Thiết kế chế tạo máy tiện CNC mini

TỔNG QUAN

Công nghệ CNC

1.1.1 Khái niệm về máy CNC

Một định nghĩa hàn lâm và chặt chẽ về máy CNC được trình bày ở trang wikipedia.com:

CNC, viết tắt của Computer(ized) Numerical(ly) Control(led), là công nghệ điều khiển máy móc bằng máy tính nhằm sản xuất các bộ phận kim khí phức tạp thông qua các chương trình được viết bằng mã G theo tiêu chuẩn EIA-274-D Bộ não của máy CNC là một máy tính có công suất tính toán nhanh, sử dụng hệ điều hành chuyên dụng như Fanuc, Fargor hoặc Mazak, khác với các máy tính thông thường chạy Windows hay Mac.

Hình 1.1: Máy tính được gắn liền với máy CNC thành một khối

Máy tính này điều khiển các bộ phận cơ khí để cắt gọt kim loại, với chương trình được viết sẵn và tự động thực hiện khi nhấn nút Start Chương trình này được dịch sang ngôn ngữ mà máy tính có thể hiểu, sau đó máy tính chuyển lệnh để thực hiện các thao tác cần thiết.

2 từ các chương trình qua các mạch điện tử đến điều khiển các bộ phận cơ khí

1.1.2 Tầm quan trọng của công nghệ CNC đối với ngành công nghiệp cơ khí

Trong những năm gần đây, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy ngành công nghiệp tự động hóa Đặc biệt, trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC) đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng, đưa ngành này vào thời kỳ sản xuất hiện đại.

Trước đây, máy cắt kim loại chỉ có khả năng thực hiện các đường cắt theo quy luật như tròn đều, hình elip, đường thẳng và đường cong Tuy nhiên, máy không thể cắt kim loại theo các đường cong bất kỳ, chẳng hạn như đường gấp khúc hoặc trong không gian 2D và 3D.

Công nghệ CNC đã tạo ra một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa, giải quyết hầu hết các vấn đề khó khăn trước đây Việc lựa chọn máy CNC hiện đại trở thành yếu tố quyết định cho các doanh nghiệp công nghiệp, nhờ khả năng mang lại lợi nhuận, khả năng tái sản xuất và những tính năng vượt trội mà máy công cụ truyền thống không thể đạt được.

Các nghiên cứu, chế tạo máy CNC trong và ngoài nước

1.2.1 Khảo sát tình hình chế tạo máy công cụ và máy tiện CNC của một số hãng trên thế giới

Máy công cụ CNC ngày càng được cải tiến để đáp ứng yêu cầu khắt khe của công nghệ gia công chi tiết máy Nghiên cứu về công nghệ chế tạo máy CNC và các bộ phận điều khiển giúp chúng ta có nền tảng vững chắc và kinh nghiệm quý báu Để thu thập kinh nghiệm cần thiết, cần tìm hiểu xu hướng từ các nhà nghiên cứu, điều khiển và lập trình trong ngành chế tạo máy CNC Độ chính xác gia công của máy CNC đã được cải thiện đáng kể nhờ vào sự phát triển của thiết bị đo điện tử và bộ điều khiển tin cậy, với tiêu chuẩn độ chính xác cho máy tiện CNC của các nước G7 yêu cầu đạt được là + 0,001mm và độ chính xác lập lại là + 0,0025mm.

Tốc độ cắt gọt và năng suất gia công cao là yếu tố then chốt quyết định hiệu quả sản xuất Để tối ưu hóa năng suất, cần chú trọng vào tốc độ cắt gọt trên máy, được điều chỉnh qua nhiều giai đoạn trong quy trình gia công.

- Tốc độ quay trục chính:

Tốc độ di chuyển của bàn trượt được cải thiện nhờ việc sử dụng các ổ đệm tuyến tính thay thế cho băng dẫn cứng kiểu V và đường trượt bi, giúp tăng tốc độ dịch chuyển dọc, mang lại chuyển động êm ái và kéo dài tuổi thọ do sử dụng vật liệu đặc biệt Việc thay thế đường trượt gang bằng băng trượt bi tiêu chuẩn, được nối ghép cứng vào thân máy, là giải pháp hiệu quả để giảm hiện tượng kẹt và cháy bề mặt do ma sát lớn khi di chuyển nhanh Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ AC-Servo với mô-men xoắn lớn và gia tốc cao cho phép các máy CNC đạt tốc độ chạy từ 20-35m/phút, trong khi máy cắt laser có thể đạt tới 40m/phút.

- Khả năng cắt gọt của các loại dụng cụ: cùng với sự phát triển của ngành

Các dụng cụ cắt và phương pháp cắt gọt cứng có thể đạt tốc độ tiến dao lên tới 10m/phút khi phay Việc sử dụng nhiều mâm cặp và nhiều dao trong quá trình gá phôi đã góp phần tạo ra năng suất gia công rất cao.

Máy CNC từ các nước G7 và châu Âu có tuổi thọ cao và độ ổn định vượt trội, với ít lỗi từ nhà sản xuất Để nâng cao tuổi bền, các nhà sản xuất chú trọng vào thiết kế đường trượt bằng vật liệu và cấu trúc đặc biệt, như đường trượt bi và động cơ tuyến tính Hệ thống vòng bi tự động bôi trơn cùng với việc kiểm tra tích cực trong quá trình vận hành giúp giảm thiểu sự cố Sử dụng bộ điều khiển thông minh cũng góp phần hạn chế lỗi do người dùng, từ đó gia tăng tuổi thọ cho máy.

Ngành chế tạo máy công cụ CNC đang phát triển nhanh chóng với sự đa dạng về số lượng và chủng loại máy Thực tế công việc gia công cơ khí đã thúc đẩy sự phong phú trong các loại máy và kích thước, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Máy CNC hiện đại được thiết kế với nhiều chức năng tích hợp, giúp giảm thiểu số lần gá và nâng cao độ chính xác trong gia công chi tiết Nhiều nhà sản xuất máy CNC đã phát triển các loại máy đa năng, cho phép thực hiện nhiều công việc trên cùng một thiết bị.

Bộ điều khiển CNC ngày càng trở nên tin cậy và hiện đại nhờ sự phát triển đồng bộ của ngành điện tử và công nghệ thông tin, đáp ứng nhu cầu thực tiễn trong chế tạo máy Các bộ điều khiển hiện nay có nhiều chức năng nổi bật như dễ sử dụng, sử dụng bộ vi xử lý 32bit, thực hiện tốc độ lên đến 1000 blocks/s, tương thích với mã G-code chuẩn ISO và có bộ nhớ chương trình lên tới 256k.

Cơ cấu thay dao tự động đa dạng giúp đơn giản hóa việc nhận biết và kiểm soát dụng cụ nhờ vào việc bố trí sensor theo chiều cách, với mỗi vị trí dao được mã hóa bằng các bit khác nhau Các loại cơ cấu thay dao phổ biến trên máy tiện CNC bao gồm kiểu đầu gá dao quay phân độ và kiểu quay phân độ kết hợp với dịch chuyển theo phương X, mang lại kết cấu máy gọn gàng nhưng yêu cầu hành trình phương X lớn.

Trong máy CNC, số trục và các trục điều khiển rất quan trọng Các trục chuyển động thẳng, bao gồm X, Y, Z, thể hiện sự dịch chuyển của dao hoặc phôi trong không gian 3 chiều Ngoài ra, các trục chuyển động song song tương ứng là U, V, W Đối với các chuyển động quay, trục A quay quanh X, trục B quay quanh Y và trục C quay quanh Z.

5 các định nghĩa trên số trục của các máy CNC thông thường được thiết kế: máy tiện có trục X, Z; X, Z, C hoặc nếu có 2 bàn dao X, Z, U, W, C

1.2.2 Khảo sát tình hình chế tạo máy công cụ và máy tiện trong nước:

Trước năm 1996, Việt Nam chỉ có một số đơn vị sản xuất máy công cụ, chủ yếu theo mẫu của Liên Xô cũ, tập trung vào máy tiện vạn năng Đến năm 1996, lần đầu tiên xuất hiện máy điều khiển CNC tại Việt Nam, mặc dù chưa có chức năng thay dao tự động Hệ điều khiển CNC - Siemens SINUMERIK 810T từ Cộng hòa Liên bang Đức được sử dụng, nổi bật với độ tin cậy và hoạt động ổn định trong nhiều năm Máy này được chế tạo bởi Viện máy và dụng cụ công nghiệp, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc làm chủ công nghệ điều khiển CNC tại Việt Nam, mặc dù vẫn còn nhược điểm lớn là thiếu tính năng thay dao tự động.

Hình 1.3: Trung tâm phay CNC 5 trục đầu tiên được thiết kế và chế tạo tại VN – sản phẩm của đề tài KC.05.28/01-05 (2005-2006)

1.2.3 Đánh giá khả năng công nghệ trong nước liên quan đến chế tạo máy tiện CNC Để đánh giá khả năng chế tạo máy công cụ có thể chia thành 4 nhóm chính:

 Năng lực về thiết kế sản phẩm

 Năng lực về đầu tư trang thiết bị

 Năng lực về công nghệ chế tạo

 Năng lực về tin học và tự động hóa

1.2.3.1 Năng lực về thiết kế sản phẩm

Sản phẩm thiết kế máy công cụ hiện nay rất đa dạng, không chỉ giới hạn ở tính năng và mẫu mã, mà còn là sự kết hợp giữa năng lực thiết bị, công nghệ và khả năng điều khiển Để đánh giá khả năng thiết kế sản phẩm máy công cụ tại các viện và doanh nghiệp, cần xem xét năng lực thực sự về công nghệ, thiết bị và trình độ điều khiển.

1.2.3.2 Năng lực về đầu tư trang thiết bị

Máy công cụ đóng vai trò quan trọng trong việc chế tạo các máy móc và thiết bị khác, được xem là "máy cái" trong ngành công nghiệp Do đó, việc đầu tư vào trang thiết bị cho các nhà máy sản xuất máy công cụ thường đòi hỏi một khoản chi phí lớn và tốn kém.

1.2.3.3 Năng lực về công nghệ chế tạo

Máy công cụ đang được cải tiến liên tục để đáp ứng nhu cầu khắt khe của công nghệ gia công chi tiết máy Hiện tại, trong nước chưa có cơ sở nào đủ năng lực chế tạo hoàn chỉnh máy công cụ CNC Tuy nhiên, thông qua hợp tác và phát huy thế mạnh về trang thiết bị, công nghệ và nguồn nhân lực, chúng ta có khả năng thiết kế và chế tạo thành công máy công cụ CNC.

1.2.3.4 Năng lực về tin học và tự động hóa

CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHO ĐỀ TÀI “THIẾT KẾ - CHẾ TẠO MÁY TIỆN CNC MINI”

Hệ trục tọa độ trong máy tiện CNC

Các trục tọa độ của máy CNC giúp xác định hướng chuyển động của cơ cấu máy và dụng cụ cắt Chiều dương của các trục X, Y, Z được xác định theo quy tắc bàn tay phải, trong đó ngón tay cái chỉ chiều dương của trục X, ngón tay giữa chỉ chiều dương của trục Z, và ngón tay trỏ chỉ chiều dương của trục Y.

Hình 2.1: Hệ tọa độ theo quy tắc bàn tay phải

Quy tắc đối với máy tiện CNC

Trục Z của máy được định hướng song song với trục chính, với chiều dương (+Z) từ mâm cặp đến dụng cụ, luôn di chuyển ra khỏi bề mặt gia công Ngược lại, chiều âm của trục Z thể hiện quá trình ăn sâu vào vật liệu.

Trục X vuông góc với trục máy, có chiều dương hướng về phía đài dao, tức là nếu đài dao nằm ở phía trước trục chính, chiều dương của trục X sẽ hướng vào người điều khiển Ngược lại, nếu đài dao ở phía sau trục chính, chiều dương sẽ hướng ra xa khỏi người điều khiển Khi đài dao nằm ở phía đối diện hoặc cùng phía với người điều khiển, hướng của trục X cũng sẽ thay đổi tương ứng.

Hình 2.2: Các trục tọa độ trên máy tiện CNC

Trục Y được xác định sau khi các trục X,Z đã được xác định theo quy tắc bàn tay phải.

Các điểm gốc của phôi – các điểm chuẩn của máy

Các điểm chuẩn cần được xác định chính xác trong vùng làm việc của máy

2.2.1 Điểm gốc của máy M Điểm gốc tọa độ của máy M (machine reference zero) là điểm cố định do nhà chế tạo sáng lập ngay từ khi thiết kế máy Nó là điểm chuẩn để xác định các vị trí điểm khác như gốc tọa độ của chi tiết W

Hình 2.3: Ví dụ về các điểm gốc M, W, R Đối với máy tiện, điểm M thường được chọn là diểm giao của trục Z với mặt phẳng đầu trục chính

Trước khi bắt đầu lập trình, lập trình viên cần xác định điểm gốc W (Workpiece zero point) để làm cơ sở cho việc xác định các tọa độ trên đường bao của chi tiết Việc này đòi hỏi các kích thước trên bản vẽ gia công phải tương ứng với các giá trị tọa độ Hình 4.3 minh họa cách chọn điểm gốc W, có thể được xác định trong phạm vi không gian làm việc của máy và chi tiết gia công Để thay đổi điểm W trong quá trình lập trình, chúng ta sử dụng nhóm lệnh từ G54 đến G59 (hình 4.4).

2.2.3 Điểm gốc của chương trình P

Điểm P là vị trí an toàn mà dụng cụ cắt sẽ bắt đầu gia công, cách điểm W một khoảng cách hợp lý Việc chọn điểm P phù hợp giúp dễ dàng lắp đặt hoặc thay đổi chi tiết gia công và dụng cụ cắt Điểm này được xác định và khai báo ngay ở đầu chương trình (hình 2.5).

Hình 2.5: Điểm gốc chương trình P

Trong hệ thống máy do dịch chuyển, các giá trị đo thực sẽ bị mất khi xảy ra sự cố mất điện Để khôi phục hệ thống đo về trạng thái ban đầu, cần đưa dụng cụ đến điểm chuẩn R, cách điểm gốc của máy một khoảng nhất định Việc giám sát và điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của dụng cụ yêu cầu một hệ thống đo lường để xác định quãng đường thực tế so với tọa độ lập trình Trên máy CNC, các mốc được đặt để theo dõi tọa độ thực của dụng cụ, luôn so sánh với gốc đo lường M Khi khởi động máy, tất cả các trục phải chạy về điểm chuẩn R, với tọa độ không đổi theo quy định của nhà chế tạo Điểm chuẩn này được xác định chính xác từ trước thông qua cữ chặn và các công tắc giới hạn hành trình Độ chính xác cao của máy CNC (0,001mm cho hệ Metre và 0,0001 inch cho hệ Inch) yêu cầu khi di chuyển về điểm chuẩn, máy sẽ chạy nhanh đến gần vị trí, sau đó chuyển sang chế độ chạy chậm để định vị chính xác.

2.2.5 Điểm thay dụng cụ cắt N

Là điểm mà dụng cụ cắt sẽ ở đó trước khi thay đổi dụng cụ cắt khác, để tránh va chạm dụng cụ cắt vào chi tiết (hình 2.6)

Hình 2.6: Các điểm điều chỉnh dụng cụ cắt

Khi sử dụng nhiều dụng cụ cắt, kích thước của chúng cần được xác định trên thiết bị điều chỉnh Thông tin này sẽ được đưa vào hệ thống điều khiển để tự động điều chỉnh kích thước dụng cụ cắt.

Kết cấu cơ bản của một máy tiện CNC

Gồm 2 phần chính đó là:

 Phần cơ khí : đế máy, thân máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng

 Phần điều khiển : các loại động cơ, các loại hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm

2.3.1.1 Thân máy và đế máy :

Thưởng được chế tạo bằng gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép, có khả năng dập tắt dao động tốt, tính đúc cao

 Có đủ không gian định vị, lắp đặt các bộ phận khác

 Phải có độ cứng vững cao

 Phải có kết cấu chống rung động

 Có tính công nghệ cao

 Đảm bảo độ chính xác khi gia công

 Tạo sự ổn định và cân bằng cho máy

Cơ cấu tạo ra lực cắt chính đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và độ ổn định cao nhất, từ đó quyết định lớn đến biên độ chính xác gia công và chất lượng sản phẩm.

Hình 2.7: Cụm trục chính máy tiện

2.3.1.3 Trục vít me đai ốc bi : Ưu điểm của vít me đai ốc bi :

 Hệ số ma sát nhỏ, hiệu suất của bộ truyền lớn gần 0,9

 Lực phát động nhỏ (chỉ bằng 1/3 lực phát động của vít me đai ốc thường)

→ tăng tốc nhanh, đảo chiều tốc độ mạnh

 Khe hở nhỏ → độ chính xác truyền động cao

Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi :

Hình 2.8: Kết cấu bộ truyền vít me đai ốc bi

 Dạng profil răng và đai ốc

Khi bán kính của bi là r1 và bán kính của profil ren là r2, nên chọn r1 từ 0,95 đến 0,97 lần r2 Đối với profil hình nửa cung tròn, góc tiếp xúc của bộ truyền có thể đạt α = 60°, trong khi bộ truyền với góc tiếp xúc α = 45° sẽ có khe hở nhỏ nhất.

15 và có khả năng chế tạo với độ chính xác cao nhất

 Có nhiều dạng kết cấu hồi bi nhưng chúng ta có thể chia thành các dạng cơ bản sau :

Rãnh hồi bi kiểu ống cong là một thành phần phổ biến trong các bộ truyền, nơi mà người ta khoan lỗ tiếp tuyến với đường ren của đai ốc Để dẫn hướng cho bi vào ống hồi bi, có thể áp dụng hai phương pháp khác nhau.

 Miệng ống hồi bi tỳ trên mặt ren của vít me

 Dùng tấm dẫn hướng để đưa bi vào ống hồi bi

Hình 2.9: Rãnh hồi bi kiểu ống

Ổ tích dao là thiết bị quan trọng trong máy CNC, giúp lưu trữ nhiều dụng cụ gia công khác nhau Nhờ vào ổ tích dao, máy CNC có thể thực hiện liên tiếp nhiều nguyên công cắt gọt với các loại dao đa dạng, từ đó nâng cao tốc độ gia công và tính tự động hóa Có ba loại ổ tích dao chính.

Hình 2.10: Ổ tích dao trên máy CNC Ưu điểm:

 Rút ngắn được thời gian thay dao

 Tránh được lỗi và các rủi ro tai nạn

 Có khả năng tự động hóa cao

 Nhu cầu đầu tư bổ sung

 Tăng chi phí cho lắp đặt

 Cơ cấu thay dao tự động:

Ổ tích dao kết hợp với cơ cấu thay dao tự động giúp nâng cao độ chính xác và tốc độ trong quá trình thay dao, tăng cường tính tự động hóa Khi chuyển sang nguyên công cắt gọt khác, hệ thống sẽ tự động thay dao mà không cần dừng máy, theo chương trình đã được lập trình sẵn.

2.3.2.1 Một số loại động cơ Động cơ bước: Ưu điểm của động cơ bước là ở chỗ nó có khả năng điều khiển trực tiếp bằng mạch số Vỡ vậy, trong mạch ủiều khiển khụng cần mạch biến đổi số tương

17 tự (DAC) Và nó cũng không cần các chuyển mạch hoặc chổi than như động cơ một chiều (DC) điều khiển servo Động cơ bước có ba kiểu:

 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent motor)

 Động cơ bước có từ trở biến đổi VR(Variable Reluctance stepper motor)

 Động cơ bước kết hợp haidạng động cơ PM và VR gọi là động cơ lai (hybrid stepper motor)

Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước PM tương tự như động cơ đồng bộ ba pha Đối với động cơ servo, việc điều khiển máy công cụ NC/CNC yêu cầu hệ thống điều khiển phải có khả năng kiểm soát đồng thời cả tốc độ và vị trí Động cơ servo một chiều được sử dụng rộng rãi trong các máy công cụ điều khiển số.

2.3.2.2 Công tắc hành trình: Để xác định vị trí giới hạn chuyển động của các trục X, Y, Z thường sử dụng các công tắc hành trình Công tắc hành trình được dùng để tránh chuyển động tịnh tiến quá xa và có thể làm hư hỏng máy Máy vẫn có thể hoạt động nếu không sử dụng công tắc hành trình tuy nhiên chỉ cần một sơ suất nhỏ có thể phải trả một cái giá khá đắt

Mạch giao tiếp dùng để kết nối giữa máy tính PC và mạch điều khiển động cơ, các công tắc hành trình, nút dừng khẩn cấp…

Mạch này nên được sử dụng với các driver chính hãng để đảm bảo hiệu suất và độ an toàn Việc sử dụng driver tự làm có thể dẫn đến nguy cơ gặp sự cố với máy tính, do đó cần thận trọng trước khi áp dụng Đối với các driver tự làm, nên chọn mạch giao tiếp có cách ly để giảm thiểu rủi ro.

Hệ thống được mô tả trong Hình 2.11 bao gồm một máy tính chạy phần mềm NC để điều khiển các động cơ ổ đĩa Hộp điều khiển của hệ thống chứa nguồn điện, mạch giao tiếp và trình điều khiển động cơ, mặc dù nguồn điện không được hiển thị trong hình.

Máy tính có khả năng kết nối trực tiếp với các trình điều khiển, nhưng điều này tiềm ẩn nhiều rủi ro và hỏng hóc Do đó, việc sử dụng mạch giao tiếp là cần thiết để đảm bảo an toàn cho thiết bị hoạt động hiệu quả.

 Vị trí của mạch giao tiếp trong kết cấu máy CNC

Hệ thống máy CNC gồm 6 phần chính (Hình 2.12 ):

 Chương trình gia công (part program)

 Thiết bị đọc chương trình (program input device)

 Bộ điều khiển máy (MCU)

 Hệ thống truyền động (drive system)

 Máy công cụ (machine tool)

 Hệ thống phản hồi (feedback system)

Hình 2.12: Cấu trúc của máy CNC

Đối với máy gia công CNC, tất cả các quy trình như lập trình gia công, thiết bị đọc chương trình và bộ xử lý dữ liệu (DPU) đều được thực hiện thông qua máy tính.

Hình 2.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển theo chương trình số

Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị mã hóa nhằm điều khiển quá trình gia công chi tiết Hệ điều khiển sẽ chuyển đổi các chỉ thị này thành tín hiệu điện, kích hoạt các chức năng hoạt động của máy.

Hệ điều khiển máy thực hiện việc đọc và biên dịch mã lệnh, sau đó xuất tín hiệu điện tới bộ khuếch đại servo để điều khiển các động cơ điện hoặc động cơ thủy lực trong hệ thống truyền động Các cảm biến phản hồi thông tin về vị trí, chiều, và tốc độ dịch chuyển, gửi tín hiệu này về hệ điều khiển máy Hệ thống so sánh các tín hiệu nhận được với tín hiệu tham chiếu được định nghĩa trong mã lệnh điều khiển, từ đó xuất tín hiệu điều chỉnh tới bộ khuếch đại servo cho đến khi đạt được giá trị yêu cầu.

Hệ MCU gồm hai phần: hệ xử lý dữ liệu (Data Processing Unit - DPU) và mạch điều khiển (Control Loop Unit - CLU)

DPU thực hiện các chức năng:

- Đọc mã lệnh từ thiết bị nhập

- Xử lý mã lệnh hay giải mã

- Truyền dữ liệu vị trí, tốc độ và các chức năng phụ trợ tới CLU

CLU thực hiện các chức năng:

- Nội suy chuyển động trên cơ sở các tín hiệu nhận từ DPU và xuất các tín hiệu điều khiển

- Truyền tín hiệu điều khiển tới mạch khuếch đại của hệ truyền động

- Nhận tín hiệu phản hồi về vị trí và tốc độ

- Điều khiển các thiết bị phụ trợ

Hệ thống truyền động thông thường bao gồm các thành phần như bộ khuếch đại servo, cơ cấu servo, bộ truyền đai răng, đai ốc-vít me bi và bàn trượt, đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ chính xác và công suất của máy.

- Nhập dữ liệu vào bộ nhớ máy:

- các phương tiện đọc khác như đĩa, băng…

- trao đổi dữ liệu với các thiết bị lưu trữu bên ngoài

QUÁ TRÌNH THỰC HIỆN

Phương án thiết kế

Hình 3.1: Mô hình 3D thiết kế trên Creo 3.0

Tính toán phần cơ khí

3.2.1 Các thông số đầu vào:

Thông số công nghệ: Đường kính phôi lớn nhất 80mm

Chiều dài phôi lớn nhất có thể gia công 200m

Vật liệu có thể gia công nhôm có σb = 200÷300 Mpa

Chiều sâu cắt lớn nhất: t = 1mm

Bước tiến lớn nhất S = 0.35mm

Bước ren lớn nhất có thể cắt được p = 2

Kích thước khuôn khổ bàn máy 400×250mm

Kích thước tổng thể 800×400×240mm

Chiều dài hành trình chạy dao dọc: 200mm

Chiều dài hành trình chạy dao ngang: 120mm

Công suất động cơ trục chính 0.6 Kw

Số vòng quay tối đa của trục chính 1500 v/ phút

3.2.2 Tính toán mô hình lực cắt:

Các thông số công nghệ cơ bản:

Vật liệu gia công: nhôm có σb = 200÷300 Mpa

Tuổi bền trung bình của dao T = 45 phút

Vật liệu dao: thép gió

Lực cắt : Px,y ,z = 10.Cp.t x Sy V n Kp

Công suất chạy dao dọc: N = 𝑃 𝑥 𝑆

Sử dụng bảng tính excel ta có các bảng kết quả sau: t V D Pz N s Cv T m x y Kv m/p h m m n v/ph C p x y n K p (N) chin h P x Py

Bảng 3.1: Chế độ cắt khi tiện ngoài nhôm theo phương pháp tính toán theo công 6 thức trong STCNCTM 2

Kết quả tính toán cho thấy vận tốc cắt vượt quá mức cho phép, dẫn đến số vòng quay của trục chính quá cao Do đó, để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình gia công, chúng ta nên áp dụng phương pháp tra bảng để xác định tốc độ cắt phù hợp.

Bảng 3.2: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: t s

Bảng 3.3: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng:

Bảng 3.4: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: t s

Bảng 3.5: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng:

Qua kết quả khảo sát ta có chế độ cắt khắc nghiệt nhất là như bảng 4 hoặc bảng 5:

3.2.3 Tính toán công suất động cơ:

Biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến:

Ta - Momen xoắn cho chuyển động (Nmm)

𝐹 𝑏 = 𝐹 𝑏𝑚 +à 𝑊 (cho chuyển động ngang) l- Bước vít me

W – Khối lượng bàn + khối lượng bộ phận làm việc

Cho chuyển động ngược từ chuyển động tịnh tiến sang chuyển động quay:

Tc - Momen truyền ngược (Nmm) Momen cho động cơ

Tm - Momen xoắn của động cơ (Nmm)

Tb - Momen ma sát của bánh răng (Nmm)

Td - Momen xoắn của tải (Nmm)

-Gia tốc của quá trình:

Jα – Momen quán tính (Nmm/s 2 ) α- Gốc gia tốc α = 2𝜋.𝑁 60.𝑡 𝑑𝑖𝑓

Ndif – Số vòng bậc 2 – Số vòng bậc 1 ta – thời gian tăng gia tốc(giây)

3.2.4 Thiết kế bộ truyền đai thang

Các thông số cần thiết

Công suất động cơ: N1 = 1,5 (kW)

Momen trên trục bị dẫn:

T1 = 9,55.10 6 2000 1,5 = 7,1 (Nm) Chọn loại đai hình thang kiểu O góc φ = 34 0 , có các thông số sau:

Hình 3.2: Các thông số hình học chính của đai

Tỉ số truyền của đai: u = 𝑛 𝑛 1

Vậy đường kính bánh đai lớn là: d2 = u.d1 = 1,25.63 = 78,75 (mm)

Theo tiêu chuẩn chọn d2 = 80 (mm)

Với bộ truyền quay nhanh ta chọn hệ số 1,5

Chọn khoảng cách trục a = 220 (mm)

4.𝑎 = 399,8 (mm) Theo bảng 4.3 Thiết kệ hệ dẫn động cơ khí chọn L = 41

Kiểm nghiệm về điều kiện tuổi thọ

Với: i : Số lần cuốn của đai v : Vận tốc đai l: 2000mm=2m chiều dài đai

Kiểm nghiệm lại khoảng cách trục và chiều dài đai

Tính chính xác khoảng cách a:

Tính góc ôm  1 : Điều kiện  1 ≥ 120 0

Số đai z được xác định theo 4.16/trang 60:

* P1 = 1,7 kw công suất trên bánh dẫn

*   P 0 = 1,5 kw công suất cho phép (tra bảng 4.19/trang 62)

* kđ : hệ số tải trọng động (tra bảng 4.7/trang 55) Vì chế độ làm việc ngày 2 ca nên lấy trị số trong bảng tăng thêm 0,1 vậy kđ = 1,25 + 0,1=1,35

* c  = 0,977 hệ số kể đến ảnh hưởng của góc ôm (tra bảng 4.10/trang )

 c l = 0,955 hệ số kể đến ảnh hưởng chiều dài đai (tra bảng 4.16/ trang61) v ới u =3,2 c u =1,14 hệ số kể đến ảnh hưởng tỷ số truyền (tra bảng 4.17)

* c z =1 hệ số kể đến ảnh hưởng sự phân bố không điều tải trọng cho các dây đai (tra bảng 4.18)

* Fv = qm.v 2 lực căng do lực li tâm sinh ra (CT 4.20/trang 20)

Với tiết diện đai loại A → tra bảng 4.22/trang 22 → qm = 0,061 kg/m

Lực tác dụng lên trục Fr Theo CT 4.21/trang 64

3.2.5 Tính toán trục chính Đây là trục chính của máy tiện sử dụng điều khiển CNC hoặc PLC, thiết kế máy với mô hình nhỏ phù hợp với mô hình giảng dạy

Thép C45 ở độ cứng HRB 230–260, hay nhiệt luyện đến 35-42 HRC

Mô hình trục chính được chuyển đổi thành dầm siêu tĩnh với hai gối tựa và một mâm cặp, trong đó mâm cặp được xem như một ngàm Từ đó, ta xác định các thành phần phản lực và momen Myz tại ngàm.

Hình 3.3 minh họa sơ đồ lực tác dụng lên dầm, trong đó các lực cắt từ dao tác động lên chi tiết gia công được thể hiện rõ ràng Mâm cặp sử dụng trong quá trình này có đường kính D = 100mm.

3.2.5.1 Xác định lực cắt Để đảm bảo khi tính toán được kích thước của trục chính là tối ưu nhất, đảm bảo đủ điều kiện bền khi làm việc, và các kích thước là tối ưu thì ở đây ta phải tính toán ở độ cắt khắc nghiệt nhất, tức là: t = tmax (chiều sâu cắt lớn nhất)

S = Smax (lượng chạy dao lớn nhất) n = nmin (số vòng quay nhỏ nhất)

Qua kết quả khảo sát mô hình lực cắt la có lực cắt lớn nhất:

Và chọn công suất động cơ N = 1,5 Kw

Momen xoắn lực cắt gây ra: M = 9078(N.mm)

Xác định phản lực theo phương trục Z:

Ta có các phương trình cân bằng sau:

Xác định phản lực theo phương Y:

Ta có biểu đồ momen:

Hình 3.4: Biểu đồ momen trên trục chính

Theo biểu đồ momen, gối 1 là điểm nguy hiểm nhất trên trục chính, nơi mà momen uốn và momen xoắn tập trung nhiều nhất so với các điểm khác trên dầm.

Vì trục chính của máy tiện là trục rỗng nên đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm xác định bởi:

Vậy ta tính được đường kính trục tại tiết diện j ( gối thứ hai)

Tương tự ta tính được d2 = 14 (mm) Để đảm bảo khoảng hạ bậc và lỗ trong của trục chính nên chọn d2 = 25 (mm), D2 trong= 12 (mm) theo tiêu chuẩn

Vì vậy ta chọn d1 = 30 (mm)

3.2.5.2 Kiểm nghiệm độ bền trục theo độ bền mỏi:

Hệ số an toàn phải thỏa điều kiện: s   s  s  / s  2  s  2   s CT (10.19) Trong đó : s  : hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng suất pháp tại C

* σ-1 :giới hạn mỏi ứng với chu kì đối xứng

Thép Cacbon 45 có σb = 600 - 800(MPa) σ-1 = 0,436 σb = 0,436 600 = 261,6 (MPa)

*Theo công thức (10.22/trang 196) : σa = σmaxC = MC/WC

Theo bảng (10.6/trang 209) với trục có rãnh then :

Theo bảng (10.16), với dC = 55 mm, tra được then : b.h = 16x10 (mm) ; t1 = 6 (mm), t2=4,3

43 Đưa vào công thức (10.12/trang 196) :  a  16 , 3  MPa 

* K  d hệ số, xác định theo công thức (10.25/trang 197) :

+Theo bảng (10.11/trang 198),với kiểu lắp k6 và σb = 600 (MPa) có 3,25

Thay vào công thức (10.25/trang 197) :  

Thay các số liệu vừa tìm được vào công thức (10.20)/trang 195:

 s  : hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng tiếp tại C:

Theo bảng (10.11/trang 198), với kiểu lắp k6 và σb = 600 (MPa) có 2,35

Thay các giá trị vào (10.20/trang 195)

Kết luận: trục đạt yêu cầu về độ bền mỏi

3.2.5.3 Kiểm nghiệm trục về độ bền tĩnh :

Theo (10.27/trang 200), công thức kiểm nghiệm có dạng : σtđ =  2  3  2    

Xét tại tiết diện nguy hiểm C:

Mmax = My = 18345 (Nmm) ; Tmax = 9078 (Nmm)

Kết luận: trục đạt yêu cầu về độ bền tĩnh

3.2.6 Tính toán truyền động vít me – đai ốc bi trục Z

Khối lượng bàn máy: m = 15 kg

Vận tốc di chuyển tối đa: V1 = 20mm/s

Vận tốc di chuyển khi cắt: V2 = 10mm/s

Gia tốc tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 2mm/s2

Tốc độ vòng quay của động cơ: N = 1000 vòng/phút

Thời gian làm việc: 365 ngày, làm việc 2 ca, 1 ca 6 giờ, năm làm việc 3 năm Tổng thời gian sử dụng: 365.(2.6).3 = 13140(giờ)

Lựa chọn kiểu lắp trục vít:

Có 3 kiểu lắp trục vít thường được sử dụng là kiểu fixed – fixed, fixed – support, fixed – free

Kiểu lắp đặt fixed – fixed hai đầu vitme mang lại độ cứng vững cao và khả năng chịu tải trọng lớn, giúp giảm rung động của trục Z Tuy nhiên, cấu trúc này khá phức tạp và khó khăn trong quá trình lắp đặt.

Hình 3.5: Kiểu lắp vít me fixed – fixed

Kiểu fixed – support một đầu vít me với ổ bi gắn liền có độ cứng vững thấp hơn so với kiểu Fixed – fixed, đồng thời khả năng chịu tải ở mức trung bình.

Hình 3.6: Kiểu lắp vít me fixed – support

Kiểu lắp fixed – free một đầu vitme cho phép tự do di chuyển, có cấu trúc đơn giản và dễ dàng lắp đặt Kiểu này chịu tải trọng thấp tương tự như kiểu fixed – support, nhưng độ cứng vững lại thấp hơn so với kiểu fixed – fixed.

Đối với kết cấu bàn máy, do khoảng dịch chuyển và tải trọng lớn, chúng ta chọn kiểu lắp vít me fixed – fixed để đảm bảo độ ổn định và hiệu quả trong quá trình sử dụng.

Khi lựa chọn trục vít me, độ chính xác của vít me là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng làm việc Để xác định cấp độ chính xác, có thể tham khảo trong catalog của nhà sản xuất Nhóm đã chọn vít me bi của hãng THK với yêu cầu độ chính xác ±0,1/300mm, và cấp chính xác C7 đáp ứng được yêu cầu này.

Tính toán bước vít dựa vào công thức:

𝑁 𝑚𝑎𝑥 Trong đó Vmax là vận tốc lớn nhất (mm/s)

Nmax là tốc độ vòng quay lớn nhất (vòng/s)

Ta chọn bước ren 5mm Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn

𝐹 𝑎 = 𝜇 𝑊 𝑦 = 0,1.10.1 = 1𝑁 Tính toán lực dọc trục:

Lực dọc trục trung bình 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 𝐹 𝑎1 = 180𝑁

𝑓 𝑠 là hệ số bền tĩnh, đối với máy thông thường 𝑓 𝑠 = 1,2~2 chon 𝑓 𝑠 = 2

Fmax lực lớn nhất tác dụng lên vít me

Với bước ren l=5mm, số vòng quay danh nghĩa là Nm=V1/l33/5f,6 (vòng/phút)

𝑓 𝑤 là hệ số tải, trục z di chuyển với tốc độ v