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 Computerized Numerical Control, là công nghệ điều khiển máy móc bằng máy tính nhằm sản xuất các bộ phận kim khí phức tạp Công nghệ này sử dụng các chương trình được viết theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G Bộ não của máy CNC là một máy tính có công suất tính toán cao, khác với máy tính thông thường mà chúng ta sử dụng hàng ngày Hệ điều hành của máy CNC thường là Fanuc, Fargor hoặc Mazak, không phải Windows hay Mac.
Hình 1.1: Máy tính được gắn liền với máy CNC thành một khối 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 Sự xuất hiện của máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC) đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lĩnh vực cơ khí chế tạo, đưa ngành này vào kỷ nguyên sản xuất hiện đại.
Trước đây, máy cắt kim loại chỉ có khả năng thực hiện các đường cắt theo quy luật như đường thẳng, đường cong, hình tròn và hình elip Tuy nhiên, máy không thể thực hiện các chuyển động không theo quy luật để cắt kim loại theo các hình dạng phức tạp như đường gấp khúc hoặc trong không gian 2D và 3D.
Công nghệ CNC đã mang lại 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 thiết yếu cho các doanh nghiệp công nghiệp, vì nó không chỉ gia tăng lợi nhuận mà còn nâng cao khả năng tái sản xuất với những tính năng vượt trội mà máy công cụ truyền thống chưa 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 đang được cải tiến liên tục 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 được những kiến thức vững chắc và kinh nghiệm quý báu Để thu thập kinh nghiệm cần thiết, cần tìm hiểu xu thế của các nhà nghiên cứu và hãng chế tạo máy CNC trên thế giới, đặc biệt là về độ chính xác gia công Nhờ vào sự phát triển của thiết bị đo điện tử và bộ điều khiển CNC, độ chính xác gia công ngày càng được cải thiện và tiêu chuẩn hóa Đối với máy tiện CNC của các nước G7, độ chính xác gia công tối thiểu phải đạt + 0,001mm và độ chính xác lập lại là + 0,0025mm.
Tốc độ cắt gọt và năng suất gia công là yếu tố then chốt trong quá trình gia công Để nâng cao năng suất, cần chú trọng vào việc tối ưu hóa tốc độ cắt gọt trên máy trong từng giai đoạn của quy trình.
- Tốc độ quay trục chính:
Tốc độ di chuyển của bàn trượt được cải thiện đáng kể nhờ vào việc sử dụng các ổ đệm tuyến tính thay thế cho băng dẫn cứng kiểu V và đường trượt gang Các đường trượt bi tiêu chuẩn, được nối ghép cứng vào thân liền, giúp giảm hiện tượng kẹt và cháy bề mặt do ma sát lớn trong quá trình di chuyển nhanh Trong các hệ thống truyền động điện, động cơ AC-Servo với mô-men lớn và gia tốc cao cho phép máy CNC đạt tốc độ chạy từ 20-35m/phút, trong khi máy cắt laser có thể đạt 40m/phút Đối với phương pháp cắt gọt, tốc độ tiến dao khi phay có thể lên tới 10m/phút, nhờ vào việc sử dụng nhiều mâm cặp và dao, 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 phát sinh từ nhà sản xuất Các biện pháp nâng cao tuổi thọ máy được chú trọng, bao gồm việc sử dụng vật liệu đặc biệt cho các đường trượt như trượt bi và trượt động cơ tuyến tính, cùng với các loại vòng bi tự động bôi trơn Hệ thống kiểm tra tích cực trong quá trình làm việc giúp phát hiện sự cố kịp thời, trong khi các bộ điều khiển thông minh giảm thiểu lỗi do người sử dụng, từ đó gia tăng tuổi thọ cho máy.
Ngành chế tạo máy công cụ CNC đang phát triển mạnh mẽ với sự đa dạng về số lượng và chủng loại máy Sự phong phú này xuất phát từ nhu cầu thực tế trong công việc gia công cơ khí, thúc đẩy sự đổi mới và cải tiến trong lĩnh vực này.
Máy CNC hiện đại được tích hợp nhiều chức năng, giúp giảm số lần gá và tăng độ chính xác cho các chi tiết gia công Nhiều hãng chế tạo đã phát triển các loại máy CNC đa năng, cho phép thực hiện nhiều công đoạn trên cùng một thiết bị.
Bộ điều khiển CNC hiện đại ngày nay ngày càng đáng tin cậy và tích hợp nhiều chức năng tiên tiến, nhờ vào sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin Các bộ điều khiển này được thiết kế để đáp ứng nhu cầu thực tế trong công nghệ chế tạo máy, với khả năng điều khiển chính xác và nhanh chóng Những tính năng nổi bật bao gồm dễ sử dụng, bộ vi xử lý 32bit, khả năng thực hiện 1000 blocks/s, tương thích với bộ mã G-code chuẩn ISO, và bộ nhớ chương trình lên đến 256k.
Cơ cấu thay dao tự động đa dạng với việc bố trí sensor theo chiều cách, giúp mã hóa mỗi vị trí dao bằng các bit khác nhau, từ đó đơn giản hóa việc nhận biết và kiểm soát dụng cụ Các cơ cấu thay dao thông thường 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, các trục điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chuyển động của dao và phôi Các trục chuyển động thẳng được định nghĩa theo hệ tọa độ Đề các với ba trục chính: X, Y, Z Bên cạnh đó, các trục chuyển động song song tương ứng là U, V, W Trục quay quanh các trục chính được ký hiệu là A (quay quanh X), B (quay quanh Y) và C (quay quanh Z) Thông thường, máy tiện CNC được thiết kế với các trục như X, Z; hoặc X, Z, C; và trong trường hợp có hai bàn dao, các trục sẽ là 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 ít đơn vị sản xuất máy công cụ, chủ yếu theo mẫu của Liên Xô cũ, tập trung vào máy tiện vạn năng Đến khoảng năm 1996, các đơn vị bắt đầu sản xuất máy điều khiển CNC với hệ điều khiển Siemens SINUMERIK 810T từ Cộng hòa Liên bang Đức, nổi bật với độ tin cậy và hoạt động ổn định trong nhiều năm Máy CNC này được Viện máy và dụng cụ công nghiệp chế tạo, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc làm chủ kỹ thuật điều khiển CNC tại Việt Nam Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của máy là không có chức 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, trình độ 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 là thiết bị quan trọng trong quá trình chế tạo các máy móc khác, được xem như "máy cái" trong ngành công nghiệp Do đó, việc đầu tư vào trang thiết bị cho các nhà máy chế tạo máy công cụ 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 Mặc dù trong nước chưa có cơ sở nào đủ năng lực chế tạo hoàn chỉnh máy công cụ CNC, nhưng 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
Sự phát triển đồng bộ của ngành công nghiệp điện tử và công nghệ thông tin đã tạo ra những sản phẩm máy công cụ hiện đại, kết hợp chặt chẽ giữa cơ khí, tự động hóa và công nghệ thông tin Máy công cụ điều khiển CNC ngày càng trở nên tin cậy và hiện đại hơn, với các chức năng điều khiển phù hợp với công nghệ gia công chi tiết, đồng thời theo kịp sự phát triển của ngành chế tạo dụng cụ cắt gọt Năng lực tin học và tự động hóa tại Việt Nam cũng đang được nâng cao, với đội ngũ cán bộ đủ khả năng tiếp cận và phát triển phần mềm CNC quốc tế, đáp ứng yêu cầu thiết kế máy công cụ CNC nội địa.
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 xác định hướng chuyển động của các cơ cấu máy và dụng cụ cắt Chiều dương của các trục X, Y, Z được quy định theo quy tắc bàn tay phải: 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) kéo dài từ mâm cặp đến dụng cụ, luôn di chuyển ra khỏi bề mặt gia công Chiều âm của trục Z đại diện cho hướng ăn sâu vào vật liệu.
Trục X vuông góc với trục máy, có chiều dương hướng về đài dao, tức là hướng về phía dụng cụ cắt Nếu đài dao 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 đi xa khỏi người điều khiển Khi đài dao nằm ở phía đối diện người điều khiển, chiều dương của trục X sẽ thay đổi theo vị trí của đài dao.
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 lập trình, lập trình viên cần chọn điểm gốc W (Workpiece zero point) để xác định vị trí các điểm gốc trên đường bao của chi tiết Việc xác định điểm gốc này cần đảm bảo rằng các kích thước trên bản vẽ gia công tương ứng với các giá trị tọa độ Điểm W có thể được chọn trong phạm vi không gian làm việc của máy và chi tiết gia công, sử dụng nhóm lệnh từ G54 đến G59 để thay đổi điểm W trong quá trình viết chương trình.
W 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 lựa chọn điểm P cần đảm bảo cho việc gá lắp hoặc thay đổi chi tiết gia công và dụng cụ cắt diễn ra dễ dàng Điểm này được khai báo ở đầu chương trình (hình 2.5).
Trong hệ thống máy do dịch chuyển, các giá trị đo thực sẽ bị mất khi xảy ra sự cố mất điện, do đó cần đưa dụng cụ cắt về điểm chuẩn R Điểm chuẩn này có khoảng cách xác định so với điểm gốc của máy Để giám sát và điều chỉnh quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải có một hệ thống đo lường để xác định quãng đường thực tế so với tọa độ lập trình Trên các máy CNC, các mốc được đặt để theo dõi tọa độ thực của dụng cụ trong quá trình dịch chuyển, và vị trí của dụng cụ luôn được so sánh với gốc đo lường của máy M Khi bắt đầu đóng mạch điều khiển, tất cả các trục phải chạy về một điểm chuẩn mà giá trị tọa độ của nó so với điểm gốc M luôn không đổi, được quy định bởi nhà chế tạo Điểm chuẩn máy R được tính toán chính xác từ một cữ chặn lắp trên bàn trượt và các công tắc giới hạn hành trình Với độ chính xác cao của máy CNC (0,001mm cho hệ Metre và 0,0001 inch cho hệ Inch), khi dịch chuyển về điểm chuẩn, các trục sẽ chạy nhanh và chuyển sang chế độ chạy chậm khi gần đến vị trí 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, cần xác định kích thước của chúng 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 quá trình gia công, đòi hỏi độ chính xác và ổn định cao Điều này quyết định lớn đến biên độ chính xác gia công và chất lượng sản phẩm cuối cùng.
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 chọn bán kính cho bi và profil ren, cần đảm bảo rằng bán kính của bi (r1) bằng 0,95-0,97 lần bán kính của profil ren (r2) Đối với profil hình nửa cung tròn, góc tiếp xúc của bộ truyền thường là α = 60° Tuy nhiên, nếu sử dụng góc tiếp xúc α = 45°, bộ truyền sẽ có khe hở nhỏ nhất và 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 quan trọng trong các bộ truyền trên đai ốc, thường được sử dụng rộng rãi Để dẫn hướng cho bi vào ống hồi bi, có hai phương pháp chính có thể áp dụng, trong đó người ta khoan lỗ tiếp tuyến với đường ren để tối ưu hóa hiệu suất.
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 gia công CNC, giúp lưu trữ nhiều dụng cụ cần thiết cho quá trình cắt gọt Nhờ vào ổ tích dao, máy CNC có khả năng thực hiện liên tiếp nhiều nguyên công với các loại dao khác nhau, từ đó tăng tốc độ gia công và nâng cao tính tự động hóa Có ba loại ổ tích dao chính được sử dụng trong ngành công nghiệp.
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:
Hệ thống ổ tích dao và cơ cấu thay dao tự động giúp nâng cao tính chính xác và nhanh chóng trong việc thay dao, tăng cường tính tự động hóa trong quá trình gia công Khi cần chuyển sang nguyên công cắt gọt khác, máy sẽ tự động thay dao mà không cần dừng lại, 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 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 CNC/NC đòi hỏi hệ thống điều khiển phải có khả năng quản lý 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…
Khi sử dụng mạch này, nên kết hợp với các driver chính hãng để giảm thiểu rủi ro gặp sự cố với máy tính Nếu sử dụng driver tự làm, cần thận trọng vì nguy cơ sự cố khá cao Đối với driver tự làm, việc sử dụng mạch giao tiếp có cách ly là một lựa chọn an toàn hơn.
Hệ thống được mô tả trong Hình 2.11 bao gồm một máy tính với phần mềm NC điều khiển và 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.
Máy tính có khả năng kết nối trực tiếp với các trình điều khiển, nhưng điều này tiềm ẩn rủi ro và nguy cơ hỏng hóc cao Do đó, việc sử dụng mạch giao tiếp là cần thiết để đảm bảo an toàn cho máy 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
Lưu ý rằng trong máy gia công CNC, tất cả các quy trình như lập trình gia công, đọc chương trình và xử lý dữ liệu (DPU) đều được thực hiện thông qua máy tính.
Chương trình gia công bao gồm các chỉ thị mã hóa, giúp điều khiển quá trình gia công chi tiết Hệ thống điều khiển sẽ chuyển đổi những 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 đến bộ khuếch đại servo để điều khiển động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực trong hệ thống truyền động Các cảm biến như cảm biến vị trí, chiều và tốc độ dịch chuyển cung cấp phản hồi về hệ điều khiển máy Hệ thống này so sánh các tín hiệu nhận được với tín hiệu tham chiếu từ mã lệnh điều khiển và điều chỉnh các tín hiệu sai lệch gửi đến 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 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
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 =1020.60
Sử dụng bảng tính excel ta có các bảng kết quả sau: t s Cv T
Bảng 3.1: Chế độ cắt khi tiện ngoài nhôm theo phương pháp tính toán theo công thức trong
Kết quả tính toán cho thấy vận tốc cắt quá lớn, dẫn đến số vòng quay trục chính vượt quá giới hạn cho phép của động cơ Do đó, chúng ta cần áp dụng phương pháp tra bảng để xác định tốc độ cắt phù hợp trong quá trình gia công.
Bảng 3.2: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: t s V
Bảng 3.4: Bảng tính toán lực cắt, công suất cắt khi sử dụng lực cắt tra bảng: t s V
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:
T a - Momen xoắn cho chuyển động (Nmm).
= +à (cho chuyển động ngang). l- Bước vít me. à - Hệ số ma sỏt.
Cho chuyển động ngược từ chuyển động tịnh tiến sang chuyển động quay:
T m - Momen xoắn của động cơ (Nmm).
T b - Momen ma sát của bánh răng (Nmm).
T d - Momen xoắn của tải (Nmm).
-Gia tốc của quá trình:
J α – Momen quán tính (Nmm/s 2 ). α- Gốc gia tốc. α = 2 60.
N dif – Số vòng bậc 2 – Số vòng bậc 1. t a – thời gian tăng gia tốc(giây).
3.2.4 Thiết kế bộ truyền đai thang
Các thông số cần thiết
Công suất động cơ: N 1 = 1,5 (kW)
Momen trên trục bị dẫn:
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 = 2 1 = 1,25
Với bộ truyền quay nhanh ta chọn hệ số 1,5
Chọn khoảng cách trục a = 220 (mm)
Theo bảng 4.3 Thiết kệ hệ dẫn động cơ khí chọn L = 41
Kiểm nghiệm về điều kiện tuổi thọ
Kiểm nghiệm lại khoảng cách trục và chiều dài đai
Tính chính xác khoảng cách a:
Tính góc ôm α1 : Điều kiện α 1 ≥ 120 0
Số đai z được xác định theo 4.16/trang 60:
* k đ : 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. k đ = 1,25 + 0,1=1,35
* c α = 0,977 hệ số kể đến ảnh hưởng của góc ôm (tra bảng 4.10/trang )
0 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
* F v = q m 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 → q m = 0,061 kg/m.
Lực tác dụng lên trục F r 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.
Trục chính của mô hình được chuyển hóa thành dầm siêu tĩnh với hai gối tựa và một mâm cặp, trong đó mâm cặp được xem như một ngàm Từ đó, ta có thể xác định các thành phần phản lực và momen M yz tại ngàm.
Trong sơ đồ lực tác dụng, 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, giúp tăng cường hiệu quả gia công và đảm bảo độ chính xác cho sản phẩm.
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 = t max (chiều sâu cắt lớn nhất)
S = S max (lượng chạy dao lớn nhất) n = n min (số vòng quay nhỏ nhất)
Qua kết quả khảo sát mô hình lực cắt la có lực cắt lớn nhất:
P x 7,8 N , P y = 75,6 N , P z = 151,3 N 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 vị trí khác trên dầm.
Vì trục chính của máy tiện là trục rỗng nên đường kính trục tại tiết diện nguy hiểm xác định bởi: d = 3 j
Vậy ta tính được đường kính trục tại tiết diện j ( gối thứ hai) d j = 3
Tương tự ta tính được d 2 = 14 (mm) Để đảm bảo khoảng hạ bậc và lỗ trong của trục chính nên chọn d 2 = 25 (mm), D 2 trong= 12 (mm) theo tiêu chuẩn.
Vì vậy ta chọn d 1 = 30 (mm)
Hệ số an toàn phải thỏa điều kiện: s = s σ × s τ /
Trong đó : s σ : 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 σ b = 600 - 800(MPa) σ -1 = 0,436 σ b = 0,436 600 = 261,6 (MPa)
Theo bảng (10.6/trang 209) với trục có rãnh then :
42 Đưa vào công thức (10.12/trang 196) : δ a = 16,3 ( MPa )
* K σ 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 K δ
Thay vào công thức (10.25/trang 197) : K δ d = ( 3,25 +1 −1 )
1,625 2 Thay các số liệu vừa tìm được vào công thức (10.20)/trang 195:
s τ : hệ số an toàn chỉ xét riêng ứng tiếp tại C:
Theo bảng (10.11/trang 198), với kiểu lắp k 6 và σ b = 600 (MPa) có
Thay các giá trị vào (10.20/trang 195) s τ S = 9,6 > [ S ]=1,5 2,5
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 : σ tđ = σ 2 + 3τ 2 ≤ [σ ]
Xét tại tiết diện nguy hiểm C:
Kết luận: trục đạt yêu cầu về độ bền tĩnh.Vậy
3.2.6 Tính toán truyền động vít me – đai ốc bi trục
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 fixed – fixed hai đầu vít me được cố định mang lại độ cứng vững cao và khả năng chịu tải trọng lớn, giúp giảm rung động cho trục Z Tuy nhiên, lắp đặt kiểu này có cấu trúc phức tạp và khó khăn.
Hình 3.5: Kiểu lắp vít me fixed – fixed.
Kiểu fixed – support với một đầu vít me gắn ổ bi có độ cứng vững thấp hơn so với kiểu Fixed – fixed, dẫn đến khả năng chịu tải trung bình.
Hình 3.6: Kiểu lắp vít me fixed – support.
Kiểu lắp vitme fixed – free một đầu cho phép tự do di chuyển, có cấu trúc đơn giản và dễ dàng lắp đặt Tuy nhiên, kiểu này chỉ chịu được tải trọng thấp tương tự như kiểu fixed – support, và độ cứng vững kém hơn so với kiểu fixed – fixed.
Trong kết cấu bàn máy, do khoảng dịch chuyển lớn và tải trọng lớn đặt lên bàn, kiểu lắp vít me fixed – fixed được lựa chọn để đảm bảo tính 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, người dùng có thể tham khảo trong catalogue của nhà sản xuất Trong trường hợp này, nhóm sử dụng vít me bi của hãng THK, và với yêu cầu độ chính xác ±0,1/300mm, cấp chính xác C7 là lựa chọn phù hợp để đáp ứng yêu cầu.
Tính toán bước vít dựa vào công thức:
Trong đó V max là vận tốc lớn nhất (mm/s).
Ta chọn bước ren 5mm Điều kiện làm việc và các thông số được tính chọn
Tính toán lực dọc trục:
Lực dọc trục trung bình = 1 = 180
C 0 là tải trọng tĩnh. là hệ số bền tĩnh, đối với máy thông thường = 1,2~2 chon = 2.
F max 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) là hệ số tải, trục z di chuyển với tốc độ v
