z1+ 2)≤ ≤a 2 (m z z1+ 2) ⇔42mm a≤ ≤168mmNhập các kích thước vào phần mềm AUTODESK INVENTOR ta có các kết quả sau:

Hình 3.4 Thông số trên tab design

Hình 3.5 Thông số trên tab calculation

Hình 3.6 Nhập kích thước bánh dẫn

Hình 3.7 Nhập kích thước bánh bị dẫn

Hình 3.8 Mô hình 3D bộ truyền đai thangBảng kết quả tính:

1

Loại đai

L synchronous Belt187L050

5 Lực căng trên mỗi nhánh đaiFt 65,871 N

- Công suất trên trục 0.012kW

- Momen xoắn trên trục M=5N.m

- Các lực tác dụng lên trục từ bộ truyền đai

- Lực dọc trục Fa=40N

- Lực tác dụng từ bộ truyền đai Fr=131,742NTính sơ bộ đường kính trục vị trí lắp bánh đai:

d=

3 3

Hình 3.9 Phác thảo kết cấu trục dẫn động bàn gá phôi

Hình 3.10 Tab design cho trục dẫn động bàn gá phôi

Hình 3.11 Tab calculator

Hình 3.12 Nhập lực cho trục

Hình 3.13 Biểu đồ nội lực tổng cộng

Hình 3.14 Biểu đồ nội lực mặt yz

Hình 3.15 Biểu đồ momen uốn tổng cộng

Hình 3.16 Biểu đồ momen mặt phẳng yz

Hình 3.17 Ứng suất uốn tổng cộng

Hình 3.18 Biểu đồ ứng suất uốn mặt phẳng yz