XÂY DỰNG SƠ ĐỒ ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG, TRÌNH BÀY SƠ LƯỢC VỀ QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG
Giới thiệu tổng quan máy CNC
Máy CNC (computer numerical controlled) là công cụ gia công kim loại tinh vi, có khả năng tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính, CNC xuất hiện dưới nhiều hình thức như máy tiện, máy phay, máy cắt laser, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác Thuật ngữ CNC đề cập đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại Trong đó, máy phay CNC là loại máy gia công cơ khí phổ biến tại các xưởng, từ quy mô nhỏ đến lớn trên toàn quốc, ứng dụng công nghệ hiện đại để điều khiển tự động bằng máy tính thông minh.
Phương pháp phay mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm năng suất và độ chính xác cao nhờ vào việc sử dụng dao phay với nhiều lưỡi cắt, giúp giảm thiểu sự mòn lưỡi dao Phương pháp này cũng đảm bảo an toàn cho người thợ do phoi được đứt đoạn Ngoài ra, phay cho phép gia công nhiều bề mặt định hình khác nhau như mặt phẳng, mặt trụ, mặt bậc, rãnh, và các chi tiết phức tạp như trục then hoa và bánh răng Đặc biệt, khối lượng công việc phay có thể chiếm tới 20% tổng khối lượng gia công cắt gọt.
Phay có nhược điểm là sự va đập giữa lưỡi cắt và bề mặt gia công gây ra rung động, ảnh hưởng đến độ chính xác của chi tiết và chất lượng bề mặt, dẫn đến độ bóng không cao Tuy nhiên, các máy phay CNC hiện đại đã khắc phục hiệu quả những vấn đề này.
1.1.1 Các bộ phận chính trong máy CNC a, Thân máy và đế máy: Thường được chế tạo bằng các chỉ tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết tật đúc Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thông khác Yêu câu của thân và đế máy là phải có độ cứng vững cao, phải có các thiết bị chống rung động, phải có độ ôn định nhiệt Từ đó, mục đích đặt ra là phải đảm bảo độ chính xác gia công, đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ôn định và cân bằng cho máy b, Bàn máy: Bàn máy là nơi để gá đặt chỉ tiết gia công hay đỗ gá Nhờ có sự 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 chỉ tiết có biên dạng phức tạp.Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công biện đại thì bàn máy đều là đạng bản máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy Nó làm
9 tăng tính vạn năng cho máy CNC.Yêu câu của bàn máy: Phải có độ ôn định, cứng vững được điêu khiến chuyên động một cách chính xác
Bàn máy phay CNC bao gồm cụm trục chính, nơi lắp dụng cụ và tạo ra lực cắt để gia công phôi Trục chính được điều khiển bởi động cơ Servo, hoạt động theo chế độ vòng lặp kín với công nghệ số, cho phép điều khiển tốc độ chính xác và hiệu quả cao trong điều kiện tải nặng Hệ thống này kiểm soát góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ, giúp tăng momen xoắn và gia tốc nhanh, cho phép tăng tốc độ trục chính một cách nhanh chóng Băng dẫn hướng là hệ thống thanh trượt có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động theo trục X, Y và Z, yêu cầu phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, và không có hiện tượng dính khi trượt.
Trong máy công cụ điêu khắc, có hai loại vít me cơ bản được sử dụng là vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bí Vít me đai ốc thường có dạng tiếp xúc mặt, trong khi vít me đai ốc bí có dạng tiếp xúc lăn.
Trục vít me và đai ốc f, cùng với ổ chứa dao, là các thành phần quan trọng trong máy CNC, giúp tích trữ nhiều dao cắt phục vụ cho quá trình gia công Nhờ vào ổ tích dao, máy CNC có khả năng thực hiện nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau một cách liên tiếp và hiệu quả, sử dụng nhiều loại dao cắt khác nhau Điều này không chỉ rút ngắn thời gian gia công mà còn nâng cao tính tự động hóa trong quy trình sản xuất.
Các xích động của máy công cụ điều khiển số sử dụng nguồn động lực riêng biệt cho từng cơ cấu chấp hành, dẫn đến hai loại cơ bản: xích động học tốc độ cắt gọt và xích động học của chuyển động chạy dao Việc thiết kế và chế tạo được thực hiện theo mô-đun hóa, trong đó các xích cắt gọt thường bắt đầu từ một động cơ có tốc độ thay đổi vô cấp Động cơ này dẫn động trục chính thông qua hộp tốc độ có từ 2 đến 3 cấp độ, giúp khuếch đại momen cắt đạt giá trị cần thiết dựa trên tốc độ ban đầu của động cơ.
Giới thiệu chung về hệ thống thay đao tự động
Chức năng và nhiệm vụ của hệ thông thay đao :
Hệ thống máy CNC có khả năng cắt giữ và lưu trữ một số lượng dao nhất định để phục vụ cho quá trình gia công sản phẩm Số lượng dao tối đa mà hệ thống có thể lưu trữ phụ thuộc vào yêu cầu về số dao và số nguyên công trong chương trình gia công Đối với những sản phẩm phức tạp, nhu cầu về số lượng dao tăng lên, do đó kích thước của hệ thống thay dao tự động cũng cần lớn hơn để đáp ứng yêu cầu này Nhiệm vụ của hệ thống là lấy dao cũ từ trục chính và đưa dao mới vào vị trí thay thế khi có lệnh từ chương trình gia công.
1.2.2 Các yêu cầu cần đạt được của hệ thống thay đao
Số ổ chứa dao cần có dung lượng lớn và đảm bảo độ tin cậy cao trong việc giữ dụng cụ Khi thay dao tự động, dụng cụ phải được giữ chặt trong tay máy và định vị chính xác vào vị trí gia công Khoảng cách giữa ô tích đụng cụ và vị trí công tác cần được rút ngắn tối đa Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động phải được thiết kế sao cho không chạm vào phôi trong quá trình thay dụng cụ, đồng thời tránh làm bẩn bề mặt côn – bề mặt ăn khớp với trục chính Cần bảo dưỡng thiết bị một cách tiện lợi và an toàn, quản lý và thay đổi chính xác dao theo chương trình để giảm thời gian chờ và tăng hiệu quả thay dao nhanh chóng.
1.2.3 Phân loại (theo mâm dao) a, Hệ thống thay dao với mâm dao dạng xích:
Hình 1.5 Hệ thống thay dao với mâm dao dạng xích
Bộ kẹp có độ bền cao, ít hư hỏng và chống ăn mòn, mang lại sự ổn định cho chuỗi được hỗ trợ ở cả hai bên Cơ chế đảo ngược dao với thiết kế đường cong cam đảm bảo chuyển động ngược của dao diễn ra một cách trơn tru Kết cấu mâm dao cứng vững góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động.
Giữ được các dao nặng và thay dao tốc độ cao, khay dao được thiết kế với cam thung, mang lại chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính xác.
• Đưa con dao mong muốn trong ổ chứa dao vào vị trí đổi dao
• Trục công tác chạy đến vị trí chuyển đổi
• Tay máy đổi dao quay hai mỏ kẹp đền vị trí của dao cũ trong trục chính và vị trí của dao mới trong ô chứa
• Rút cán dao ra khỏi trục chính và ổ chứa, quay tay máy đổi đao
• Nạp dao vào lỗ côn của nòng trục chính và vào ổ chứa
• Quay tay máy đôi dao về vị trí không làm việc
Với số lượng dao lớn hơn 48 dao ta thường dùng hệ thống thay dao với mâm dao dạng xích b, Hệ thống thay dao với mâm dao dạng nấm
Hình 1.6 Mâm dao dạng nấm
Mâm dao có độ bền kẹp ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, giúp bảo vệ trục chính và khay dao khi thay dao không phù hợp Nó có thể được gắn cố định hoặc di động, được điều khiển bởi động cơ chính xác, đảm bảo thay dao chính xác với chuyển động trơn tru, yên tĩnh và chính xác Nguồn điều khiển mâm dao có thể là động cơ servo hoặc động cơ điện, mang lại hiệu suất tối ưu cho quá trình gia công.
- Quy trình thay dao: Khi số dao nhỏ hơn 48 dao ta dùng ô cấp dao tự hành
• Đưa trục chính vào vị tí thay dao
• Ổ chứa dao tiến vào kẹp dụng cụ
• Trục chính đi lên, tháo dao
• Ổ chứa dao quay tới vị trí dao được gọi bởi chương trình NC
• Trục chính đi xuống kẹp chặt dao
• Ổ chứa dao lùi về vị trí ban đầu c, Hệ thống thay dao với mâm dao dạng phẳng
Hình 1.7 Mâm dao dạng phẳng
Kẹp dao có độ bền ổn định và tiếp xúc tuyệt vời với các dao, bảo vệ trục chính và khay dao trong quá trình thay dao không phù hợp Xích dẫn hướng cùng ray hỗ trợ cho cả hai bên, giúp chuyển động trơn tru và định vị chính xác Thiết kế đặc biệt của kẹp dao cho phép mâm dao được sử dụng trong các thay dao ngang Giá đỡ dao tương thích với các hệ thống lựa chọn đao khí nén, hệ thống quay thủy lực và nhiều cụm thay dao có sẵn trên thị trường Nguồn điều khiển mâm dao có thể sử dụng động cơ servo hoặc động cơ điện.
Quy trình thay dao trong hệ thống tay máy được thực hiện bằng cách sử dụng tay máy để thay thế dao, tương tự như quy trình trong hệ thống tay đao với mâm đao dạng xích, đặc biệt khi đài dao chứa số lượng dao lớn.
• Đưa con dao mong muốn trong ổ chứa dao vào vị trí đổi đao
• Trục công tác chạy đến vị trí chuyên đổi
• Tay máy đổi dao quay hai mỏ kẹp đến vị trí của dao cũ trong trục chính và vị trí của dao mới trong ổ chứa
• Rút cán dao ra khỏi trục chính và ổ chứa, quay tay máy đổi đao
• Nạp dao vào lỗ côn của nòng trục chính và vào ô chứa
• Quay tay máy đổi dao về vị trí không làm việc
Hệ thống thay dao tự động trong công nghiệp có nhiều kiểu, nhưng phổ biến nhất là hệ thống thay dao kiểu tang trống, thường được sử dụng cho các máy phay đứng CNC Chúng tôi đã tìm hiểu về kiểu thay dao này, đặc biệt là khi sử dụng tay máy với số dao nhỏ hơn 48.
Hình 1.8 Hệ thống thay dao kiểu tang trống
1.2.4 Các thành phần cơ bản của hệ thống thay dao
Hình 1.9 Các thành phần cơ bản của hệ thống thay dao
Các thành phân cơ bản:
Cụm gá là hệ thống thanh nhôm hoặc thép được kết nối theo kiểu khung, có nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ trọng lượng của hệ thống Nó được lắp cố định trên thân máy ở vị trí tối ưu để giảm thiểu hành trình thay dao Cụm tang chứa dao cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Cụm tang chứa dao là một hệ thống các chi tiết được ghép nối, trong đó thành phần chính là tang hình trống, được gắn trên một trục quay có khả năng xoay tự do 360° quanh trục này.
Trên tang máy, tay kẹp dao được lắp đặt với kích thước tiêu chuẩn, giúp tạo ra lực kẹp tương đương với ứng suất biến dạng trong quá trình tương tác giữa chuôi dao và tay kẹp Lực kẹp này được điều chỉnh nhờ vào độ đàn hồi của lò xo.
Kích thước tang được xác định dựa trên số lượng dao, kích thước chuôi dao và tổng khối lượng dao cần mang Việc tính toán này không chỉ đảm bảo đủ bên mà còn tối ưu hóa về cấu trúc và khối lượng.
Cơ cấu Mante là một hệ thống bao gồm đĩa Mante, có nhiệm vụ chuyển đổi chuyển động quay đều của động cơ thành chuyển động quay phân độ của đĩa Mante Hệ thống này được lắp đặt trên giá đỡ động cơ, với đĩa Mante được cố định trên đài chứa dao Chuyển động quay liên tục của động cơ được biến đổi thành chuyển động quay phân độ, giúp đưa con dao vào đúng vị trí cần thiết.
Khâu dẫn 1 có chốt 3 quay quanh tâm O2, trong khi khâu bị dẫn 2 là đĩa có rãnh quay quanh tâm O1 Khi khâu 1 quay liên tục, chốt sẽ lọt vào rãnh của đĩa 2, khiến đĩa này quay quanh O cho đến khi chốt ra khỏi rãnh Lúc này, đĩa 2 ngừng quay nhờ sự tiếp xúc giữa cung tròn trên đĩa 1 và cung tròn trên đĩa 2 Khi đó, rãnh tiếp theo trên đĩa 2 sẽ sẵn sàng để chốt trên đĩa 1 vào, tạo ra chuyển động liên tục.
Hình 1.12 Cơ cấu Mante c, Cụm trục chính
Cụm trục chính trong máy phay đóng vai trò quan trọng trong việc định vị và kẹp chặt chuôi dao, tạo ra lực cắt chính trong quá trình gia công Kết cấu của cụm trục chính có hình dạng côn, giúp định vị và kẹp chặt đuôi dao hiệu quả Ở phía trên, cơ cầu kẹp được thiết kế với hệ thống tay kẹp rút, hoạt động dưới tác động của lò xo, đảm bảo sự ổn định trong quá trình gia công.
Xây dựng sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động
1.3.1 Khái niệm sơ đồ dộng
Sơ đồ động của máy là hình vẽ quy ước thể hiện các bộ truyền và cơ cấu liên kết, tạo thành xích truyền động và xác định các chuyển động cần thiết của máy Nó còn chỉ rõ công suất, số vòng quay của động cơ điện, đường kính bánh đai, số răng của bánh răng, số đầu mới của trục vít và số răng của bánh vít.
1.3.2 Sơ đồ động của toàn hệ thông thay đao tự động
Dựa trên định nghĩa sơ đồ động và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thống thay dao CNC, chúng tôi đã xây dựng sơ đồ động cho toàn bộ hệ thống thay dao tự động, kèm theo các hình vẽ quy ước để minh họa.
Hình 1.14 Sơ đồ động của hệ thống thay dao
Khi chương trình gia công đến lệnh thay dao, bộ phận điều khiển sẽ dừng các chuyển động của dao trên trục X, Y và ngừng động cơ trục chính Động cơ sẽ quay trục chính về vị trí đã xác định, đảm bảo rằng vị trí chốt của dao trên trục chính thẳng hàng với chốt của đài dao Sau khi trục chính dừng quay, bộ điều khiển sẽ hạ trục Z xuống vị trí thay dao, đồng thời đài dao quay để đưa tay kẹp dụng cụ tới vị trí thay dao Khi ụ thay dao tiến từ trái sang phải, hai tay kẹp mở ra và giữ chặt lấy dao, lò xo nén sẽ kẹp chặt dao trên ụ trục chính Bộ điều khiển tiếp tục phát lệnh cho động cơ đài dao quay để đưa dao cần thay đến đúng vị trí Cuối cùng, đầu trục chính tiến xuống để nhận dao cần thay, thanh kéo sẽ kẹp chặt dao mới, và ụ thay dao tiến từ phải qua trái, hoàn tất quá trình thay thế dao tự động.
Trình bày sơ lược về thiết kế hệ thống thay dao tự động
Với các dữ liệu đầu vào:
• Số lượng dao lưu trữ: Z = 16
• Trọng lượng tối đa của 1 dao m = 5 (kg)
• Đường kính lớn nhất của dao: 80 (mm)
• Thời gian max thay dao gần nhất: Tg = 3(s)
• Thời gian max thay dao xa nhất: Tx = 7 (s)
Từ điểm gốc của hệ thống thay dao cùng với nguyên lý thay dao ta có thể lập trình quy trình tính toán như sau:
• Xác định tâm của đường tròn chứa dao và vị trí của các đài dao trên đường tròn
• Kết cấu tay kẹp dụng cụ và tấm định vị
• Tính toán tang chứa dụng cụ
• Tính toán và lựa chọn động cơ cho cơ cấu quay phân độ
• Tính toán và lựa chọn ổ lăn
• Tính toán và lựa chọn trục
• Tính toán và lựa chọn hệ thống xylanh khí nén dẫn động đài dao
• Kiểm tra độ bền cho hệ thống thay dao
N: Số lượng dao của ổ chứa dao Z Đường kính lớn nhất của dao: Dmm
Trọng lượng tối đa của 1 dao m= 5kg
Thời gian thay dao gần nhất: Tg=3s
Thời giant hay dao xa nhất: Tx=7s
Tính toán, thiết kế, lựa chọn cơ cấu kẹp dao
Tính toán, thiết kế tấm định vị
Tính các bán kính và kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao:
- Bán kính từ tâm dao đến tâm tang chứa dao: R000mm
- Bán kính vòng ngoài: R1= 205mm
- Bán kính vòng trong: R2= 172mm
- Chiều cao đĩa tích dao: H= 160mm
Tính toán cơ cấu Mante cho tang chứa dao:
- Bán kính đĩa Mante: R0 mm
- Gia tốc lớn nhất của đĩa Mante: εd = ±26,245 (rad/s 2 )
- Vận tốc lớn nhất của đĩa Mante: ωd = 3,17 (rad/s)
= Tính toán và lựa chọn động cơ:
- Công suất động cơ: Ndc = 141,446 W
- Chọn động cơ có công suất 370W
- Vận tốc quay n0 (vòng/phút)
Tính toán lựa chọn ổ lăn, trục và xy lanh:
- Ta lựa chọn ổ bi đỡ một dãy loại 314 (theo GOST 8338-75) với các thông số của ổ d = 70 mm , D = 150 mm , B = 35 mm , C = 81,7 kN , Co = 64,5 kN.
- Tính toán trục dẫn hướng:
- Tính toán và lựa chọn xy lanh:
Chọn đường kính xy lanh D= 50mm với hành trình piston L= 250mm
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
Khái niệm sơ đồ khối thuật toán
Phương pháp sử dụng sơ đồ khối để mô tả thuật toán là cách thể hiện các bước của thuật toán một cách trực quan và dễ hiểu Sơ đồ khối giúp người đọc nắm bắt tổng quan về quy trình thực hiện Để mô tả thuật toán bằng sơ đồ khối, cần dựa vào các nút quan trọng trong sơ đồ.
+ Nút khởi đầu, kết thúc: Thường được biểu diễn bằng hình tròn hoặc elip thể hiện sự bắt đầu hay kết thúc quá trình
+ Nút thao tác: Biểu diễn bằng hình chữ nhật
+ Nút điều khiển: Thường biểu diễn bằng hình thoi trong đó ghi điều kiện cần kiểm tra trong quá trình tính toán
+ Cung: Đoạn nối từ nút này đến nút khác và có mũi tên chỉ hướng
Hoạt động của thuật toán theo lưu đồ bắt đầu từ nút đầu tiên Sau khi thực hiện các thao tác và kiểm tra điều kiện tại mỗi nút, bộ xử lý sẽ di chuyển đến nút tiếp theo thông qua các cung Quá trình này sẽ dừng lại khi gặp nút kết thúc.
Sơ đồ khối chương trình
Trong đồ án này, tôi chỉ tập trung vào trường hợp trục chính có chứa dao và thực hiện quá trình lấy trả dao, không xem xét các lỗi như nhập số liệu dao cần thay lớn hơn số lượng tối đa trên đài hoặc hốc chứa dao không có dao Số hiệu hốc chứa dao trên đài mặc định trùng với số hiệu con dao trên trục chính, và chỉ cần phát tín hiệu báo mà không cần xử lý chương trình quay định hướng trục chính hay điều khiển lên xuống của trục Z.
Sau khi thực hiện lệnh thay dao, cảm biến sẽ xác định xem trục chính có lắp dao hay không Nếu phát hiện có dao, hệ thống sẽ tiến hành lệnh trả dao.
- Nếu không có dao thì kiểm tra xem tang dao đã ở vị trí ban đầu chưa, ứng với công tắc hành trình trái (S1) có tín hiệu
- Nếu có dao trên trục chính thì bộ phận chuyên động phát tín hiệu ngừng chuyển động chạy dao, động cơ trục chính dừng lại
- PLC điều khiển động cơ trên cụm chứa dao quay đài dao quay đến vị trí tay kẹp trồng trên tang trục chính đi xuống vị trí thay dao
Van 5/2 điều khiển việc cấp khí cho xylanh tác động kép, giúp đưa cụm chứa dao đến vị trí thay dao Khi công tắc hành trình phải (S2) nhận tín hiệu, quá trình di chuyển sẽ được dừng lại.
Van 3/2 là thiết bị quan trọng giúp nhá kẹp dao kích hoạt, cho phép xylanh tác động đơn hoạt động hết hành trình Khi xylanh đạt đến vị trí tối đa, nó sẽ kích hoạt công tắc hành trình dưới (S4) và đồng thời nhả kẹp, đảm bảo quy trình hoạt động được diễn ra trơn tru và hiệu quả.
Trục chính sẽ nâng lên khi kẹp không còn áp lực, đồng thời chạm vào công tắc hành trình Home (S6) Khi đó, van 5/2 sẽ trở về vị trí ban đầu do cuộn hút không nhận tín hiệu, cung cấp khí cho xylanh tác động kép, đưa tang chứa dao về vị trí ban đầu Quá trình này sẽ kết thúc khi có tín hiệu từ công tắc hành trình trái (S1).
DaoTC= Dao thay Trả dao
Dao TC=0 Quay tang dao
Trục chính xuống vị trí trả dao
Cuộn hút 5/2 có tín hiệu
Cuộn hút 3/2 có tín hiệu
Trục chính đi lên vị trí Home
Cuộn hút 5/2 trở về vị trí ban đầu
Sau khi có lệnh gọi dao kiểm tra xem dao trên trục chính có trùng với dao cần thay hay không
Nếu trùng thì kiểm tra đưa van 5/2 hồi về vị trí ban đầu ứng với công tắc hành trình trái (S1) có tín hiệu kết thúc quá trình lầy dao
Nếu không trùng ta thực hiện:
- PLC điều khiển động cơ trên cụm chứa dao quay đài dao quay đến vị trí cần thay
Van 5/2 điều khiển chuyển động của tang chứa dao, cấp tín hiệu khí cho xylanh tác động kép để đưa tang đến vị trí thay dao Khi công tắc hành trình phải (S2) nhận tín hiệu, quá trình sẽ dừng lại.
- Van 3/2 được kích hoạt làm xylanh tác động đơn hoat động thực hiện mở kẹp đồng thời công tắc hành trình dưới (S4) có tín hiệu
- Trục chính đi xuống vị trí thay dao với tay kẹp vẫn được mở
- Van 3/2 hồi về vị trí ban đầu làm xylanh hồi về trạng thái ban đầu (S3=1) giúp trục chính kẹp dao
- Trục chính đi lên vị trí Home (S6=1)
Van 5/2 có chức năng đưa tang chứa dao về vị trí ban đầu khi nhận tín hiệu từ công tắc hành trình trái (S1), đánh dấu sự kết thúc của quá trình lẩy dao.
Dao TCDao cần thay
Trục chính xuống vị trí thay dao S7=1
Hệ thống thay dao tự động trong máy phay CNC bao gồm 16 con dao được đánh số từ 1 đến 16, sắp xếp theo chiều thuận của kim đồng hồ Mỗi con dao được bố trí đều nhau trên tang dao, đảm bảo khoảng cách giữa chúng là đồng nhất Để thực hiện quá trình thay dao, cần đưa cụm chứa dao ra vị trí thay và điều chỉnh tang dao sao cho con dao cần thay (D2) quay đến đúng vị trí thay (D1) Đồng thời, cũng có thể xoay vị trí con dao trống để trục chính trả dao Để tối ưu hóa quá trình này, cần có sơ đồ thuật toán cho việc quay tang dao, trong đó D3, D4, D5 là các giá trị so sánh chiều quay, và bộ đếm Counter được sử dụng để xác định chiều quay với thời gian ngắn nhất cho việc thay dao.
Quay thuận Quay ngược Quay ngược Quay thuận
Dừng quay Dừng quay Dừng quay Dừng quay
Khi có tín hiệu tìm dao, cảm biến xác định vị trí của con dao thay thế D1 và con dao cần thay D2 Nếu D1 bằng D2, chương trình kết thúc Nếu D1 khác D2 và D1 lớn hơn D2, ta kiểm tra nếu D1 - D2 nhỏ hơn 8, thì D5 sẽ là D1 - D2, và tang dao sẽ quay thuận Cảm biến S5 sẽ đếm số dao qua, và tang dao sẽ tiếp tục quay cho đến khi C1 nhỏ hơn D5 Nếu D1 - D2 lớn hơn hoặc bằng 8, thì D6 sẽ là 16 - (D1 - D2) và tang dao sẽ quay ngược cho đến khi C2 nhỏ hơn D6 Ngược lại, nếu D1 nhỏ hơn D2, ta kiểm tra nếu D2 - D1 nhỏ hơn 8, thì D3 sẽ là D2 - D1, và tang dao sẽ quay ngược cho đến khi C3 nhỏ hơn D3 Nếu D2 - D1 lớn hơn hoặc bằng 8, thì D4 sẽ là 16 - (D2 - D1) và tang dao sẽ quay thuận cho đến khi C4 nhỏ hơn D4.
Hiện tại, con dao số 7 đang ở vị trí thay đao Để thực hiện gia công, ta cần gọi con dao số 12 với D1 = 7 và D2 = I2 Khi xét D1 > D2, ta nhận thấy D2 - D1 = 5 < 8, do đó D3 = 12 - 7 = 5 Tang dao sẽ quay 5 lần theo chiều ngược từ D2 về D1 và dừng lại Kết quả là con dao số 12 sẽ di chuyển đến vị trí thay đao.
BẢN VẼ SƠ ĐỒ ĐIỆN, KHÍ NÉN
Sơ đồ khí nén
3.1.1 Các thành phân chính trong hệ thống khí nén a, Bộ lọc không khí 1
Không khí âm, bụi bân sẽ làm ảnh thưởng hoạt động của hệ thống sử dụng khí nén
Khi thiết kế hệ thống khí nén, ngoài độ ẩm, cần chú ý đến việc gỉ sét và các chất ô nhiễm khác, bao gồm cả dầu từ máy nén, vì chúng có thể gây hại cho hệ thống Do đó, việc lọc tách âm ra khỏi hệ thống là rất quan trọng.
Sơ đồ câu tạo mô tả quá trình khí nén đi vào qua cánh xoắn ốc và chảy xuống dưới, tạo ra lực ly tâm giúp chất bẩn và nước bám vào vỏ và chảy xuống dưới, nơi chúng được xả tự động hoặc bằng tay Khí nén tiếp tục qua màng lọc và ra ngoài qua cửa khí Hình 2.3 minh họa ký hiệu bộ lọc thông khí với cửa xả tự động, được sử dụng trong sơ đồ khí nén của hệ thống.
Hình 3.1: Bộ lọc không khí
Hình 3.2: Kí hiệu bộ lọc b, Bình tích áp
Bình tích áp trong hệ thống khí nén là thiết bị lưu trữ khí nén, giúp duy trì áp suất ổn định khi máy nén khí đạt áp suất đã định Nó cung cấp khí nén trở lại cho hệ thống khi có nhu cầu sử dụng đột xuất, ngăn chặn sự giảm áp suất đột ngột, từ đó bảo vệ quá trình hoạt động của thiết bị và máy móc sử dụng khí nén Bình tích áp Varem là một trong những loại bình được ưa chuộng trong các hệ thống khí nén.
Hình 3.3: Bình tích áp c, Van điêu chỉnh áp suất
Van điều áp khí nén, hay còn gọi là van giới hạn áp suất, được lắp đặt trong hệ thống điều khiển để duy trì mức áp suất ổn định cho máy nén khí và các thiết bị liên quan Trong hệ thống khí nén, van chỉnh áp có cửa xả sẽ tự động xả khí ra ngoài khi nguồn khí cung cấp vượt quá mức yêu cầu, đảm bảo áp suất khí luôn phù hợp với áp suất hoạt động cần thiết.
Hình 3.4: Van chỉnh áp có cửa xả và đồng hồ đo
Trong đó: 1- Nắp van; 2- Lò xo tì; 3- Tâm van;
4-Tay vặn chỉnh áp; 5- Đế van; 6- Dẫn hướng d, Van tiết lưu khí nén
Van tiết lưu khí nén là thiết bị điều chỉnh dòng chảy và giảm tốc độ dòng chảy trong mạch khí nén Khác với van kim, van này chỉ cho phép luồng không khí chảy theo một hướng, trong khi cho phép dòng chảy tự do theo hướng ngược lại Nhiệm vụ chính của van tiết lưu khí nén là điều chỉnh lưu lượng dòng chảy, từ đó có thể kiểm soát tốc độ hoặc thời gian hoạt động của cơ cấu chấp hành.
Van điện từ khí nén đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng khí, cho phép đóng hoặc ngắt khí và điều chỉnh hướng dòng khí Trong hệ thống thay dao tự động kiểu tang trống của máy phay CNC 3 trục, có thể sử dụng van khí nén 5/2 cho xy lanh tác động kép lắp trên giá treo và van khí nén 3/2 cho xy lanh tác động đơn ở cơ cấu kẹp dao trong trục chính Van 5/2 có năm cổng làm việc, trong đó hai cổng xả riêng cho mỗi trạng thái, cho phép điều khiển đảo chiều hiệu quả Các van điện tử 5/2 thường được sử dụng để điều khiển xilanh kép và động cơ, đảm bảo hoạt động ổn định trong trạng thái bình thường.
Khi cung cấp tín hiệu điện áp cho van đảo chiều 5/2, van sẽ chuyển trạng thái, kết nối cửa 1 với cửa 4, cửa 2 với cửa 3, trong khi cửa 5 sẽ bị chặn.
Van 3/2 có ba cổng làm việc: cổng vào (1), cổng ra (2) và cổng xả (3), với hai trạng thái hoạt động Ở trạng thái ban đầu, van luôn đóng, cổng số 2 thông với cổng số 3, trong khi cổng số 1 bị chặn Khi nhận tín hiệu điện áp để đảo chiều, van mở ra, chặn cổng số 3 và cho phép cổng số 1 thông với cổng số 2.
Hệ thống khí nén sử dụng hai xylanh khí nén, bao gồm một xylanh tác động kép để di chuyển cụm chứa dao ra vị trí thay dao và một xylanh tác động đơn hồi vị bằng lò xo để tháo hoặc kẹp dao trên trục chính Để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống xylanh khí nén trong quá trình thay dao tự động, áp suất khí nén cần được cung cấp trong khoảng từ 6 bar đến 7 bar.
+ Xylanh khí nén điều khiển sự dịch chuyên của cụm chứa dao
Hình 3.7: Sơ đồ khí nén điều khiển dịch chuyển qua cụm chứa dao
Khi có lệnh thay dao, tín hiệu được truyền xuống và động cơ nén hoạt động Bơm khí nén hút không khí từ bên ngoài qua van lọc thô, sau đó khí đi qua van điều khiển áp suất, tạo ra dòng khí có áp suất p Dòng khí này đi qua van phân phối 5/2, được điều khiển điện, và qua ống dẫn khí đến van tiết lưu, làm cho xylanh chuyển động tiến vào và lùi ra khỏi vị trí thay dao Quá trình chuyển động của piston được điều chỉnh bởi van phân phối 5/2; khi van đảo chiều cuộn hút 1=1, nguồn khí nén từ cửa 1 đi qua cửa 4 vào buồng khí (A) của xylanh tác động kép với áp suất p, đẩy piston di chuyển sang phải với vận tốc v0, trong khi dòng khí ở buồng (B) được xả nhanh ra ngoài qua van 3.
Khi van phân phôi có cuộn hút 1= 0, lò xo kéo về, nguồn khí nén từ 1 sẽ đi qua cửa 2 và đẩy piston sang trái với vận tốc v1 Dòng khí từ buồng (A) sẽ được truyền qua các ống dẫn khí và nhanh chóng xả ra ngoài qua van 5.
Có 2 cảm biến hành trình ở vị trí đầu và cuối piston, khi piston đi hết hành trình thì dừng lại để thực hiện các thao tác khác, van phân phối giữ nguyên vị trí (đầu, cuối), áp suất trong hệ thống tăng lên do bơm vẫn hoạt động, khi áp suất vượt quá một mức nào đó, van áp hoạt động, xả bớt khí, giảm áp suất xuống dưới ngưỡng
+ Xylanh khí nén điểu khiển sự tháo/kẹp dao trên trục chính
Hình 3.8: Sơ đồ khí nén chuyển động cụm trục chính
Nguyên lý hoạt động của sơ đồ điều khiển sự dịch chuyển của tang chứa dao tương tự như sau: Khi nhận lệnh kẹp hoặc mở dao, tín hiệu được truyền xuống để kích hoạt cuộn hút Khi cuộn hút hoạt động, dòng khí sẽ được dẫn qua van phân phối từ cửa 1 đến cửa 2, qua van tiết lưu và đẩy piston xuống, thực hiện việc nhả dao Khi cuộn hút ngừng hoạt động, lò xo sẽ đưa van về vị trí ban đầu, khí nén từ xylanh đơn sẽ thoát ra cửa xả, giúp xylanh hồi vị nhờ lò xo Qua đó, hệ thống điều khiển hoạt động của xylanh khí nén đơn, đồng thời điều khiển việc kẹp hoặc mở kẹp dao trên trục chính.
Hình 3.9: Sơ đồ điều khiển Xylanh khí nén
Sơ đồ điều khiển điện
Thiết bị điều khiển logic lập trình PLC là một thiết bị đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình để lưu trữ lệnh và thực hiện các chức năng như tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm và điều khiển máy móc cũng như các quy trình công nghệ PLC được thiết kế để các kỹ sư có thể dễ dàng vận hành mà không cần kiến thức sâu về máy tính hay ngôn ngữ lập trình Thiết bị này cho phép kỹ thuật viên cài đặt hoặc thay đổi chương trình một cách linh hoạt Trong bài viết này, chúng tôi sử dụng PLC Mitsubishi Q06HCPU.
3.2.2 Các cảm biến Ở đây, ta cần dung cảm biến để giới hạn hành trình của trục chính, đài dao Em sử dụng công tắc hành trình kiểu đòn với kết cầu đơn giản Ngoài ra, để nhận biết vị trí của đụng cụ cần thay, em sử dụng cảm biến từ Nhận biết vật không cần tiếp xúc với tốc độ đáp ứng nhanh, đâu cảm biến nhỏ để dàng cho việc lắp đặt
Hình 3.11 Công tắc hành trình
Hình 3.12 Cảm biến từ phát hiện dao
Khi có lệnh gọi thay dao, cảm biến tiệm cận xác định xem trục chính có dao hay không Nếu có, tang dao sẽ quay đến vị trí ô chứa dao trống phù hợp, sau đó trục chính hạ xuống vị trí trả dao Khi trục chính đã ở vị trí trả dao, xylanh kép sẽ đưa tang dao vào vị trí nhận dao, được xác nhận bằng tín hiệu từ CTHT PHẢI Đồng thời, xylanh đơn sẽ nhả kẹp dao khi có tín hiệu từ CTHT PHẢI, và CTHT DƯỚI sẽ xác nhận kẹp đã nhả hoàn toàn Khi có tín hiệu từ CTHT DƯỚI, trục chính sẽ di chuyển lên vị trí Home và dừng lại Tại vị trí Home, tín hiệu sẽ được cấp để xylanh kép đưa tang dao về vị trí ban đầu, dừng lại khi gặp CTHT TRÁI, kết thúc quá trình trả dao Sau đó, tang dao sẽ quay đến vị trí dao cần thay, và khi tìm thấy, xylanh kép sẽ đẩy tang dao đến vị trí thay dao được nhận biết bằng CTHT PHẢI Khi có tín hiệu từ CTHT PHẢI, xylanh đơn sẽ mở kẹp dao, và CTHT DƯỚI sẽ xác nhận kẹp đã mở hoàn toàn.
Quá trình thay dao bắt đầu bằng việc cấp tín hiệu để trục chính hạ xuống vị trí thay dao Khi trục chính đã ở vị trí này, tín hiệu sẽ được gửi đến xylanh đơn để kẹp dao Sự hoàn tất của quá trình kẹp dao được xác nhận qua tín hiệu từ cảm biến CTHT TRÊN Khi có tín hiệu từ CTHT TRÊN, xylanh kép sẽ đưa dao trở về vị trí ban đầu, được nhận biết qua tín hiệu từ cảm biến CTHT TRÁI Tín hiệu này sẽ làm cho trục chính nâng lên và dừng lại ở vị trí Home, hoàn tất toàn bộ quá trình thay dao.
Khi dao di chuyển qua vùng cảm nhận của cảm biến tiệm cận từ, cảm biến sẽ chuyển đổi trạng thái và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC Quá trình này tạo ra số xung vuông tương ứng với số vị trí gá dao đã đi qua cảm biến, từ đó xác định được tổng số vị trí của dao.
3.2.3 Sơ đồ điện điều khiển a, Mạch điều khiển
Hình 3.13 Mạch điều khiển b, Mạch động lực
Mạch động lực bao gồm các cơ cấu chấp hành như motor trục chính và motor xoay tang dao, mỗi motor được điều khiển bởi 2 contactor để đảo chiều quay Để bảo vệ mạch, cần sử dụng 2 MCB, giúp ngăn ngừa tình trạng quá tải và bảo đảm an toàn cho hệ thống.
Mạch động lực được bảo vệ bởi 2 rơ le nhiệt (OL) nhằm ngăn ngừa quá nhiệt do động cơ gây ra Hệ thống sử dụng mạch đảo chiều thông qua 2 contactor, với yêu cầu đảo chiều động cơ được giới hạn bởi các công tắc hành trình và cảm biến, do đó không cần sử dụng động cơ servo Ngoài ra, mạch động lực còn bao gồm một bộ chuyển đổi từ điện xoay chiều 220V sang điện một chiều 24V.
Hình 3.15 Contactor Hình 3.16 Rơ le nhiệt c, Sơ đồ mạch tín hiệu đầu vào
Hình 3.17 Tín hiệu đầu vào
CPU Q06H của Mitsubishi không tích hợp sẵn đầu vào đầu ra như PLC Mitsu dòng Fx hay S7-1200 của Siemens, vì vậy cần sử dụng module đầu vào QX40 Module này có 16 đầu vào với điện áp 24V Các cảm biến như cảm biến đếm dao và cảm biến ở trục chính đều thuộc loại NPN, do đó, chân COM của module cần được kết nối với nguồn 24V.
Hình 3.18 Tín hiệu đầu ra
Chúng ta sử dụng module QY40P để xuất tín hiệu đầu ra của PLC với điện áp 24V Tuy nhiên, điện áp này không đủ để điều khiển 2 motor, vì vậy cần sử dụng 2 relay trung gian Khi nhận tín hiệu đầu ra từ PLC, tiếp điểm mở 9-5 của relay sẽ đóng lại, cung cấp điện cho cuộn dây của contactor, từ đó động cơ sẽ xoay theo chiều mong muốn trong mạch điều khiển.
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY
DAO TỰ ĐỘNG BẰNG PHẦN MỀM SOLID WORKS
Dựa trên các chi tiết thiết kế trong môi trường Part, chúng ta tiến hành lắp ráp toàn bộ máy CNC trong môi trường Assembly bằng ứng dụng SOLIDWORKS, tạo ra file lắp mô hình máy CNC như hình vẽ.
Hình 4.1 Hệ thống thay dao
Ta tiến hành các bước mô phỏng:
Bước 1: Tạo New Motion Study bằng cách di chuyển chuột và chọn vào Motion Study 1
Hình 4.2 Mô phỏng thay dao
Trong bước 2 của quá trình mô phỏng, cụm trục chính dao sẽ được hạ xuống để thực hiện việc thay dao Quá trình này tiếp tục cho đến khi cảm biến xác nhận rằng cụm trục chính đã vào đúng vị trí để thay dao.
Hình 4.3 Trục chính đi xuống
Bước 3: Cảm biến xác định vị trí cụm trục chính, sau đó động cơ điện kích hoạt cơ cấu Mante để xoay Tang dao đến vị trí tay kẹp Khi tay kẹp đã lấy được dao, xy lanh sẽ đẩy cụm đài dao cho đến khi cảm biến hành trình bên phải nhận diện, tại đó quá trình dừng lại và tay kẹp giữ chặt dao cần thay.
Hình 4.4 Xoay tang dao đến vị trí lấy dao
Hình 4.5 Tang dao tiến vào lấy dao
Bước 4: Sau khi tay kẹp giữ chặt dao, trục chính sẽ di chuyển lên cho tới khi cảm biến phát hiện ở vị trí an toàn thì dừng lại
Hình 4.6 Tay kẹp kẹp chặt dao, trục chính đi lên
Bước 5: Động cơ điện quay dẫn động là cơ cấu Mante quay làm xoay tang dao tới vị trí dao cần thay
Hình 4.7 Xoay Tang dao để dao cần lấy về vị trí lấy dao
Bước 6: Trục chính đi xuống vị trí lấy dao thì dừng lại, thực hiện lấy dao
Hình 4.8 Trục chính đi xuống lấy dao
Bước 7: Xylanh khí nén đẩy đài dao ra ngoài cho tới khi cảm biến hành trình đài dao bên trái thì dừng lại
Hình 4.9 Tang dao lùi ra, trục chính đi lên
LẬP TRÌNH PLC
Cài đặt tham số
Cài đặt tham số là bước quan trọng trước khi lập trình cho dòng PLC Q của Mitsubishi, điều này là bắt buộc Trong khi đó, đối với dòng PLC Fx, không cần thực hiện cài đặt tham số Để bắt đầu, cần khai báo các module sẽ được sử dụng trong I/O assignment và chương trình.
Cần chú ý đến StartXY, vì đây là địa chỉ quan trọng để khai báo đầu vào và đầu ra Việc khai báo này sẽ xác định địa chỉ của các thiết bị, ảnh hưởng trực tiếp đến cách thức hoạt động của chúng Ví dụ, địa chỉ input sẽ được xác định qua quá trình này.
Khi khai báo Start là 0000 cho module QX40, chúng ta chỉ có thể sử dụng các địa chỉ đầu vào từ X00 đến X0F (hệ hexa 16) Do QX40 chỉ có 16 điểm (16 bit), các địa chỉ của các module khác chỉ cách nhau 1 đơn vị word (1 word bit + byte) Ví dụ, khi khai báo module QX41 với 32 điểm (32 bit), không được sử dụng địa chỉ 0000.
QX41 hiện đang chiếm hai từ liên tiếp (word 0 và word 1), có nghĩa là khi khai báo QX41 từ 0010, nó sẽ sử dụng liên tiếp word 1 và word 2 (từ 0010 đến 001F và từ 0020 đến 002F) Do đó, chúng ta cần khai báo các địa chỉ module khác ngoài hai địa chỉ word này.
Khi khai báo QX40 từ địa chỉ 0000, các module khác không được sử dụng lại địa chỉ này để tránh chồng chéo dữ liệu và báo lỗi parameter Module QY40P được khai báo từ địa chỉ 0010, do đó các địa chỉ đầu ra trong phần lập trình sẽ bắt đầu từ Y10 đến Y1F.
Sau khi hoàn tất việc khai báo các địa chỉ module đầu vào và đầu ra, chúng ta sẽ tiến hành chọn các chương trình cần nạp cho PLC Dòng Q của Mitsubishi được coi là dòng PLC mạnh nhất của hãng, với khả năng quét và nạp nhiều chương trình con cùng lúc, điều mà dòng Fx không thể thực hiện, vì Fx chỉ cho phép nạp duy nhất một chương trình MAIN.
Nút nhấn start-stop là thành phần chính của hệ thống, với X0 và X1 dùng để khởi động và tắt thiết bị Trong chương trình PLC, X đại diện cho đầu vào, Y cho đầu ra, M là relay trung gian, T là timer, C là counter, và D là biến dữ liệu để lưu trữ, với 16 bit tương ứng với 1 word.
Trong các chương trình con như lấy dao, trả dao và tìm dao, chúng ta không sử dụng trực tiếp các biến Y đầu ra mà thay vào đó, sử dụng các biến M để tránh lỗi double coils do việc sử dụng biến Y nhiều lần Do đó, chúng ta đã xây dựng chương trình con OUTPUT chuyên dụng để xuất tín hiệu đầu ra.
Các lệnh đặc biệt cần ghi nhớ
Lệnh di chuyển dữ liệu ( Move – kiểu như là nhập số vào biến di chuyển dữ liệu từ
D100 (D100 là để vào HMI chỗ dao cần thay ) vào D1 )
Lập trình PLC
Đầu vào MEANING Đầu ra MEANING
X3 CTHT PHẢI Y13 TRUC CHINH DI LEN
X6 CB ĐẾM DAO Y16 xy lanh nhả dao
X9 CB VỊ TRÍ THAY DAO
M104 TANG DAO TIẾN HOAN THANH
