thiết kế hệ thống cơ khí

Máy phay CNC là một trong những thành tựu của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới. Nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa. Sự ra đời của máy CNC đã giải quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất và nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt. Những ưu điểm nổi bật của máy CNC so với máy thông thường: Nâng cao tính tự động Nâng cao tính tập trung nguyên công Nâng cao tính chính xác và đảm bảo chất lượng gia công Nâng cao hiệu quả kinh tế Đề tài này đi sâu vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phay CNC nhằm ứng dụng vào giảng dạy, học tập và sản xuất một cách có hiệu quả. Mục tiêu : Có thể chế tạo được một máy CNC 3 trục đơn giản phục vụ cho sản xuất.

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU

CHƯƠNG 1 : TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY………

1.1 TÍNH TOÁN VÀ TRA CÁC THÔNG SỐ CẮT………

1.2.TÍNH TOÁN LỰC CẮT………

CHƯƠNG 2 : TÍNH CHỌN CHO TRỤC X………

2.1 TÍNH VITME BI………

2.1.1.Sơ đồ tính vít me bi ………

2.1.2.Thông sô ban đầu………

2.1.3.Tính chọn trục vít………

2.1.4.Kiểm nghiệm trục vít………

2.2.TÍNH CHỌN Ổ LĂN………

2.2.1.Sơ đồ tính ổ lăn………

2.2.1.Chọn sơ bộ ổ lăn ………

2.2.1.Kiểm nghiệm độ bền cho ổ lăn………

2.3.TÍNH CHỌN RAY DẪN HƯỚNG ………

2.3.1.Sơ đồ tính ray dẫn hướng ………

2.3.1 Tính toán lực ………

2.3.2 Chọn ray dẫn hướng ………

2.4.TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ ………

CHƯƠNG 3 : TÍNH CHỌN CHO TRỤC Y………

3.1 TÍNH VITME BI………

3.1.1.Sơ đồ tính vít me bi ………

3.1.2.Thông sô ban đầu………

3.1.3.Tính chọn trục vít………

T

4

4

5

6

6

6

9

10

8

11

12

12

12

13

13

14

17

17

20

20

20

21

21

22

3.1.4.Kiểm nghiệm trục vít………

3.2.TÍNH CHỌN Ổ LĂN………

3.2.1.Sơ đồ tính ổ lăn………

3.2.1.Chọn sơ bộ ổ lăn ………

3.2.1.Kiểm nghiệm độ bền cho ổ lăn………

3.3.TÍNH CHỌN RAY DẪN HƯỚNG ………

3.3.1.Sơ đồ tính ray dẫn hướng ………

3.3.1 Tính toán lực ………

3.3.2 Chọn ray dẫn hướng ………

3.4.TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ ………

CHƯƠNG 4 : THÔNG SỐ KĨ THUẬT………

4.1.Truc X……….…

4.2.Trục Y……….……

CHƯƠNG 5 : BẢN VẼ LẮP………

5.1.MÔ HÌNH BẢN VẼ 3D………

5.2.BẢN VẼ LẮP ……….…

5.3.MÔ PHỎNG LẮP BẰNG PHẦN MỀM SOLIDWORK 2011………

KẾT LUẬN………

TÀI LIỆU THAM KHẢO………

22

25

25

26

26

27

27

31

31

32

33

33

33

34

35

35

36

36

36

LỜI NÓI ĐẦU

Máy phay CNC là một trong những thành tựu của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới Nó ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa Sự ra đời của máy CNC đã giải quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá quá trình sản xuất và nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt

Những ưu điểm nổi bật của máy CNC so với máy thông thường:

- Nâng cao tính tự động

- Nâng cao tính tập trung nguyên công

- Nâng cao tính chính xác và đảm bảo chất lượng gia công

- Nâng cao hiệu quả kinh tế

Đề tài này đi sâu vào việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phay CNC nhằm ứng dụng vào giảng dạy, học tập và sản xuất một cách có hiệu quả

Mục tiêu : Có thể chế tạo được một máy CNC 3 trục đơn giản phục vụ cho sản xuất

Mục đích: Hiểu kĩ hơn về công nghệ CNC phục vụ cho quá trình học tập và nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn Thầy: TS Nguyễn Anh Tuấn đã chỉ dậy em tận tình trong suối quá trình làm đồ án “ Thiếu kế hệ thống Cơ Điện Tử 1” này

CHƯƠNG 1: TÍNH TOÁN CHẾ ĐỘ CẮT KHI PHAY 1.1 TÍNH TOÁN VÀ TRA CÁC THÔNG SỐ CẮT

Tính toán các thông số cắt tính được từ chế độ cắt SVT:

Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt , D=80mm JIS , v=100m/phút, t=1,2mm, F=900mm/phút

80

z r

F

v n D

Xác định kiểu lắp ổ lăn

Tính đường kính trục vít Chọn vít me bi

Kiểm tra tuổi thọ làm việc

Tính hệ số tải trọng động Tính chọn bước vít

Điều kiện làm việc

2.1.2.Thông số ban đầu :

Trọng lượng phôi : W1=500 kg

Trọng lượng bàn X : W2=140 kg

Chiều dài làm việc : Smax=1000 mm

Tốc độ dịch chuyển max : Vmax = V1 = 18m/phút = 0.3 m/s

Tốc độ gia công max : V2 = 15 m/phút = 0.25 m/s

m m

Hệ số tải trọng : fw=1.5 chế độ trung bình theo tài liệu [1] trang 19

→ Thỏa mãn độ bền về thời gian sử dụng

Hệ số tải trọng : fw=1.5 chế độ trung bình theo tài liệu [1] trang 19

• Tính tải trọng tới hạn của trục vit :

Trong đó : m= 10,2 do lắp theo kiểu 1 đầu cố định và 1 đầu điều chỉnh được

→ Do vậy vit me đảm bảo an toàn

Trong đó: f=15,1 vì lắp theo kiểu 1 đầu cố định và 1 đầu điều chỉnh được

• Kiểm tra ứng suất cho phép :

TL được xác định như sau :

+ Momen quán tính khối :

- Trục vitme :

25, 5( )32

- Phần ghép nối :

240( )

c

- Tổng monen quán tính :

𝐽𝐿 = (𝐽𝑠+ 𝐽𝑤 + 𝐽𝑐) 10−4= 817 10−5(𝑘𝑔 𝑚2)

+ Mô men lực quay :

- Mô men đặt trước :

𝑇𝑝 = 𝑘𝐹𝑎0𝑙

2𝜋 = 0,3

747,7.0,012𝜋 = 0,36(𝑁𝑚) Trong đó tải trọng đặt trước : 𝐹𝑎0 =𝐹𝑚𝑎𝑥

𝑇4= 𝑇1− 𝜀𝐽𝐿= 1,5 − 2460.817 10 −5 = −18,6 (𝑁𝑚)

+ Do đó momen phát động cần thiết:

𝑇𝐿= max(𝑇𝑖)𝑖=1…4= 21,6 𝑁𝑚

Vậy :

Kết thúc Điều kiện làm việc

Fat

Sơ đồ lắp ổ Bi cho trục vit me bi

d= 30mm ; D=27 mm; B=9mm ; r=0,5 mm; C=5,59 kN; C0=4,06 kN

2.2.4.Kiểm nghiệm độ bền cho ổ lăn

a.Tính cho ổ chặn đỡ :

- Kiểm nghiệm khả năng tải động :

Tải trọng quy ước : Q=(0,5XVF r+YF )a k k t d Theo tài liệu [2] mục : 11.15 T219

Trong đó :

kt : Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ

Khi θ < 105 thì kt=1 và khi 2050 C > θ > 1050 C thì kt= (108 + 0, 4 ) / 150 Ở đây lấy kt = 1

kd: Hệ số tải trọng động tra theo bảng 11.3 T215 Ta được kd = 1,2

Theo bảng 11.4 tài liệu [2] trang 216 Ổ bi chặn ta có : X=0,Y=1

Tổng hợp lực dọc trục : F a =0,5F e r +F at Theo tài liệu [2] mục 11.5a trang 219

→ Đảm bảo khả năng tải động

- Kiểm nghiệm khả năng tải tỉnh :

2.3.1.Sơ đồ tính

2.3.2.Thông số đầu vào

Điều kiện làm việc

Tính khả năng tải tĩnh giới hạn

Tính khả năng tải động giới hạn

Chọn ray dẫn hướng

Kết thúc Tính toán lực theo mô hình làm việc

Tổng chiều dài dịch chuyển :

m a l

Pt ra

l

= − = - 143,4 (N)

• Tính toán tải tương đương :

- Khi chuyển động đều :

Từ điều kiện về tải trọng tĩnh và tải trọng động ta tra trong catalog của nhà sản xuất PMI chọn series :

Dựa vào momen tĩnh và tốc độ của motor chọn động cơ : AM1150A của hãng ANILAM có Momen

khởi động 9.0(Nm) tốc độ quay lớn nhất : Vmax= 3000 v/min

Đồng thời chọn inventer SA301A của hãng ANILAM có :I Ninverter =7,5( )A I0 otoM r =7, 2( )A

Xác định kiểu lắp ổ lăn

Tính đường kính trục vít Chọn vít me bi

Kiểm tra tuổi thọ làm việc

Tính hệ số tải trọng động Tính chọn bước vít

Điều kiện làm việc

2.1.2.Thông sô ban đầu :

Trọng lượng phôi : W1=500+140 = 640 kg

Trọng lượng bàn Y : W2=180 kg

Chiều dài làm việc : Smax=1000 mm

Tốc độ dịch chuyển max : Vmax=V1=18m/phút = 0.3 m/s

Tốc độ gia công max : V1= 15 m/phút = 0.25 m/s

Gia tốc max : a=0.4g (m/s2)

m m

Điều kiện làm việc :

Hệ số tải trọng : fw=1,2 chế độ trung bình theo tài liệu [1] trang 13

7760410.1,2)

3 106 160.1800 = 36330(ℎ) > 20000(ℎ)

→ Thỏa mãn độ bền về thời gian sử dụng

Hệ số tải trọng : fw=1,2 chế độ trung bình theo tài liệu [1] trang 13

• Tính tải trọng tới hạn của trục vit :

→ Do vậy vit me đảm bảo an toàn

𝑚2) Với : Với 𝐽 = 1

32𝜋𝑑𝑟4= 1

32𝜋(38,05

1000)4 = 2,05 10−7(𝑚4)

TL được xác định như sau :

+ Momen quán tính khối :

240( )

c

- Tổng monen quán tính :

𝐽𝐿 = (𝐽𝑆+ 𝐽𝑊+ 𝐽𝐶) 10−4= 1016.10−5(𝑘𝑔 𝑚2)

+ Mô men lực quay :

- Mô men đặt trước :

𝑇𝑃 = 𝑘𝐹𝑎0 𝑙

𝜋 = 0,3

1339,3.0,012𝜋 = 0,64(𝑁𝑚)Trong đó tải trọng đặt trước : 𝐹𝑎0 = 𝐹𝑚𝑎𝑥

𝑇4 = 𝑇1− 𝜀𝐽𝐿 = 2,06 − 2460 1016.10−5= −23(𝑁𝑚)

+ Do đó momen phát động cần thiết :

1 4ax( ) 27( )

2.2.2.Thông số đầu vào

Kiểm nghiệm khả năng tải động

Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh

Kết thúc Điều kiện làm việc

2.2.4.Kiểm nghiệm độ bền cho ổ lăn

a Tính cho ổ chặn

- Kiểm nghiệm khả năng tải động :

Tải trọng quy ước : 𝑄 = (0,5𝑋𝑉𝐹𝑟+ 𝑌𝐹𝑎)𝑘𝑡𝑘𝑑

Trong đó:

𝑘𝑡: Hệ số ảnh hưởng đến nhiệt độ

Khi θ < 1050𝐶 thì 𝑘𝑡=1 và khi 2050C > θ > 1050C thì 𝑘𝑡 = (108+0,4𝜃) /150 Ở đây lấy 𝑘𝑡 = 1

𝑘𝑑: Hệ số tải trọng động tra theo bảng 11.3 T215 tài liệu [2], ta được 𝑘𝑑 = 1

Theo bảng 11.4 tài liệu [2] trang 216 Ổ bi chặn ta có : X=0,Y=1

Tổng hợp lực dọc trục : 𝐹𝑎 = 0,5𝐹𝑟𝑒 + 𝐹𝑎𝑡 Theo tài liệu [2] mục 11.5a trang 219

→ Đảm bảo khả năng tải động

- Kiểm nghiệm khả năng tải tỉnh :

Vũ Minh Hiếu 26

2.3.TÍNH CHỌN RAY DẪN HƯỚNG

2.3.1.Sơ đồ tính

2.3.2.Thông số đầu vào

Điều kiện làm việc

Tính khả năng tải tĩnh giới hạn

Tính khả năng tải động giới hạn

Chọn ray dẫn hướng

Kết thúc Tính toán lực theo mô hình làm việc

Tổng chiều dài dịch chuyển :

m a l

Pt ra

l

= − = -151,7 (N)

• Tính toán tải tương đương :

- Khi chuyển động đều :

1 1

E

P = = 1527,3(N) P P E3 =P3 = 2490,2(N)

𝑀𝑓𝑟𝑖𝑐 =𝑚𝑔𝜇ℎcos(𝛼)

2𝜋𝑖𝜂 =

820.9,8.0,1.0,01 cos (0)2.3,14.1.0,9 = 1,42 (𝑁𝑚)

• Momen thắng lực kết cấu :

w

cos( )

02

Dựa vào momen tĩnh và tốc độ của motor Chọn động cơ : AM1150A của hãng ANILAM có Momen

khởi động 9.0(Nm) tốc độ quay lớn nhất : Vmax= 3000 v/min

Đồng thời chọn inventer SA301A của hãng ANILAM có :I Ninverter =7,5( )A I0 otoM r =7, 2( )A

CHƯƠNG 4 : THÔNG SỐ KĨ THUẬT 4.1.Trục X :

- Hệ thống ray dẫn hướng ,vit me bi và phần đỡ ổ bi

- Sử dụng thư viện ổ bi và ốc vit

• Tạo video mô phỏng lắp

Sử dụng phần Motion Study của solidwork tạo video lắp để tăng sự trực quan chính xác trong lắp ráp

góp phần trợ giúp cho công nhân lắp ráp chính xác và dễ dàng hơn

KẾT LUẬN

Với mục tiêu tính toán thiết kế phần dẫn động cho máy CNC là 1 trong nhưng phần quan trọng nhất trong máy CNC Đề tài đã đi sâu vào tính toán thiết kế chi tiết phần dẫn động này của máyCNC là một lĩnh vực trong cơ điện tử và đây cũng là một lĩnh vực quan trọng trong thời kì hiện nay

Từ đồ án giúp em hiểu hơn nhiều vấn đề như :

- Các bước trình tự tính toán thiết kế một hệ thống

- Giúp em hoàn thiện hơn về khả năng tổng hợp các kiến thức của các môn học vào một đồ án cụ thể

- Xây dựng một Project hoàn thiện được thiết kế trên các công cụ phần mềm như solidwork, autocad,maple…

- Qua đồ án giúp em hình dung một cách tổng thể về công nghệ CNC

- Hình thành cho em một tổng quan về nghành cơ điện tử mà trong đó lĩnh vực CNC là một lĩnh vực quan trọng

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Anh Tuấn đã tận tình chỉ dẫn cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này !

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.Hướng dẫn thiết kế hệ thống dẫn hướng dùng cho máy CNC - Bộ môn GCVL và DCCN

2 Hướng dẫn thiết kế hệ thống dẫn động cơ khí tập 1 – Trịnh Chất, Lê văn Uyển

3.Catolog của hãng ANILAM – Inverter Systems and Motors

5 Catolog của hãng PMI – Linear Motion System

6.Chi tiết máy – Nguyễn Trọng Hiệp

7.Sức bền vật liệu – Thái Thế Hùng

8 Sổ tay công nghệ chế tạo máy - Nguyễn Đắc Lộc, Ninh Đức Tốn

9.Dung sai lắp ghép – Ninh Đức Tốn

10.Tập bản vẻ lắp – Bộ môn Hình Họa và Vẽ Kĩ Thuật ĐHBKHN

11.Hướng dẫn sử dụng solidwork 2008 – Nguyễn Trọng Hữu

12.Maple và các bài toán ứng dụng – Phạm Minh Hoàng