Nghiên cứu, thiết kế mô phỏng hệ thống mâm dao trung tâm gia công cnc

Hiện nay hầu hết các trung tâm này đều được trang bị hệ thống điều khiển cho phép làm việc với các chu kỳ hoàn chỉnh, đồng thời giải quyết việc chuyển động tương đối của dụng cụ cắt và c

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

MÃ SỐ: T2014-88

Tp Hồ Chí Minh, 2014

S 0 9

S KC 0 0 5 4 7 1

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

Mã số: T2014-88

Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS Hồ Ngọc Bốn.

TP HCM, – 11/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG

MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC

Mã số: T2014-88

Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS Hồ Ngọc Bốn.

TP HCM, – 11/2014

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

1

TỔNG QUAN

Máy gia công đầu tiên kiểu “trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số” xuất hiện vào năm

1958 và từ đó đến nay đã phát triển rộng rãi Trung tâm gia công cắt gọt có khả năng thực hiện các nguyên công khác nhau cho một sản phẩm Ví dụ trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số MC FHC80 và MC FVH80 có thể thực hiện các nguyên công phay, khoan, doa và cắt ren trên các bề mặt đơn giản hoặc phức tạp theo [6] Được dùng trong sản xuất các chi tiết bán tự động với chế độ sản xuất hàng loạt nhỏ hoặc đơn chiếc Nếu đánh giá trung tâm cắt gọt theo quan điểm công nghệ, có thể khẳng định rằng phần lớn các thiết bị này có thể gia công sản phẩm từ nhiều phía với một lần định vị và kẹp chặt, ví dụ các loại dao cắt khác nhau Điều này cho phép đạt được độ chính xác kích thước và bề mặt hình học cao hơn, giảm thời gian tổn thất giữa các nguyên công

Trung tâm cắt gọt có thể làm việc trong nhiều chu kỳ khác nhau Hiện nay hầu hết các trung tâm này đều được trang bị hệ thống điều khiển cho phép làm việc với các chu

kỳ hoàn chỉnh, đồng thời giải quyết việc chuyển động tương đối của dụng cụ cắt và chi tiết theo 3, 4, 5 trục

Tại Việt nam, trang thiết bị và công nghệ gia công tiên tiến xuất hiện ngày càng nhiều, đáp ứng yêu cầu phát triển công nghiệp và hội nhập Quốc tế, trong đó các máy công cụ CNC chiếm vai trò quan trọng Một số cơ sở công nghiệp, chẳng hạn nhà máy

Cơ khí tự động Tiến Tuấn, nhà máy Cơ khí Trung Hậu khu công nghiệp Tân tạo…, đang

sử dụng các loại máy CNC, hiệu MAZAC nhập từ Nhật Bản, trong đó có cả máy phay CNC được trang bị mâm dao và tay gắp thay dao tự động Sự tự động hoá trên máy bao gồm tự động tách phôi, tự động đổi dao, tự động định vị… với hệ thống điều khiển riêng

Bộ thay dao tự động được lắp đặt cùng với bộ chứa dao ( còn gọi là mâm chứa dao) và hệ thống điều khiển, chủ yếu bằng cơ cấu thủy lực, các chuyển động đổi dao thường gồm hai chu kỳ:

- Tìm dao theo mã số và chuyển dao đến vị trí thay đổi

- Đổi dao, phải bắt đầu từ việc lắp dao ở hộp dao, đưa dao đến đầu định vị dao và kẹp chặt dao

2

Hệ thống này cần được chỉnh sửa và cải tiến nhằm tăng tính linh hoạt, giảm thời gian thay dao Để đạt được điều đó cần nghiên cứu thêm về động học, động lực học và mô phỏng sự hoạt động của tay gắp thay dao trên máy tính

Sự phát triển của công nghệ máy tính và các phần mềm ứng dụng trong kỹ thuật đã mở ra nhiều biện pháp giải quyết các bài toán kỹ thuật hoàn chỉnh và đạt hiệu quả cao đề tài “

Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng mâm chứa dao trong trung tâm gia công CNC” dựa

theo ý tưởng này

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Để thiết kế chế tạo một thiết bị nào đó, việc đầu tiên là phải thực nghiệm nguyên lý, sau đó chế tạo và chạy thử Các công việc đó có thể mô phỏng trước trên máy tính, tìm ra những chỗ chưa đạt yêu cầu, sữa chữa ngay trên mô hình

Thông qua việc xây dựng các mô hình mô phỏng có thể cảm nhận trực quan Trên một đoạn phim mô phỏng có thể xem nhiều lần để phân tích kỹ các quá trình đó, nhằm bỏ bớt công nghệ không cần thiết, bổ sung khiếm khuyết trước khi gia công, rút ngắn thời gian thực hiện

Mâm chứa dao là bộ phận cần thiết để đổi dao tự động trong trung tâm cắt gọt CNC,

đã có nhiều dạng ở các máy gia công cắt gọt trên thế giới Tuy nhiên đề tài chỉ nghiên cứu mâm chứa dao của máy phay CNC hiện có ở Việt nam

Xây dựng mô hình dựa trên thực tế đồng thời thu thập thông tin từ các tài liệu liên quan đến việc nghiên cứu tay gắp trong và ngoài nước

- Nghiên cứu nguyên lý hoạt động bộ chứa dao CNC

- Nghiên cứu đông học và đông lực học một số cơ cấu chính

- Thiết kế và mô phỏng sự hoạt động của bộ chứa dao máy phay CNC trên máy tính

3

NỘI DUNG

Mô hình khái quát của một máy CNC :

Máy gồm hai phần chính :

a Phần điều khiển : gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển

- Chương trình điều khiển : Là tập hợp các tín hiệu (gọi là lệnh) để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái, số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng… Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số (cụ thể là mã thập – nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân như

Đây là thiết bị điện – điện tử rất phức tạp, đóng vai trò cốt yếu trong hệ thống điều khiển của máy CNC

b Phần chấp hành : Gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hoá như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, tưới trơn, hút thổi phoi, cấp phôi…

4

Cũng như các loại máy cắt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để tạo hình chi tiết Tuỳ theo khả năng công nghệ của loại máy mà có các bộ phận: Hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trượt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy…

Kết cấu từng bộ phận chính chủ yếu như máy vạn năng thông thường, nhưng có vài khác biệt nhỏ để đảm bảo quá trình điều khiển tự động được ổn định, chính xác, năng suất và đặc biệt là mở rộng khả năng công nghệ của máy

Hộp tốc độ : Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thường là truyền động vô cấp, trong

đó sử dụng các ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ được dễ dàng

Hộp chạy dao : Có nguồn dẫn động riêng, thường là các động cơ bước Trong xích truyền động sử dụng các phương pháp khử khe hở của các bộ truyền như vitme – đai ốc bi…

Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, tưới trơn, dễ thay dao tự động Nhiều máy có ổ chứa dao, tay máy thay dao tự động, có thiết bị tự động hiệu chỉnh khi dao bị mòn…

Trong các máy CNC có thể sử dụng các dạng điều khiển thích nghi khác nhau đảm bảo một hoặc nhiều thông số tối ưu như các thành phần lực cắt, nhiệt độ cắt,

độ bóng bề mặt, chế độ cắt tối ưu, độ ồn, độ rung…

Các trung tâm gia công CNC với ổ thay dao tự động hiện có trên thị trường Việt Nam

Hình 1: Máy Phay CNC với ổ thay dao tự động dạng xích

6

Hình 4: Hình phối cảnh bộ truyền động mâm dao

b MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG:

Trong quá trình gia công, khi có tín hiệu thay dao và mã số của con dao cần thay,

bộ phận điều khiển của máy sẽ nhận biết được dao cần thay thế đang nằm ở vị trí nào trong mâm dao Khi đó máy sẽ tự lựa hành trình giữa con dao hiện tại và dao cần thay

để điều khiển động cơ thủy lực quay cùng chiều hoặc ngược chiều kim đồng hồ tìm đến

vị trí dao cần thay thế là ngắn nhất

Vị trí của con dao được mã hóa bằng mã Gray, hệ thống nhận biết mã Gray bằng đĩa đột lỗ (có lỗ thể hiện số 0, không lỗ thể hiện số 1) được lắp cứng trên mâm dao Tương ứng với vị trí mã hóa dao và có cùng chuyển động quay với mâm dao Mã Gray

sử dụng 5 bit và nhận biết bằng 5 secsor gắn trên đĩa cố định với trục của mâm dao (Hình 5)

Bộ phận điều khiển sẽ tác động lên van điều khiển 4/3 R1 ở vị trí Y1 hoặc Y2 (sự lựa chọn này do bộ phận điều khiển của máy chọn) Khi đó động cơ thủy lực(1) sẽ được cung cấp dầu làm cho động cơ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng

hồ Động cơ thủy lực truyền qua bộ giảm tốc hai cấp(2,3) truyền chuyển động cho trục tải quay làm cam(4) quay Trên đầu trục tải có gắn bộ phận đĩa lệch tâm(5), bộ phận này

có nhiệm vụ tác động vào công tắc hành trình (6) khi cam quay để báo số vòng quay đã thực hiện về bộ phận điều khiển Khi đã thực hiện đủ số vòng quay cần thiết để đưa dao vào vị trí chuẩn bị thay dao thì hệ thống sẽ tác động vào van điều khiển 4/3 R1 trở về vị trí ban đầu, động cơ thủy lực ngừng quay Khi đó, bộ phận điều khiển sẽ tác động vào vị trí Y1 van điều khiển 4/3 R2 để tác động piston chuyển động đi ra

7

Chuyển động quay gián đoạn của mâm dao được thực hiện thông qua cơ cấu cam

hở và con lăn Các con lăn được gắn chặt trên mâm dao, vị trí mỗi con lăn tương ứng với một vị trí dao Có nghĩa là khi cam quay một vòng thì con lăn sẽ lăn không trượt trên rãnh cam kéo mâm dao quay đi một góc 0.3 rad (Góc giữa hai vị trí dao liền kề nhau) đến vị trí dao mới Khi con lăn này gần ra khỏi cam thì con lăn kế tiếp sẽ vào rãnh cam Khi trung tâm máy ngắt nguồn dầu chảy vào động cơ thì bánh cam sẽ đứng yên, khi đó hai con lăn sẽ khóa mâm dao không cho mâm dao chuyển động do các điều kiện bên ngoài (nếu có) để ngàm kẹp dao có thể thực hiện việc lấy dao ra khỏi mâm dao chính xác

8

1.2.2 Nguyên lý hoạt động của bộ phận kẹp dao :

a Sơ đồ đơn giản

Khi bộ phận điều khiển tác động van điều khiển 4/3 R2 ở vị trí số 1 tác động piston bắt đầu thực hiện chuyển động đi ra lực kéo ngàm trên bị mất, nhờ đó dưới tác

9

động của lực nén lò xo làm cho hai má của ngàm kẹp chặt ổ dao Khi hai má kẹp thực hiện xong việc kẹp chặt ổ dao thì piston vẫn tiếp tục chuyển động ra đẩy ngàm đã kẹp ổ dao trượt trên trục then hoa, đồng thời lúc này con lăn trên rãnh của giá trượt đi đến cuối rãnh này thì bộ phận này ngừng chuyển động thẳng (giá trượt này có một đoạn thẳng dài 55mm và nối với một rãnh là cung tròn có góc chắn cung là 900)

Khi thực hiện xong quá trình chuyển động thẳng, piston tiếp tục chuyển động đi

ra, đẩy cả bộ phận kẹp - bao gồm ngàm kẹp, giá gắn trục then hoa và trục then hoa, giá gắn con lăn và con lăn - quay Tâm quay của bộ phận này là trục số 47 Để thực hiện quá trình quay này là do con lăn, lăn trên rãnh trượt, khi trượt hết rãnh này thì ngàm kẹp này

đã quay được một góc 900

Lúc này giá gắn trục then hoa sẽ tác động vào công tắc hành trình 5 (Hình 7) tác động làm cho tay gắp thực hiện việc thay dao Tay gắp đổi hai con dao trên trục gia công

và trên ngàm kẹp, sau đó nó sẽ tác động vào vị trí số 2 của van điều khiển 4/3 R2 tác động làm cho piston chuyển động đi về theo chu trình ngược với chu trình lúc đi ra

Khi ngàm kẹp vừa lắp ổ dao vào mâm dao thì lúc này con lăn vừa thực hiện đoạn thẳng 50mm, đồng thời hai chốt đẩy cũng vừa tiếp xúc với hai đầu của thanh răng Piston tiếp tục kéo ngàm kẹp phía trên lên và con lăn tiếp tục lăn 5mm của rãnh còn lại, hệ thống thanh răng, bánh răng làm cho ngàm dưới dịch chuyển theo chiều ngược lại Đồng thời lúc này má trên cũng tác động lên công tắc hành trình số 4 (Hình 7) báo về trung tâm điều khiển tiếp tục quá trình gia công

14

9) Tay gắp quay 90 0

10) Ngàm quay về 90 0

17

II TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN

2.1 TÍNH TOÁN MOMENT QUAY CỦA MÂM DAO

 Tính gia tốc góc và vận tốc góc mâm dao :

Ký hiệu:

𝜔0 - Vận tốc gốc ban đầu (rad/s)

𝜑0 – Vị trí ban đầu (rad) t – Thời gian (s)

𝜑 – Góc giữa hai vị trí dao liên tiếp (rad)

18

 Tính toán momen quán tính toàn phần

Ký hiệu:

Id - Moment quán tính của dao (kgm2)

Im - Moment quán tính của mâm dao (kgm2)

Io - Moment quán tính đối với trục qua tâm dao (kgm2)

M - Khối lƣợng mâm dao (kg)

I = 1

2 300.0.432

+ 21(1

810.0.12 + 10.0.42) = 52.12 kgm2Moment quay của mâm dao:

Mq = I 𝜀 = 52.1 x 0.6 = 31.278 Nm Moment khởi động dao:

Mkđ = Mq.k Với k =2 – Hệ số ma sát

Mkđ =31.278 x 2 = 62.556 Nm

2.2 KIỂM TRA ĐỘ BỀN TRUYỀN ĐỘNG:

 Yêu cầu

Thời gian làm việc : 8 năm

Số ngày làm việc trong một năm : 300 ngày

19

Số giờ làm việc trong một ca : 8 giờ

Số ca làm việc trong một ngày : 2 ca

2.2.1 Tính toán động cơ thủy lực và phân phối tỷ số truyền :

 Công suất động cơ thủy lực

Ký hiệu:

N – Công suất động cơ (W)

M – Moment khởi động dao (Nm)

n – Số vòng quay trục mang cơ cấu cam (v/p)

𝑁 =2𝜋.𝑛.𝑀

60 = 𝑛.𝑀

9.549= 60𝑥62.556

9.549 = 393 𝑊 (Công thức trang 74 –Pneumatic)

Hiệu suất chung bộ truyền động

ŋ = ŋ12 ŋ23 =0.972 x 0.952 = 0.81

𝑉ớ𝑖 – Hiệu suất chung

ŋ1 = 0.97 – Hiệu suất bộ truyền bánh răng

ŋ2 = 0.995 – Hiệu suất một cặp ổ lăn

Công suất cần thiết của đông cơ

Nct = 𝑁ŋ =393

0.81 = 485 W

 Phân phối tỷ số truyền

Chọn động cơ thủy lực có số vòng quay nđc = 209 vòng/ phút (Loại T Series – EATON)

icc – Tỉ số truyền cấp chậm

Chọn icn = 1.9

icc = 𝑖

𝑖 𝑐𝑛 = 3.481.9 = 1.83

20

 Bảng hệ thống các số liệu tính được:

2.2.2 Kiểm nghiệm sức bền uốn của răng

1.2.2.1 Bộ truyền bánh răng cấp nhanh :

 Chọn vật liệu chế tạo bánh răng :

Bánh nhỏ: Thép 40XH tôi cải thiện, 𝜎b = 1000 N/nm2; 𝜎ch = 700 N/nm2; HB = 209 Bánh lớn: Thép 40X tôi cải thiện, 𝜎b = 1000 N/nm2; 𝜎ch = 700N/nm2; HB = 280

 Kiểm nghiệm ứng suất uốn bánh răng lớn

2.2.2.2 Bộ truyền bánh răng cấp chậm

 Chọn vật liệu chế tạo bánh răng:

Bánh nhỏ: Thép XH tôi cải thiện, 𝜎𝑏= 1000N/mm2; 𝜎𝑐ℎ= 700N/mm2; HB=290 Bánh lớn: Thép 40X tôi cải thiện, 𝜎𝑏= 1000N/mm2; 𝜎𝑐ℎ=700N/mm2; HB=280

22

Vì N1 và N2 đều lớn hơn số chu kỳ cơ sở của đường cong mỏi tiếp xúc và đường cong mỏi uốn nên khi tính ứng suất cho phép của bánh nhỏ và bánh lớn lấy k’N=k’’N=1

Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh nhỏ:

[𝜎]tx1=2.5 290=725 N/mm2Ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh lớn:

𝜎𝑢1=19.1 10

6 𝐾.𝑁

𝑦1.𝑚 2 𝑍 1.𝑛 1.𝑏= 19.1.10

6 1.3 0.46 0.429 4 22 110 16 =119.3N/mm2 < [𝜎]u1

 Kiểm nghiệm ứng suất uốn bánh răng lớn:

𝜎𝑢1=19.1 10

6 𝐾.𝑁

𝑦1.𝑚 2.𝑍1.𝑛 2.𝑏= 19.1.10

6 1.3 0.44 0.429 4 40 110 16 =90.4N/mm2 < [𝜎]u1

23

 Bảng thông số hình học bộ truyền bánh răng:

2.2.3 Kiểm nghiệm bền trục theo hệ số an toàn:

Kí hiệu:

n - Hệ số an toàn

[n] - Hệ số an toàn cho phép

𝑛𝜎 - Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp

𝑛𝜏 - Hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp

𝜎−1 - Giới hạn mỏi uốn

𝜏−1 - Giới hạn mỏi xoắn

𝑘𝜎 - Hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn

𝑘𝜏 - Hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn

𝜀𝜔, 𝜀𝜏 - Hệ số kích thước

𝜀 𝜏 =1,50,8= 1,875

𝑘 𝜏

𝜀 𝜏 =1,50,71= 2,1

Vậy đường kình trục thiết kế bảo đảm điều kiện an toàn

 Kiểm nghiệm bền ở tiết diện e – e :

Ở trục truyền cấp nhanh ta chỉ cần kiểm nghiệm tại tiết diện n – n

2821=24,8 N/mm2

𝜀 𝜏 =1,50,77= 1,95

2.2.4.1 Tính then tại tiết diện n – n trên trục truyền cấp nhanh

Theo đường kính trục tại tiết diện n – n (Hình 9) là 25 mm, ta chọn then có:

30

[σ]d = 150 N/mm2 (Tra bảng 7 – 20, trang 314)

[σ]d = 2.3993625.3,5.22 = 41,5 N/mm2 ≤ [σ]d

Vậy then thỏa bền

2.2.4.2 Tính then tiết diện m – m trên trục truyền cấp chậm

Theo đường kính trục tại tiết diện m – m (Hình 7) là 45 mm, ta chọn then có:

b = 14mm; h = 9mm; t = 5 mm; t1 = 4,1 mm; k = 5 mm (Tra bảng 7 – 23, trang 143)

2.2.4.3 Tính then tại tiết diện e – e trên trục truyền cấp chậm

Theo đường kính trục tại tiết diện e – e (Hình 8) là 25 mm, ta chọn then có:

b = 8mm; h = 7mm; t = 4 mm; t1 = 3,1 mm; k = 3,5 mm (Tra bảng 7 – 35, trang 143)