Trong công nghiệp để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, độ bền cao, mẫu mã đẹp và đảm bảo tiêu chuẩn, phục vụ nhu cầu cuộc sống, phát triển kinh tế thì cần phải có hệ thống sản xuất tự động bao gồm nhiều loại máy móc công nghiệp hiện đại khác nhau. 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 và nhiều công cụ công nghiệp khác. 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. Bài viết này sẽ thảo luận hai loại máy phổ biến nhất trên thị trường hiện nay là máy tiện và máy phay. Sự tiến bộ trong máy tính và trí thông minh nhân tạo sẽ làm cho những chiếc máy CNC tương lai nhanh hơn và dễ vận hành hơn. Tất nhiên, giá của những chiếc máy như vậy chắc chắn sẽ không rẻ và có thể vượt quá tầm với của nhiều công ty. Tuy nhiên, nó sẽ đưa giá của những máy CNC cơ bản thực hiện những chuyển động 3 trục ban đầu xuống một mức độ nhất định. Các loại máy CNC sẽ có một tương lai bùng nổ mạnh mẽ. Một ý tưởng đang được phát triển là một chiếc máy có trục chính được treo lên bởi sáu thanh giằng vít me bi lồng vào nhau. Chuyển động của trục chính được điều khiển bởi một máy tính phức tạp có khả năng thực hiện hàng triệu phép tính để đảm bảo đường mức chi tiết chính xác. Đồ án này trình bày về quá trình tính toán thiết kế hệ thống dẫn hướng cho gia công dưới sự di chuyển của 2 trục chính X, Y. Nhiệm vụ chính: Tính chọn : Vít me bi ,cụm ổ đỡ , động cơ , ray dẫn hướng
PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT
TỔNG QUAN HỆ THỐNG
CNC, viết tắt của Computer Numerical Control, xuất hiện vào đầu thập niên 1970 khi máy tính được sử dụng để điều khiển máy công cụ thay thế cho NC (Numerical Control) Công nghệ CNC cho phép điều khiển máy móc bằng máy tính nhằm sản xuất các bộ phận kim loại hoặc vật liệu khác một cách lặp lại và chính xác Các chương trình điều khiển CNC được viết bằng mã G theo tiêu chuẩn EIA-274-D, giúp thực hiện các thao tác phức tạp trong quá trình sản xuất.
Vào đầu thập niên 1950, tại phòng thí nghiệm Servomechanism của MIT, các chương trình điều khiển số (NC) thường phải được mã hóa trên băng đục lỗ, gây ra nhiều bất tiện trong việc sửa chữa và hiệu chỉnh, cũng như hạn chế về dung lượng lưu trữ và truyền tải Hệ điều khiển CNC đã khắc phục những nhược điểm này bằng cách sử dụng bộ nhớ để đọc hàng ngàn bit thông tin, cho phép điều khiển máy móc một cách nhanh chóng và chính xác, đồng thời cải thiện khả năng giao tiếp và xử lý các quy trình.
Sự xuất hiện của máy CNC đã cách mạng hóa sản xuất công nghiệp, cho phép thực hiện các đường cong và cấu trúc phức tạp 3 chiều một cách dễ dàng Tự động hóa gia tăng giúp nâng cao độ chính xác và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu sai sót và giải phóng thời gian cho người thao tác Máy CNC cũng mang lại tính linh hoạt trong việc thao tác sản phẩm và thay đổi máy móc để sản xuất linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, các máy CNC kết hợp thành một cell để thực hiện nhiều thao tác trên một bộ phận Hiện nay, máy CNC được điều khiển trực tiếp từ bản vẽ qua phần mềm CAM, giúp chuyển đổi thiết kế sang sản xuất mà không cần bản vẽ in CNC có thể được xem như các phân đoạn của hệ thống robot công nghiệp, được thiết kế để thực hiện nhiều thao tác sản xuất trong giới hạn nhất định.
Các loại máy CNC phổ biến hiện nay là: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy khoan CNC, máy đột dập CNC.
1.1.2 Máy công cụ truyền thống và máy CNC
Dùng để gia công các bề mặt: mặt phẳng, mặt định hình…
Gia công các mặt rãnh: rãnh thẳng, rãnh nghiêng, rãnh xoắn…
Bảng 1.1 Sự khác nhau giữa máy CNC và máy công cụ
Tiêu chí so sánh Máy công cụ Máy điều khiển số
Vào chương trình Không có Từ bàn phím
Kẹp phôi Gá kẹp bằng tay Gá kẹp phôi tự động bằng
Pallet (phiến gá) Thay dao Thay dao bằng tay Thay dao tự động bằng cơ cấu dao Xác định chuẩn gia công Dùng phương pháp rà, gá đơn giản
Sử dụng thiết bị rà gá chuyên dụng giúp đạt độ chính xác cao, từ đó nâng cao hiệu quả công việc Để tối ưu hóa quá trình, cần điều chỉnh tốc độ trục chính phù hợp và sử dụng tay để điều chỉnh số vòng quay Thao tác này có thể thực hiện dễ dàng thông qua bàn phím, mang lại sự tiện lợi cho người sử dụng.
Di chuyển bàn máy Tay quay cơ khí Phím bấm điều khiển hoặc tay quay điện tử
So sánh giá trị thực và giá trị lý thuyết
Dùng mắt quan sát tại vị trí gia công, ước lượng giá trị khoảng cách hình học
Trên màn hình hiển thị vị trí đang gia công và khoảng cách đạt kích thước lý thuyết
Kiểm tra kích thước sản phẩm là bước quan trọng trong quy trình sản xuất, thường sử dụng thước cặp panme và đầu đo chuyên dụng Hiện nay, máy CNC đóng vai trò chủ yếu trong các dây chuyền sản xuất tại các phân xưởng và nhà máy quy mô lớn.
3 Ưu nhược điểm máy CNC Ưu điểm của máy CNC: so với các máy công cụ thường dùng, máy CNC có nhiều ưu việt hơn, thể hiện ở các điểm sau.
- Gia công được nhiều chi tiết phức tạp hơn.
- Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn.
- Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao hơn và giảm thời gian phụ.
- Tính linh hoạt cao hơn.
- Độ lớn loạt tối ưu nhỏ hơn.
- Chi phí kiểm tra giảm.
- Chi phí do phế phẩm giảm.
- Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất.
- Tăng năng lực sản xuất.
Nhược điểm: giá thành, cho phí bảo dưỡng sửa chữa cao; yêu cầu trình độ hiểu biết sâu về vận hành và bảo quản máy.
Hình 1 Máy tiện CNC Hình 2 Máy phay CNC
Gồm 2 phần chính đó là:
- Phần chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me, ổ tích dụng cụ, cụm trục chính và băng dẫn hướng.
- Phần điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.
Hình 3 Mô hình tổng quan của một máy CNC
Hình 4 Sơ đồ lưu thông tin trong máy công cụ điều khiển số
Bảng 1.2 Các cụm bộ phận của máy CNC
1 Thân máy và đế máy:
Bên trong thân máy chứa các bộ phận, hệ thống của máy Đế máy có tác dụng đỡ để tạo sự cân bằng, ổn định cho máy
Vì vậy, thân và đế phải có độ cứng vững cao, có giảm chấn Mục đích đảm bảo độ chính xác cho máy.
Là nơi gá đặt chi tiết, phải có độ cứng vững cao và được điều khiển chính xác để tạo được biên dạng cần thiết
Là nơi lắp dụng cụ cắt, chuyển động quay sinh ra lực cắt gọt.
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của máy.
5 Trục vít me, đai ốc:
Có công dụng dẫn động từ động cơ để tạo chuyển động cho máy.
Chứa nhiều dao khác nhau phù hợp với từng quá trình gia công.
THÔNG SỐ/ YÊU CẦU KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG
1.2.1 Thân máy và đế máy
Các chi tiết gang thường được sản xuất với độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép Sau khi đúc, tất cả sản phẩm đều trải qua quá trình kiểm tra để đảm bảo không có khuyết tật nào.
Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều các hệ thống khác.
- Phải có độ cứng vững cao.
- Phải có các thiết bị chống rung động.
- Phải có độ ổn định nhiệt.
Bàn máy là thiết bị quan trọng trong gia công CNC, giúp gá đặt chi tiết và đồ gá một cách chính xác Sự chuyển động linh hoạt của bàn máy nâng cao khả năng gia công, cho phép xử lý các chi tiết có biên dạng phức tạp Hầu hết các máy CNC và trung tâm gia công hiện đại đều sử dụng bàn máy xoay, tăng cường tính vạn năng và hiệu suất làm việc của máy.
- Phải có độ ổn định, cứng vững.
- Điều khiển được chuyển động một cách chính xác.
Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để gọt phôi trong quá trình gia công.
Yêu cầu: tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao
Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của bàn máy theo trục X, Y và chuyển động theo trục Z của trục chính.
1.2.5 Trục vít me đai ốc bi
Vít me bao gồm các thành phần như đai ốc và bi, trong đó các viên bi thép lăn trong rãnh giữa trục vít me và đai ốc Khi vít me quay, các viên bi di chuyển nhờ ống lệch hướng vào hệ thống hồi bi của đai ốc, liên tục tiến về phía cuối đai ốc Tại đây, các viên bi thoát ra khỏi hệ thống hồi bi và tiếp tục lăn trong rãnh giữa đai ốc và vít me Quá trình này diễn ra liên tục, giúp vít me hoạt động một cách trơn tru.
Ổ tích dao là thiết bị quan trọng trong máy CNC, cho phép lưu trữ nhiều loại dao cắt khác nhau phục vụ cho quá trình gia công Nhờ vào ổ tích dao, máy CNC có khả năng thực hiện liên tiếp nhiều nguyên công cắt gọt, từ đó nâng cao tốc độ gia công và tăng cường tính tự động hóa trong sản xuất.
Bảng 1.3 Ba dạng chính của ổ dụng cụ CNC
Dạng xích Dạng đĩa Dạng sao
Từng cơ cấu chấp hành của máy CNC đều dùng những nguồn động lực riêng biệt. Loại cơ bản:
- Động cơ tạo tốc độ cắt gọt.
- Động cơ tạo tốc độ dịch chuyển.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ RAY DẪN HƯỚNG
Các thông số tính toán:
- Vị trí lắp đặt (ngang, dọc, nghiêng…)
- Độ lớn, hướng, vị trí của tần số cưỡng bức trong sử dụng
Xác định điều kiện hoạt động Thay đổi loại ray dẫn hướng
Xác định phương pháp gá đặt Xác định độ cứng của khu vực gá đặt
Chọn loại và kích thước phù hợp
(Nếu dùng vít me bi, kích thước ray dẫn hướng phải giống đường kính trục vít)
Xác đinh độ chính xác Xác định độ cứng
So sánh tuổi thọ danh nghĩa với yêu cầu
Sử dụng phương tình tuổi thọ để tính Tính toán tuổi thọ danh nghĩa
Tính trung bình khi tải có dao động trong quá trình hoạt động
Tính toán tải trung bình
Kiểm nghiệm hệ số an toàn
Hệ số an toàn xác định bảng tải tĩnh cơ bản và tải tương đưuong tối đa Tính toán hệ số an toàn
Chuyển đổi tải tác dụng lên ray dẫn hướng thành tải tương đương
Tính toán tải trọng áp dụng
Tính tải trọng tác dụng lên mỗi ray Tính tải tương đương
Thay đổi loại và kích thước
Khi lựa chọn đối tượng cho hệ thống ray dẫn hướng, cần chú trọng đến khả năng chịu tải và tuổi thọ sử dụng Để kiểm tra khả năng chịu tải tĩnh, có thể đánh giá qua tải trọng cơ bản (C0) nhằm xác định hệ số an toàn tĩnh Tuổi thọ sử dụng được tính toán dựa trên tuổi thọ danh nghĩa từ bảng tải trọng động cơ bản Đặc biệt, khi đường lăn và các bi chịu ứng suất có chu kỳ, tuổi thọ của ray dẫn hướng được xác định bằng tổng quãng đường di chuyển cho đến khi xảy ra hiện tượng bong tróc.
Khả năng tải tĩnh C0 là tải trọng tĩnh tại vùng tiếp xíc với ứng suất lớn nhất, trong đó tổng biến dạng dư không vượt quá 0.0001 lần đường kính con lăn Việc kiểm soát biến dạng là rất quan trọng, vì nếu vượt quá giá trị cho phép, sẽ gây cản trở cho chuyển động của hệ thống.
Khi mômen tác động lên ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn sẽ chịu áp lực lớn nhất giữa các áp lực phân bố Mômen tĩnh M0 tạo ra vùng tiếp xúc có ứng suất lớn nhất với biến dạng dư 0.0001 đường kính con lăn Trong hệ thống ray dẫn hướng, mômen tĩnh cho phép được xác định theo ba phương MP, MY, MR như hình dưới.
Hình 5 Mômen tĩnh cho phép
3 Hệ số an toàn tĩnh ( f S )
Trong quá trình nghỉ hoặc di chuyển, ray dẫn hướng có thể chịu tác động của rung động, va chạm và quán tính khi khởi động hoặc dừng máy, dẫn đến việc xuất hiện các ngoại lực không mong muốn Do đó, việc xem xét hệ số an toàn là rất quan trọng Hệ số an toàn tĩnh (fS) được xác định là tỷ lệ giữa tải trọng tĩnh cơ bản và tải trọng làm việc tính toán, với công thức fS = C0.
M fS: Hệ số an toàn tĩnh
C0: Tải trọng tĩnh cơ bản (N)
P: Tải trọng làm việc tính toán (N)
Bảng 2.1 Bảng hệ số an toàn dựa trên loại máy
Loại máy Điều kiện tải fS (giới hạn thấp nhất)
Máy móc công nghiệp Tải bình thường 1.0 ~ 1.3
Có va chạm và rung động 2.0 ~ 3.0
Máy công cụ Tải bình thường 1.0 ~ 1.5
Có va chạm và rung động 2.5 ~ 7.0
Tuổi thọ sử dụng của ray dẫn hướng, ngay cả khi sản xuất giống hệt nhau và trong cùng điều kiện, có thể khác nhau, vì vậy nó được coi là một chỉ số quan trọng Tuổi thọ danh nghĩa (L) được định nghĩa là tổng quãng đường mà 90% ray dẫn hướng trong cùng nhóm hoạt động mà không bị bong tróc Khả năng tải động cơ bản (C) là tải trọng theo hướng nhất định khi một nhóm ray dẫn hướng hoạt động trong cùng điều kiện Đối với ray dẫn hướng có thành phần lăn là bi, tuổi thọ danh nghĩa là 50km, trong khi với thành phần lăn là trục lăn, tuổi thọ danh nghĩa đạt 100km.
5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa (L)
Tuổi thọ danh nghĩa của ray dẫn hướng phụ thuộc vào tải trọng làm việc thực tế và có thể được tính toán dựa trên khả năng tải động Hệ số môi trường như độ cứng vững của đường ray, nhiệt độ môi trường và điều kiện chuyển động ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của hệ thống ray Do đó, các thông số này cần được xem xét trong tính toán tuổi bền danh nghĩa, với công thức tính toán tương ứng cho từng loại xích bi và xích cuộn.
L: tuổi thọ danh nghĩa (km)
P: tải trọng làm việc (N) fH: hệ số độ cứng fT: hệ số nhiệt fW: hệ số tải
Hệ số độ cứng ( f H ) Để đạt được khả năng tải tối đa, độ cứng của ray dẫn hướng phải ở khoảng 58 ~
Độ cứng của ray dẫn hướng phải đạt ít nhất 64 HRC để đảm bảo tuổi thọ tối ưu Nếu độ cứng thấp hơn mức này, tuổi thọ sẽ giảm đáng kể Do đó, khả năng tải tĩnh và tải động cần được điều chỉnh bằng cách nhân thêm hệ số độ cứng theo biểu đồ tương ứng Ray dẫn hướng của PMI có độ cứng trong khoảng 58 đến 64 HRC, do đó hệ số fH được chọn là 1.0.
Hình 6 Hệ số độ cứng
Mặc dù tải trọng làm việc của ray dẫn hướng đã được tính toán, nhưng tải trọng thực tế thường cao hơn do ảnh hưởng của rung động và va đập trong quá trình máy hoạt động Rung động xảy ra khi máy vận hành ở tốc độ cao, trong khi va đập xuất hiện khi máy khởi động và dừng lại Do đó, cần xem xét hệ số tải trọng theo bảng quy định.
Bảng 2.2 Hệ số tải trọng Điều kiện chuyển động Tốc độ làm việc fW
Không rung động & va đập V ≤15 m/ ph 1.0 ~ 1.2
Rung động & va đập nhẹ 15H271 ≈ 48 KN
Bảng 2.11 Thông số cơ học của module dẫn hướng MSA của hãng PMI
Dựa vào bảng trên ta chọn model MSA 30A cho ray dẫn hướng bàn X
Ta chọn model MSA 35A cho ray dẫn hướng bàn Y.
Tính toán tuổi thọ danh nghĩa Ln
Chọn hệ số tải trọng f W =1.2
Bảng 2.12 Tuổi thọ danh nghĩa của bàn máy X,Y
Lực Bàn X Bàn Y Đơn vị
Ta nhận thấy 2 modlue dẫn hướng đáp ứng tuổi thọ danh nghĩa.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CỤM VÍT ME ĐAI ỐC BI
Trong quá trình lựa chọn hãng để tính toán và thiết kế sản phẩm, tôi quyết định chọn hãng PMI Hãng này cung cấp các giải pháp đáng tin cậy và hiệu quả, phù hợp với nhu cầu thiết kế của tôi.
1 Tính tải trọng dọc trục
Hình 11 Tải trọng đặt lên trục vít me
Trong điều kiện làm việc theo phương ngang (sang phải hoặc trái) để vận chuyển phôi, tải trọng dọc trục (Fa) có thể xác định quá công thức sau:
Công thức F a 1 = μ × mg + f + ma mô tả mối quan hệ giữa lực, gia tốc và các yếu tố khác trong hệ thống Trong đó, a là gia tốc được tính bằng a = V max / t, với V max là vận tốc tối đa và t là thời gian chạy Tổng trọng lượng, bao gồm bàn máy và phôi, được ký hiệu là m Hệ số ma sát trượt bề mặt được ký hiệu là μ, trong khi f là lực cản không tải trong điều kiện đẳng tốc.
Dù trục vít được sử dụng đúng cách, nó vẫn sẽ bị mòn và không thể hoạt động lâu hơn thời gian dự kiến Tuổi thọ của trục vít được xác định từ lúc bắt đầu sử dụng cho đến khi hỏng hóc Có hai khái niệm quan trọng về tuổi thọ: tuổi thọ làm việc, là khoảng thời gian cho đến khi bề mặt bi xảy ra bong tróc hoặc xuất hiện rãnh sâu, và tuổi thọ độ chính xác, là thời gian mà độ chính xác của trục vít giảm do mài mòn bề mặt.
2.1 Tải trọng động cơ bản Ca
Tải trọng động (Ca) của trục vít được sử dụng để tính toán tuổi thọ mỏi khi trục vít làm việc dưới tải.
Tính toán tuổi thọ: 3 đặc trưng thể hiện tuổi thọ mỏi
Tổng số vòng quay: L= ( Fa × f Ca W ) 3 × 10 6 Trong đó: L : tuổi thọ mỏi (theo tổng số vòng quay)
L t : tuổi thọ mỏi (theo thời gian hoạt động)
L S : tuổi thọ mỏi (theo hành trình)
Ca: tải trọng động cơ bản
Fa: tải trọng dọc trục n: tốc độ quay l: bước ren f W : hệ số tải trọng (bảng dưới)
Tổng thời gian hoạt động: L t = L
Bảng 2.13 Hệ số tải trọng dựa trên rung động và va chạm
Rung động và va chạm Vận tốc ( V ) f W
Nhẹ V
