TỔNG QUAN VỀ LÃNH VỰC NGHIÊN CỨU
Ngoài nước
Máy gia công 5 trục được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và chế tạo máy, đặc biệt trong ngành hàng không, động cơ đốt trong và ô tô Với khả năng điều khiển đồng thời nhiều trục chuyển động, máy gia công 5 trục không chỉ đạt hiệu suất cao mà còn đang được phát triển cho nhiều lĩnh vực khác như thiết bị công nghiệp nặng, khuôn mẫu, y sinh, dầu khí và dệt may.
Theo phân tích của Technavio, thị trường trung tâm gia công 5 trục toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng ổn định với tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) gần 7% trong giai đoạn dự báo Nhu cầu ngày càng cao đối với máy đa lĩnh vực sẽ thúc đẩy sự phát triển của thị trường CNC 5 trục đến cuối năm 2021 Sự chuyển đổi từ máy truyền thống sang trung tâm gia công CNC 5 trục đang diễn ra mạnh mẽ, nhờ khả năng tích hợp nhiều quy trình gia công như phay, khoan, vạt mặt và tiện trong một thiết bị duy nhất, giúp tăng năng suất và giảm thời gian gia công Các phương pháp gia công tiện ren, rãnh và móc lỗ cũng được tích hợp, giảm thiểu việc gá đặt chi tiết nhiều lần Tính năng tích hợp các công cụ tiện sẽ tiếp tục thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ máy truyền thống trong những năm tới.
Về mặt địa lý, Châu Á - Thái Bình Dương (APAC) chiếm đa số thị phần trong năm
Thị trường sẽ tiếp tục phát triển mạnh mẽ trong bốn năm tới, đặc biệt là từ năm 2016 Sự tăng trưởng này chủ yếu được thúc đẩy bởi sự phát triển công nghiệp nhanh chóng tại các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Indonesia và Đài Loan.
Hình 1.1 Thị trường trung tâm gia công 5 trục toàn cầu (2017 - 2021)
Trong bối cảnh hiện nay, gia công 5 trục đang trở thành lựa chọn hấp dẫn cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ Để mở rộng thị trường này, các nhà sản xuất máy công cụ lớn như DMG Mori, Mazak, Hass Automation và Okuma đã phát triển và giới thiệu nhiều trung tâm gia công 5 trục Đồng thời, họ cũng cung cấp các giải pháp và phần mềm CAD/CAM-CNC chuyên dụng cho gia công 5 trục, bao gồm Mastercam, BobCAD-CAM, Hypermill, Powermill và Vericut.
Trong nước
Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa ở Việt Nam gắn liền với sự phát triển của ngành cơ khí chế tạo máy Nhiệm vụ chính là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo các máy công cụ với khả năng điều khiển linh hoạt và tối ưu, nhằm nâng cao năng suất và cải thiện độ chính xác trong sản xuất.
Ngành cơ khí chế tạo máy tại Việt Nam chủ yếu sản xuất các máy vạn năng phổ thông với cấu trúc truyền thống, điều này cho thấy sự cần thiết phải đổi mới công nghệ Việc nhập khẩu máy công cụ CNC mặc dù mang lại một số lợi ích nhưng cũng gặp nhiều bất cập như giá thành cao, bảo trì phức tạp, và khó khăn trong việc phát triển kinh tế nội sinh Do đó, việc làm chủ công nghệ và nghiên cứu phát triển máy công cụ CNC 5 trục là vô cùng cấp thiết để nâng cao năng lực cạnh tranh và đáp ứng nhu cầu quốc phòng.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Hoàn thiện một mô hình máy phay CNC 5 trục
Máy có giá thành hợp lí
Công nghệ gia công 5 trục đồng thời.
CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Cách tiếp cận
Một mô hình máy được xây dựng dựa trên cơ sở kế thừa thiết kế máy phay gỗ CNC
5 trục, mô hình thực tế 3 trục và cải tiến các khuyết điểm trong thiết kế đã được công bố
Tối ưu hóa thiết kế mô hình đã được xây dựng theo hàm mục tiêu đề ra
Hình 1.2 Mô hình máy thực tế ban đầu
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu, tham khảo lý thuyết
Phương pháp kế thừa các công trình nghiên cứu đã thực hiện
Phương pháp kiểm tra, đánh giá
Tính toán, thiết kế máy trên các phần mềm CAD/CAE
Lập trình, mô phỏng gia công trên các phần mềm CAD/CAM/CNC/CAE
CƠ SỞ LÍ THUYẾT
ĐIỀU KHIỂN SỐ, LÝ THUYẾT MÁY VÀ CÁC CÔNG CỤ CNC
Máy điều khiển số (NC machine) là sản phẩm tiêu biểu của ngành cơ điện tử, kết hợp giữa máy công cụ và hệ thống điều khiển số Máy công cụ, được hiểu là thiết bị có khả năng chế tạo ra các máy khác, đã trải qua sự cải tiến công nghệ từ máy công cụ thủ công sang máy công cụ NC, dẫn đến sự cải thiện rõ rệt về độ chính xác và tốc độ gia công.
Khi phát triển máy NC, mục tiêu chính là gia công các chi tiết phức tạp một cách chính xác, với bộ điều khiển số chủ yếu được sử dụng cho máy phay và máy doa Sự phổ biến của ứng dụng NC ngày càng tăng nhằm nâng cao năng suất, dẫn đến sự phát triển của nhiều loại máy NC khác như máy tiện, trung tâm gia công và máy khoan/tarô Đặc biệt, ứng dụng NC còn được mở rộng sang các máy công cụ không truyền thống như máy cắt dây EDM, máy cắt laser và máy in 3D.
Việc tự động hóa nhà máy hiện nay đang diễn ra mạnh mẽ với sự hỗ trợ của công nghệ máy NC, cho phép xây dựng các hệ thống tự động hóa linh hoạt (FA) và hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) Công nghệ này kết nối các máy với thiết bị sản xuất như robot, xe tự hành (AGV), kho tự động và máy tính Hệ thống NC không chỉ áp dụng cho máy công cụ mà còn cho tất cả các máy cần chuyển động bằng hệ thống servo, bao gồm máy cắt gọt, khí cụ vẽ, máy gia công gỗ, máy đo tọa độ (CMM) và máy thêu dệt NC được xem là công nghệ cơ bản cho việc tự động hóa nhà máy.
1.1.2 Hệ thống dẫn động CNC
Hệ thống mà biến đổi các lệnh từ NC đến chuyển động của máy được thể hiện ở Hình
1.1a Hình 1.1b mô tả cơ cấu dẫn động bằng servo bao gồm một động cơ servo và một thiết bị truyền công suất Servo, có từ gốc theo Latin là “servue”, là thiết bị thực hiện chính xác với lệnh được đưa ra Lệnh từ NC làm cho động cơ servo quay, chuyển động quay của servo được truyền đến vít-me bi thông qua một khớp nối, sự quay của vít-me bi được biến đổi thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc bi, và cuối cùng bàn máy với chi tiết di chuyển tuyến tính Tóm lại, cơ cấu dẫn động bằng servo điều khiển vận tốc và mômen xoắn của bàn máy thông qua thiết bị driver cho servo của từng trục dựa trên các lệnh vận tốc từ NC Gần đây,
PMSMs (Permanent Magnet Synchronous Motors - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) được sử dụng như là động cơ servo trong máy công cụ
(a) Cơ cấu dẫn động bằng servo (b) Cơ cấu dẫn động bằng trục chính
Hình 1.3 Cơ cấu dẫn động của máy công cụ
Đơn vị trục chính bao gồm động cơ trục chính và thiết bị truyền công suất, trong đó sự quay của động cơ được truyền đến thân trục chính qua một đai Tỷ lệ vận tốc phụ thuộc vào kích cỡ puly giữa động cơ và thân trục chính Gần đây, động cơ cảm ứng đã trở thành lựa chọn phổ biến cho máy công cụ nhờ vào những ưu điểm vượt trội như không có chổi than, kích thước và trọng lượng nhỏ hơn, quán tính thấp hơn, hiệu suất cao hơn, tốc độ tối đa tốt hơn, và giảm thiểu nhu cầu bảo trì.
Một số máy công cụ sử dụng bánh răng để truyền công suất thay vì đai, nhưng phương pháp này không hiệu quả cho gia công cao tốc Gần đây, bộ truyền trực tiếp đã được áp dụng, cho phép động cơ trục chính và thân trục chính kết nối trực tiếp với thiết bị truyền công suất, giúp đạt tốc độ quay vượt quá 10.000 vòng/phút.
1.1.2.1 Phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính (Linear Movement Guide)
Vít-me bi là một thiết bị quan trọng trong việc di chuyển dụng cụ cắt hoặc bàn máy, chuyển đổi chuyển động quay của động cơ servo thành chuyển động tuyến tính Nó đóng vai trò then chốt trong hệ thống dẫn hướng di chuyển tuyến tính.
- LM) được sử dụng để làm tăng độ chính xác và sự mượt mà của di chuyển tuyến tính
Hình 1.4 Các phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính
Khớp nối mềm (Flexible coupling) là một thành phần quan trọng trong các bộ phận máy, kết nối trục động cơ servo với vít-me bi Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, các trục của động cơ servo và vít-me bi cần phải đồng tâm, nhưng trong thực tế, điều này thường khó đạt được Do đó, khớp nối mềm được thiết kế để chịu được sự lệch tâm quay, giúp việc kết nối giữa động cơ servo và vít-me bi trở nên dễ dàng hơn Hình 1.5 minh họa khớp nối mềm đáp ứng các yêu cầu này.
1.1.3 Vòng điều khiển CNC (CNC Control Loop)
Hệ thống vòng hở và kín là hai loại cơ bản trong điều khiển CNC Hệ thống vòng kín cho phép giao tiếp hai chiều giữa bộ điều khiển và động cơ, trong khi hệ thống vòng hở chỉ có giao tiếp một chiều Điều này ảnh hưởng đến quy trình điều khiển và hiệu suất của hệ thống.
Vòng điều khiển mở, khác với vòng điều khiển kín, không có khả năng hồi tiếp và thường được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao, đặc biệt khi sử dụng động cơ bước Thiết kế của vòng điều khiển hở đơn giản hơn vì không cần bộ dò và mạch hồi tiếp Độ chính xác của hệ thống dẫn động trực tiếp ảnh hưởng đến độ chính xác tổng thể, thông qua các thành phần như động cơ bước, vít-me bi và hệ thống truyền động.
Động cơ bước có khả năng khởi động hệ thống vòng hở, điều mà động cơ servo không thể thực hiện trong ứng dụng CNC Do không cần phần cứng hồi tiếp, động cơ bước giúp giảm chi phí xây dựng hệ thống CNC 5 trục một cách đáng kể.
1.1.4 Các thành phần của hệ thống CNC
Hệ thống CNC bao gồm ba thành phần chính: đơn vị NC, đơn vị động cơ và đơn vị driver Trong đó, đơn vị NC đóng vai trò cung cấp giao diện người dùng và thực hiện điều khiển vị trí Theo cách hiểu thông thường, hệ thống CNC chủ yếu được xác định bởi đơn vị NC Nội dung này sẽ tập trung vào cấu trúc và chức năng của các thành phần trong hệ thống CNC.
NC và không bao gồm đơn vị động cơ và driver
Hình 1.5 Cấu trúc của CNC
Xét về quan điểm chức năng, hệ thống CNC bao gồm bộ MMI, bộ NCK và bộ PLC,
Bộ MMI (Giao diện người và máy) đóng vai trò quan trọng trong việc kết nối giữa NC và người dùng, cho phép thực hiện các lệnh vận hành máy, hiển thị trạng thái máy, và cung cấp các chức năng chỉnh sửa chương trình gia công cũng như giao tiếp hiệu quả.
Kernel điều khiển số (Numerical Control Kernel) là thành phần quan trọng trong hệ thống CNC, có nhiệm vụ biên dịch chương trình gia công, thực hiện nội suy, điều khiển vị trí và bù trừ lỗi dựa trên chương trình đã biên dịch Bộ phận này cuối cùng điều khiển hệ thống servo để gia công chi tiết Trong khi đó, PLC (Programmable Logic Control) đảm nhiệm việc điều khiển tuần tự các hoạt động như thay dao, điều chỉnh tốc độ trục chính, thay phôi và xử lý tín hiệu vào/ra, góp phần điều khiển hành vi của máy bên cạnh chức năng điều khiển servo.
THIẾT KẾ KẾT CẤU 3 TRỤC ĐƠN GIẢN
1.2.1 Cơ sở tính toán thiết kế
Hình 1.6 Sơ đồ thiết kế 3 trục cơ bản
1.2.1.1 Phương pháp gia công phay
Phay là phương pháp gia công trong đó vật liệu được cắt gọt bằng dụng cụ cắt xoay quanh trục tâm Khác với khoan, dao phay không chỉ di chuyển tịnh tiến dọc theo trục tâm mà còn có khả năng di chuyển vuông góc với trục này.
(a) Phay mặt (b) Phay ngón (c) Phay đổ xuống
Hình 1.7 Phương pháp phay cơ bản a Phay mặt - Phay ngón (Face milling - End milling)
Công suất khi phay mặt - phay ngón: 𝑃 𝑒 = 𝜅 𝑃 𝐶 𝑄 𝑊 (kW) (1.1)
𝜅 𝑃 : Hằng số công suất cắt riêng (kW/cm 3 /s)
𝐶: Hệ số chạy dao ứng với hằng số công suất cắt riêng
𝑄: Lượng cắt gọt vật liệu (cm 3 /s)
𝑊: Hệ số hao mòn dụng cụ cắt
Trong đó, 𝐸 𝑏 : Hiệu suất của một cặp ổ bi
Công suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃 𝑆 = 𝑃 𝑒
𝐸 (kW) (1.3) Trong đó, 𝐸: Hiệu suất truyền
𝑉 𝑐 (N) (1.4) Trong đó, 𝑉 𝑐 : Vận tốc cắt (m/phút)
Tốc độ quay trục chính: 𝑛 = 𝑉 𝑐 ×1000
Lượng chạy dao / Bước tiến của bàn máy: 𝑣 𝑓 = 𝑓 𝑧 × 𝑧 × 𝑛 (mm/phút) (1.6) Trong đó,
𝑓 𝑧 : Lượng chạy dao răng (mm/răng)
𝑧: Số răng cắt của dụng cụ cắt
Lượng cắt gọt vật liệu: 𝑄 = 𝑎 𝑒 ×𝑎 𝑝 ×𝑣 𝑓
𝑎 𝑒 : Chiều sâu cắt hướng kính (mm)
𝑎 𝑝 : Chiều sâu cắt hướng trục (mm) b Phay đổ xuống (Plunge milling)
Lực ép xuống: 𝐹 𝑡ℎ = 0,05𝐾 𝑑 𝐹 𝑓 𝐹 𝑇 𝐵 𝑊 + 0,007𝐾 𝑑 𝐷 2 𝐽 𝑊 (N) (1.8) Trong đó,
𝐾 𝑑 : Hệ số vật liệu chi tiết
𝐹 𝑇 : Hệ số lực ép xuống ứng với đường kính mũi khoan
𝐵: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống
𝑊: Hệ số hao mòn dụng cụ cắt
𝐽: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống
𝐹 𝑀 : Hệ số mômen xoắn ứng với đường kính mũi khoan
𝐴: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với mômen xoắn
Công suất khi phay đổ xuống: 𝑃 𝑝 = 𝑀.𝑛
𝑛: Tốc độ quay trục chính (vòng/phút)
Công suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃 𝑆 = 𝑃 𝑝
1.2.1.2 Lựa chọn động cơ trục chính (Spindle)
Dựa trên các điểm cần xem xét khi lựa chọn động cơ trục chính cho máy:
Động cơ nên có tốc độ quay cao để cắt vật liệu dễ bể vụn như nhôm, gỗ…
Nên được làm mát bằng khí thay vì bằng nước để tránh các hiện tượng hóa học xảy ra khi gia công
Chiều sâu cắt và bề rộng phay nên được xác định
Đường kính của dụng cụ cắt
Khi lựa chọn công suất cho trục chính, cần căn cứ vào phương trình lực tiếp tuyến và lực dọc trục tác động lên chi tiết gia công Trong phương pháp phay đứng, lực tiếp tuyến và lực dọc trục phát sinh từ hai nguyên công phay đơn giản và phay đổ xuống.
1.2.1.3 Thiết kế thân đỡ trục chính
Thân đỡ cần thiết để duy trì trục chính trong khi tất cả các lực cắt đang hoạt động Do đó, việc lựa chọn và thiết kế thân đỡ phải được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo hiệu suất và độ bền.
Vật liệu của tấm đỡ
Số bulông cần thiết để giữ thân đỡ và trục chính
Bước ren của bulông và tai bulông so với cường độ chịu lực (xé) (bề dày của tấm đỡ)
Vật liệu của bulông và đai ốc
Tiêu chí thiết kế bulông dựa trên các loại lực tác động lên trục chính, như đã được nghiên cứu trong tài liệu [3].
Trường hợp 1: Khi cắt dọc trục Y (Tải tác động song song với trục bulông)
Hình 1.8 Sơ đồ lực khi cắt dọc trục Y
Lực quán tính: F iy = m asm1 a y (N) (1.12)
Trong đó, m asm1 : Khối lượng của Spindle và Bracket (kg) a y : Gia tốc của động cơ trục Y (m/s 2 )
Lực kéo trên mỗi Bu-long:
N b (N) (1.14) Trong đó, N b : Số lượng bu-long
Khoảng cách từ hàng Bu-long thứ i đến cạnh lật: L yi (m)
Độ lệch tâm của lực Py: e y (m)
Lực kéo trên mỗi Bu-long thứ i theo khuynh hướng lật của thân đỡ dưới tác dụng của tải Py và độ lệch tâm:
Hợp lực tác dụng lên mỗi Bu-long thứ i:
Lực kéo lớn nhất F y max được chọn từ phương trình (1.16)
Ứng suất kéo cho phép:
[σ t ] =σ yt fs (N/mm 2 ) (1.17) Trong đó, σ yt : Điểm tới hạn của ứng suất kéo Bu-long (N/mm 2 ) fs: Hệ số an toàn
Ứng suất kéo tính toán: σ cal = W mtb π
4 d c 2 (N/mm 2 )(1.18) Trong đó, d c : Đường kính chân ren (mm)
Khi điều kiện σ cal ≤ [σ t ] thõa mãn, Đường kính ngoài bu-lông là: d bolt = d c
Trường hợp 2: Khi cắt dọc trục X (Tải tác động lên mặt phẳng chứa bulông)
Hình 1.9 Sơ đồ lực tác dụng theo phương x
Lực quán tính: F ix = m asm1 a x (N) (1.20)
Trong đó, m asm1 : Khối lượng của Spindle và Bracket (kg) a x : Gia tốc của motor trục x (m/s 2 )
Lực cắt trên mỗi bu-lông thứ i:
N b (N) (1.22) Trong đó, N b : Số lượng Bu-long
Mô-men xoắn tạo bởi Wx và độ lệch tâm: M ex = W x e x (N m) (1.23) Trong đó, e x : Độ lệch tâm của Wx(m)
Khoảng cách của khối tâm G đén Bu-lông thứ i: L xi (m)
Lực cắt thứ cấp trên mỗi bu-lông thứ i:
Góc giữa lực cắt sơ cấp và thứ cấp (bu-lông) 1 và 3: α = 90° + θ (1.25) Trong đó, θ: Góc giữa L xi và phương ngang
Góc giữa lực cắt sơ cấp và thứ cấp (bu-lông) 2 và 4: β = 90° − θ (1.26)
Hợp lực cắt (trượt) tại bu-lông 1 và 3:
Hợp lực cắt (trượt) tại bu-lông 2 và 4:
Lực cắt lớn nhất sẽ được chọn từ phương trình (1.27) và (1.28)
Giới hạn bền cắt của vật liệu bu-lông: τ ys =σ yt
2 (N/mm 2 ) (1.29) Trong đó, σ yt : Giới hạn bền kéo của vật liệu bu-lông (N/mm 2 )
Ứng suất cắt cho phép:
[τ s ] =τ ys fs (N/mm 2 ) (1.30) Trong đó, fs: Hệ số an toàn
Ứng suất cắt tính toán: τ cal = R S π
4 d c 2 (N/m 2 ) (1.31) Trong đó, d c : Đường kính chân ren (mm)
Khi điều kiênh τ cal ≤ [τ s ] thỏa mãn, đường kính thân bu-lông là: d bolt = d c
Trường hợp 3 Khi cắt dọc trục Z thẳng đứng hướng xuống
(Tải cắt tác động vuông góc với bulông của thân đỡ)
Hình 1.10 Sơ đồ lực tác dụng theo phương Z
Lực quán tính: F iz = m asm1 (a z + g) (N) (1.33)
Trong đó, m asm1 : Khối lượng của cụm lắp trục Z-B-C (kg) a z : Gia tốc động cơ trục Z (m/s 2 ) g: Gia tốc trọng trường (m/s 2 )
Lực cắt (trượt) trực tiếp lên mỗi bu-lông:
Khoảng cách từ hàng bu-lông thứ I đến cạnh lật: L zi (m)
Mô-men xoắn tạo bởi lực Wz và độ lệch tâm: M ez = W z e z (Nm) (1.36)
Trong đó, e z : Độ lệch tâm của Wz (m)
Lực kéo trên mỗi bu-lông hàng thứ i tạo ra bởi mô-men xoắn và khoảng cách Lzi:
Tải kéo tương đương (Wte)
Tải cắt tương đương (Wse)
Ứng suất cắt của vật liệu bu-lông: τ ys =σ yt
Ứng suất cắt (trượt) cho phép bao gồm hệ số an toàn:
[τ s ] =τ ys fs (N/mm 2 ) (1.41) Trong đó: σ yt : Ứng suất kéo tới hạn của vật liệu bu-lông (N/mm 2 ) fs: Hệ số an toàn
Lực kéo tính toán: σ cal = W te π
4 d ct 2 (N/mm 2 ) (1.42) Trong đó, d ct : Đường kính chân ren (mm)
Ứng suất cắt tính toán (trượt): τ cal = W se π
Trong đó, d cs : Đường kính chân ren (slip) (mm)
Khi các điều kiện σ cal ≤ [σ t ] và τ cal ≤ [τ s ] được thỏa mãn, đường kính chính chân ren lớn nhất d c sẽ được xác định Đường kính thân bu-lông sẽ được tính theo công thức: d bolt = d c.
Trường hợp 4 Kiểm tra chống xé tấm đỡ
Tấm đỡ có thể bị xé do đường kính của bulông và bề dày của tấm đỡ
Ứng suất chịu lực cho phép của tấm đỡ: 𝜎𝑏𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑑 = 𝐹 𝑚
𝐹 𝑚 : Lực cắt tối đa theo tiếp tuyến và đổ xuống (N)
𝑑 𝑏 : Đường kính của bulông đã chọn từ ba trường hợp trên (m)
𝐵 𝑡 : Bề dày của tấm đỡ (m)
1.2.1.4 Lựa chọn vít-me bi
Vít-me bi là một bộ phận quan trọng trong máy công cụ, có chức năng chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ dẫn động thành chuyển động tịnh tiến trên ray trượt.
Vít-me chịu tác động từ lực ép xuống và lực dọc trục do tải trọng của chi tiết gia công, cùng với lực cắt, ma sát của ray trượt và lực quán tính.
Lực cắt (trượt) để vượt qua các lực này
Khi ứng suất không đồng nhất và có nhiều loại ứng suất tác động lên một bộ phận, ứng suất Von-mises sẽ được sử dụng để tính toán Ứng suất Von-mises tương đương bao gồm cả ứng suất dọc trục và ứng suất cắt, và trong trường hợp của vít-me bi, nó có thể được tính toán theo mối quan hệ cụ thể dưới đây.
Ứng suất dọc trục: σ axial = F a π × r b 2 (N/m 2 ) (1.46) Trong đó,
F a : Lực dọc trục trên trục vít-me bi (N)
20 r b : Đường kính chân ren của trục vit-me bi (m)
Ứng suất xoắn: τ torsional = 2 × T t π × r b 3 (N/m 2 ) (1.47) Trong đó, T t : Mô-men dẫn động tạo lực cắt (N.m)
Ứng suất tương đươngVon-mises : σ eq = √σ axial 2 + 3τ torsional 2 (N/m 2 ) (1.48) Công thức tính lực dọc trục và mô-men xoắn dẫn:
Lực dọc trục vít-me bi: a) Lực tác dụng dọc theo phương Z:
F a6 = (m × g) − F fR + (m × a) (N) (1.55) b) Lực tác dụng dọc theo phương X:
F a6 = (m × g) − F fR + (m × a) + F t (N) (1.61) c) Lực dọc trục tác dụng theo phương Y:
F a1 : Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước (N)
F a2 : Lực dọc trục chuyển động đề về phía trước (N)
F a3 : Lực dọc trung trong quá trình giảm tốc về phía trước (N)
F a4 : Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía sau (N)
F a5 : Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía sau ( N)
F a6 : Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc về phía sau (N) m: Khối lượng chuyển đổi (kg)
F fR : Lực cản bề mặt dẫn hướng (N)
F p : Lực đổ xuống (N) μ: Hệ số ma sát bề mặt dẫn hướng
Giá trị lực dọc trục lớn nhất được chọn ra từ 3 trường hợp trên
1.2.1.5 Lựa chọn động cơ dẫn động trục X,Y và Z
Hệ thống truyền động của bàn máy CNC, như mô tả trong Hình 1.10, bao gồm khối lượng tải M và lực tác động F lên bộ phận di động Động cơ servo điều khiển trục vít-me với bước ren PB và đường kính DB thông qua cặp bánh răng Z1, Z2 với tỉ số giảm tốc 1/i=Z1/Z2 Hệ thống này có hiệu suất truyền động cơ khí η và hệ số ma sát μ Đặc điểm nổi bật của nó là thời gian tăng tốc bằng với thời gian giảm tốc td và vận tốc tải lớn nhất đạt VL.
M (kg):khối lượng tải của bộ phận di động thẳng
Vl (m/ph): tốc độ tải
DB (m): đường kính trục vítme bi
LB (m): chiều dài trục vítme bi 1/i: tỉ số giảm tốc (i=Z2/Z1) η: hiệu suất truyền động cơ khí
Hình 1.10 Sơ đồ truyền động của hệ thống
Hình 1.11 Sơ đồ vận tốc và thời gian vận hành của hệ thống
VL: vận tốc tải ổn định ta: thời gian tăng tốc đến vận tốc VL td: thời gian giảm tốc
- Tốc độ vòng của trục động cơ NM:
- Mô-men xoắn tải TL:
- Mô-men quán tính tải JL:
Trong đó: JW là mô-men quán tính bộ phận di động thẳng
JG là mô-men của khớp nối
JB Mô-men quán tính của vít-me bi
MB (kg) khối lượng của vit-me bi ρ (kg/m 3 ) khối lượng riêng của vật liệu làm vit-me
- Thời gian tăng tốc nhỏ nhất:
JM là mômen quán tính của động cơ
TPM là mômen xoắn lớn nhất của động cơ
- Thời gian giảm tốc nhỏ nhất:
- Công suất vận hành tải P0 (W):
- Công suất gia tốc tải Pa (W) : a
1.2.1.6 Kết luận về phương pháp luận
Từ phương pháp luận đã được thảo luận trong chương này, quy trình thiết kế bao gồm những điều sau:
Lực cắt được tính theo vật liệu hợp kim nhôm cứng nhất và các thông số cắt
Công suất phù hợp của trục chính đang được chọn với thiết kế của thân đỡ để gá trục chính
Ảnh hưởng của độ lớn và chiều lực cắt sẽ chỉ được xem xét phân tích
Khi lựa chọn vít-me bi và động cơ cho các hệ thống truyền động khác nhau, cần xem xét đến gia tốc và mức độ ma sát của bề mặt dẫn hướng.
THIẾT KẾ CỤM TRỤC XOAY B-C
Hộp giảm tốc harmonic, được phát minh bởi C Walton Musser vào năm 1955, còn được gọi là hộp giảm tốc bánh răng sóng, là một sản phẩm độc đáo từ hãng Harmonic Drive Loại hộp giảm tốc này nổi bật với độ rơ cực kỳ nhỏ, gần như không có độ rơ, mang lại hiệu suất cao trong các ứng dụng cơ khí.
Các thiết bị này có độ phân giải cao (dưới 1 arcmin) và tỉ số truyền lớn (50, 100, 160 lần), trong khi kích thước lại rất nhỏ gọn Chúng được ứng dụng phổ biến trong kỹ thuật công nghiệp, đặc biệt là làm khớp vai trong hệ thống robot và các máy móc yêu cầu độ chính xác cao như máy CNC.
Bộ tạo sóng là một vòng bi mỏng hoạt động trên một tâm hình elip, đóng vai trò là bộ chuyển đổi mô-men xoắn hiệu suất cao, thường được lắp đặt vào đầu vào hoặc trục động cơ.
Bánh răng mềm là một chi tiết dạng cốc mỏng, có răng ở thành ngoài và được kết nối với Bộ tạo sóng, thường được sử dụng làm đầu ra cho hộp số.
Bánh răng mềm Bánh răng ngoài
Bánh răng ngoài là một vòng tròn cứng với các răng ăn khớp với bánh răng mềm, thường có số lượng răng nhiều hơn 2 so với bánh răng mềm Loại bánh răng này thường được gắn vào bích động cơ.
1.3.1.3 Một số kích thước cơ bản của hộp số Harmonic
Hình 1.12 Kích thước tiêu chuẩn CSG và CSF (Đơn vị: mm)
1.3.2 Hộp số hành tinh (Planetary Gearbox)
Trong các xe lắp hộp số tự động, bộ truyền bánh răng hành tinh điều khiển việc giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc
Bộ truyền bánh răng hành tinh gồm các bánh răng hành tinh, các li hợp và phanh
Bộ truyền bánh răng hành tinh trước và sau kết hợp với các li hợp và phanh, đóng vai trò quan trọng trong việc nối và ngắt công suất Những cụm bánh răng này cho phép chuyển đổi vị trí giữa phần sơ cấp và các phần tử cố định, từ đó tạo ra các tỷ số truyền bánh răng đa dạng và vị trí số trung gian.
Hình 1.13 Hộp số hành tinh (Planetary gearbox)
Bộ truyền bánh răng hành tinh bao gồm ba loại bánh răng: bánh răng bao, bánh răng hành tinh và bánh răng mặt trời Cần dẫn kết nối với trục trung tâm của mỗi bánh răng hành tinh, giúp chúng xoay quanh trục này.
Các bánh răng hành tinh được kết nối theo kiểu giống như các hành tinh quay xung quanh mặt trời, do đó chúng được gọi là bánh răng hành tinh.
Thông thường nhiều bánh răng hành tinh được phối hợp với nhau trong bộ truyền bánh răng hành tinh
Hình 1.14 Cấu tạo của hộp số hành tình
1.3.2.3 Một số kích thước cơ bản của hộp số hành tinh
Hình 1.15 Bản vẽ của 1 hộp số hành tinh
1.3.3 Tính toán, lựa chọn động cơ cho cụm trục xoay B-C
- Công suất cắt khi phay:
Kp: Hằng số công suất riêng W: Hệ số mòn dụng cụ cắt C: Hệ số chạy dao
Q: Lượng cắt gọt vật liệu (cm 3 /s)
𝜋 × 𝐷 (rpm) (3.3) Trong đó D đường kính dụng cụ cắt
𝑓 𝑧 : Lượng ăn dao răng (mm/tooth)
Hình 1.16 Sơ đồ động của cụm trục xoay B-C
- Lượng cắt gọt vật liệu:
60 × 1000 (cm 3 /s) (3.5) Trong đó, 𝑎 𝑒 : Chiều sâu cắt hướng kính (mm)
𝑎 𝑝 : Chiều sâu cắt hướng trục (mm)
- Vận tốc đầu ra của hộp số :
- Chu vi quĩ đạo chuyển động khi cắt gọt:
𝐶 𝑠𝑝𝑖𝑛 = 2𝜋 ℎ (𝑚𝑚) (3.8) Trong đó: h (mm): chiều dài từ tâm quay trục B đối với đỉnh dao
- Mô-ment do lực cắt tạo ra quanh trục quay B:
- Công suất trục ra của hộp số :
- Công suất trục động cơ:
THIẾT KẾ MÁY
XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY TÍNH (CAD)
2.1.1 Cơ sở thiết kế và xây dựng
Mô hình CAD được xây dựng dựa trên sơ đồ tuyền động và các bộ phận dẫn hướng Cụ thể như sau:
Các cụm trục chuyển động tịnh tiến X, Y, Z:
Ngoài ra, bộ phận dẫn hướng của X, Z là ray trượt và trục Y là ty trượt
2.1.2 Kế thừa mô hình thiết kế ban đầu
Mô hình thiết kế ban đầu đã có 03 trục cơ bản X, Y và Z hoạt động ổn định, nhưng khả năng cứng vững còn hạn chế Để cải thiện, đề tài sẽ thiết kế thêm 02 trục xoay B và C, đồng thời xem xét lại kết cấu của 03 trục cơ bản về phương diện tính toán thiết kế Hệ thống bao gồm động cơ bước, khớp nối mềm, bộ truyền vít me bi, và hộp số giảm tốc mômen xoắn cao với độ rơ thấp, nhằm tối ưu hóa hiệu suất của bộ phận làm việc.
Hình 2.1 Mô hình máy CNC 3 trục được kế thừa
Hình 2.2 Mô hình được cải tiến
Cụm trục X nằm ở phần trên cùng của máy, với thanh trượt được cố định trên khung máy Bộ truyền vít-me bi được lắp đặt giữa hai thanh trượt, trong khi hai ổ bi đỡ được gắn ở hai đầu khung máy để đảm bảo sự ổn định và chính xác trong quá trình vận hành.
Thông số của cụm trục X: Chiều dài trục vít-me 1185mm; Bước ren 5mm; Hành trình di chuyển cho phép 720mm; Động cơ dẫn động: Cỡ 86, 1.8°, 6A
Trục Y được lắp đặt ẩn dưới bàn máy, với hai thanh trượt được gắn chắc chắn vào bàn máy thông qua hai thanh thép hộp hàn Bàn máy được kết nối với con trượt bằng bốn tấm nhôm, sử dụng mối ghép bắt bulong đai ốc Vít-me được đặt ở giữa hai thanh trượt và được cố định bằng hai ổ đỡ ở hai đầu, gắn trên khung máy phía dưới.
Thông số của trục Y: vít-me dài 883mm, bước ren 10mm, hành trình cho phép chuyển động là 350mm Động cơ bước: 1.8°, 6A
Trục Z được thiết kế thẳng đứng và vuông góc với bàn máy, bao gồm bộ truyền động với vít-me, thanh trượt và con trượt được lắp kín bên trong Các chi tiết làm từ vật liệu nhôm được thiết kế để lắp ghép với trục X theo cấu trúc như hình vẽ, và được kết nối với nhau bằng bulong.
Thông số của trục Z: vít-me dài 883mm, bước ren 5mm, hành trình cho phép chuyển động là 350mm Động cơ bước: 1.8°, 3A
2.1.3 Thiết kế mô hình CAD trục xoay C
Trục C có chuyển động xoay quanh trục Z, được cố định trên phần chuyển động của trục Z Khi trục C quay kéo theo chuyển động của trục B
Trục C được điều khiển bởi động cơ bước kích thước 86 thông qua hộp số bánh răng hành tinh, với cốt âm làm đầu vào và mặt bích làm đầu ra Thiết kế hộp số này rất lý tưởng để tạo ra mô men xoắn lớn cho trục C, đồng thời thuận tiện cho việc thiết kế.
Động cơ dùng cho trục C là động cơ bước size 86, chiều dài 78mm, trục động cơ có đường kính 14mm
Hộp số bánh răng hành tinh có tỷ số truyền 1:50, với đường kính mặt bích cố định là 145mm, đường kính mặt bích đầu ra 80mm và đường kính cốt âm đầu vào là 11mm.
Hình 2.6 Mô hình CAD 3D của trục xoay C
Thiết kế kết cấu phải đảm bảo độ cứng vững của hệ thống, giảm tối đa sự chuyển vị
Việc kế thừa phần cứng từ mô hình có sẵn yêu cầu thiết kế phải tương thích với kết cấu cũ, nhằm tối ưu hóa hành trình di chuyển Đặc biệt, cần giảm thiểu kích thước chiều cao (theo phương Z) để đảm bảo hành trình Z không bị rút ngắn quá nhiều.
Thiết kế phải thuận tiện cho việc gia công chính xác trên máy CNC
Do bích lắp động cơ của hộp số không tương thích với động cơ mới, cần thiết phải thiết kế thêm một mặt bích để kết nối động cơ và hộp số một cách hiệu quả.
2.1.4 Thiết kế mô hình CAD trục xoay B
Hình 2.7 Mô hình CAD 3D trục xoay B
Trục B có chuyển động xoay quanh trục Y, các chi tiết của trục B được cố định trên tấm xoay của trục C
Trục B được điều khiển bởi động cơ bước kích thước 57 thông qua hộp số Harmonic, với đầu vào là cốt âm và đầu ra là mặt bích, tương tự như cấu trúc hộp số của trục C.
Động cơ trục B là động cơ bước size 57, chiều dài 112mm, đường kính trục động cơ 8mm
Hộp số cho trục B là hộp số Harmonic với tỷ số truyền 1:180, được cố định bằng mặt bích vuông 108x108mm Đường kính mặt bích đầu ra là 70mm, trong khi đường kính cốt âm đầu vào là 11mm.
Thiết kế kết cấu phải đảm bảo độ cứng vững của hệ thống, giảm tối đa sự chuyển vị
Thiết kế phải thuận tiện cho việc gia công chính xác trên máy CNC
Do bích lắp động cơ của hộp số không tương thích với động cơ mới, cần thiết phải thiết kế thêm một mặt bích để kết nối động cơ và hộp số một cách hiệu quả.
Cần thiết kế một chi tiết bổ sung để kết nối đầu ra của hộp số với gá ôm spindle, vì gá ôm spindle là một chi tiết tiêu chuẩn không thể lắp trực tiếp với bích đầu ra của hộp số.
2.1.5 Thiết kế mô hình CAD cụm lắp Z-B-C
Cụm lắp Z-B-C được lắp lại với nhau từ 3 cụm nhỏ Z, B, C bằng bulong
Hình 2.8 Mô hình CAD 3D của cụm trục Z-B-C
2.1.6 Mô hình máy hoàn thiện
Phạm vi gia công: 700x440x230 mm
Hình 2.9 Mô hình CAD 3D hoàn thiện của máy
Hình 2.10 Bản vẽ chi tiết cho mặt bích của động cơ bước 57.
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.2.1 Thiết kế kết cấu 03 trục cơ bản
2.2.1.1 Phương pháp gia công phay a Phay mặt - Phay ngón
Bảng 2.1 Thông số phay mặt và phay ngón
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Vật liệu gia công Hợp kim nhôm
Hằng số công suất riêng 𝜅 𝑝 1,36 kW/cm 3 /s
Thông số dụng cụ cắt
Vật liệu dao Thép gió (HSS) Đường kính dao 𝐷 6,00 mm
Chiều sâu cắt hướng kính 𝑎 𝑒 6,00 mm
Chiều sâu cắt hướng trục 𝑎 𝑝 6,800 mm
Lượng chạy dao răng 𝑓 𝑧 0,02 mm
Tốc độ quay trục chính 𝑛 9554,14 vòng/phút
Bước tiến của bàn máy 𝑣 𝑓 764,33 mm/phút
Hệ số mòn dụng cụ cắt 𝑊 1,10
Lượng cắt gọt vật liệu 𝑄 0,52 cm 3 /s
Hiệu suất của một cặp ổ bi 𝐸 𝑏 0,995
Hiệu suất của bộ truyền 𝐸 0,99
Công suất làm việc/cắt 𝑃 𝑒 1,32 kW
Công suất động cơ 𝑃 𝑆 1,34 kW
Bảng 2.2 Thông số phay đổ xuống
Thrust factor for drill diameter 𝐹 𝑇 4,195
Torque factor for drill diameter 𝐹 𝑀 25,24
Chisel edge factor for thrust 𝐵 1,380
Chisel edge factor for torque 𝐴 1,105
Feed per revolution 𝑓 𝑛 0,05 mm/rev
2.2.2 Thiết kế thân đỡ trục chính
Bảng 2.3 Thống số thiết kế thân đỡ
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Giới hạn bền kéo 𝜎 𝑡 250,00 N/mm 2
Hệ số mômen xoắn ứng với đường kính mũi khoan 𝐹 𝑀 25,24
Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống
Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với mômen xoắn 𝐴 1,105
Vật liệu Thép cacbon thường
Giới hạn chảy khi kéo 𝜎 𝑦𝑡 640,00 N/mm 2
Giới hạn bền kéo 𝜎 𝑡 800,00 N/mm 2
Trường hợp 1: Khi cắt dọc trục Y (Tải tác động song song với trục bulông)
Bảng 2.4 Lực cắt dọc trục Y
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Khối lượng cụm-trục-chính 𝑚 𝑠𝑎 7,0 kg
Gia tốc động cơ dẫn trục Y 𝑎 𝑦 0,8 m/s 2
Tổng tải tác động lên cụm-trục- chính 𝑊 𝑦 446,21 N
Lực kéo trực tiếp trên mỗi bulông 𝐹 𝑦′ 111,55 m/phút Khoảng cách từ hàng bulông 𝑖 đến cạnh lật
𝐿 𝑦2 0,059 mm Độ lệch tâm của tải 𝑒 𝑦 0,239 mm
Lực kéo của bulông 𝑖 do khuynh hướng thân đỡ lật quanh điểm C
Hợp lực kéo tác động lên bu lông
Hệ số an toàn 𝑓𝑠 6,00 Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑡 ] 106,67 N/mm 2 Đường kính chân ren 𝑑 𝑐 4,80 mm Ứng suất kéo tính toán 𝜎 𝑐𝑎𝑙 96,72 N/mm 2 Đường kính bulông 𝑑 𝑏𝑜𝑙𝑡 6 mm
Trường hợp 2: Khi cắt dọc trục X (Tải tác động lên mặt phẳng chứa bulông) Bảng 2.5 Lực cắt tác dọc trục X
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Gia tốc động cơ dẫn trục X 𝑎 𝑥 0,8 m/s 2
Tổng tải tác động lên cụm-trục- chính 𝑊 𝑥 446,21 N
Lực cắt (trượt) trực tiếp trên mỗi bulông 𝑖 𝐹 𝑥𝑖′ 111,55 m/phút Độ lệch tâm của tải 𝑒 𝑥 0,20 mm
Mômen quay tạo ra bởi tải do độ lệch tâm 𝑀 𝑒𝑥 89,24 N.m
Khoảng cách từ khối tâm cụm- trục-chính đến bulông thứ i 𝐿 𝑥𝑖 0,068 m
Lực cắt (trượt) thứ cấp trên bulông i 𝐹 𝑥𝑖′′ 328,10 N
Góc hợp giữa 𝐿 𝑥𝑖 và phương ngang 𝜃 23 °
Hệ số an toàn 𝑓𝑠 6,00 Ứng suất kéo cho phép [𝜎 𝑡 ] 106,67 N/mm 2 Đường kính chân ren 𝑑 𝑐 4,80 mm
46 Ứng suất kéo tính toán 𝜎 𝑐𝑎𝑙 96,72 N/mm 2 Đường kính bulông 𝑑 𝑏𝑜𝑙𝑡 6 mm
2.2.3 Lựa chọn Vít-me bi
2.2.3.1 Các trường hợp lực dọc trục
Bảng 2.6 Các trường hợp lực dọc trục có thể xảy ra
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước Fa1z 731.51
Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía trước Fa2z 651.51
Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc tốc về phía trước Fa3z 568.57
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía sau Fa4z 897.06
Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía sau Fa5 977.06
Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc về phía sau Fa6z 1057.06
Sức cản bề mặt dẫn hướng FfR 2.94
Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng 𝜇 0.003
Khối lượng chuyển đổi m 100 Kg
Gia tốc di chuyển bàn máy a 0.80 mm/s 2
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước Fa1x 1503.55
N Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía trước Fa2x 1423.55
Lực dọc trục trong quá trình Fa3x 1343.55
47 giảm tốc tốc về phía trước
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía sau Fa4x 1337.67
Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía sau Fa5x 1417.67
Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc về phía sau Fa6x 1497.67
Sức cản bề mặt dẫn hướng FfR 2.94
Lực cắt tiếp tuyến Ft 440.61
Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng 𝜇 0.003
Khối lượng chuyển đổi m 100 kg
Gia tốc di chuyển bàn máy a 0.8 mm/s 2
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước Fa1y 526.49
Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía trước Fa2y 446.49
Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc tốc về phía trước Fa3y 366.49
Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía sau Fa4y 360.61
Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía sau Fa5y 440.61
Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc về phía sau Fa6y 520.61
Sức cản bề mặt dẫn hướng FfR 2.94
Lực cắt tiếp tuyến Ft 440.61
Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng 𝜇 0.003
Khối lượng chuyển đổi m 100 kg
Gia tốc di chuyển bàn máy a 0.8 mm/s 2
Lực dọc trục sinh ra lớn nhất là lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước của trục X: Fa1x = 1504 (N)
2.2.3.2 Thông số vít-me bi đã chọn
Bảng 2.7 Thông số của vít-me bi đã chọn
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính trục vít-me rb 0.0095
Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Ứng suất dọc trục σaxial 5305680
N/mm 2 Ứng suất xoắn τtorsional 926374 Ứng suất tương đương eq 891635785 Ứng suất lớn nhất của thép không rỉ σmax 2070.10 6
2.2.3.4 Kết luận Ứng suất tương đương nhỏ hơn ứng suất cho phép: eq max Vậy trục vít-me bi đã chọn thỏa yêu cầu làm việc của máy.
MÔ PHỎNG BỀN KẾT CẤU MÁY (CAE)
Máy CNC 5 trục TMA – 94 XIX được đề cập trong bài viết này có nhiệm vụ cải tiến kết cấu máy để nâng cao độ tin cậy trong tính toán Chương mô phỏng là một phần quan trọng và cần thiết cho dự án này.
Máy được thiết kế với cấu trúc H, kế thừa từ một nhóm sinh viên trước đó, nhưng đã trải qua những thay đổi lớn trong lần cải tiến này Để minh chứng cho hiệu quả của những thay đổi, phần mô phỏng sẽ làm rõ vấn đề này.
2.3.1.1 Hệ thống đánh giá quá trình mô phỏng
Hình 2.11 Quy trình mô phỏng
2.3.2 Tiêu chuẩn kết cấu tĩnh của cụm trục Z-B-C
Việc chọn lựa vật liệu là yếu tố quyết định đến sức bền của máy, đặc biệt quan trọng trong quá trình cải tiến máy để nâng cao hiệu suất Dưới đây là bảng các vật liệu được sử dụng trong máy TMA – 94XIX.
Bảng 2.9 Bảng thông số vật liệu
Vật liệu Độ bền kéo
50 Để việc chia lưới không trở nên quá khó khăn thì đơn giản hóa mô hình là việc cần làm
Mô hình máy khi đơn giản sử dụng phương pháp Multiple Method để đạt được kết quả đáng tin cậy Chúng ta áp dụng định dạng chia lưới Hexa/Prism kết hợp với loại lưới tự do Tetra/Pyramid Lý do chọn những định dạng này là do các bộ phận liên kết thông qua định dạng connection, giúp xử lý các liên kết một cách khả thi và giảm thiểu nhân tố chia lưới tại các điểm liên kết.
2.3.2.3 Mô hình phần tử hữu hạn
Bước tiếp theo chính là định dạng những connection
Đế máy sẽ được fixed xuống mặt đất
Thanh trượt và các con trượt phương X sẽ được cố định
Thanh trượt và các con trượt phương Z sẽ được cố định
Các bề mặt còn lại sẽ được định dạng bounded
Đối với cụm spindle ta cũng phân tích tương tự
Gia trốc trọng trường: 9.8 m/s 2 được đặt lên khối tâm của Z
Lực cắt đã được tính toán Lực cắt lớn nhất theo phương X và Y là 492N; Lực cắt lớn nhất theo phương Z là 819N
2.3.2.4 Mô phỏng kết cấu khi gia công
Trong quá trình mô phỏng, cụm spindle sẽ được kiểm tra trước để đánh giá độ cứng vững của kết cấu Việc này là cần thiết vì khi mô phỏng cụm X-Z, spindle sẽ di chuyển tương đối với cả cụm dưới tác động của lực Mục tiêu của việc mô phỏng cụm spindle trước tiên là để xác định xem chuyển vị có nằm trong tầm kiểm soát hay không, khi phần phía trên được giả định là hoàn toàn cứng vững.
Hình 2.12 Kết quả thu được qua Ansys
Giá trị lực kẹp bu lông (Bolt Pretension) là 498N chia đều cho 4 bu lông ở tấm bracket
Bảng 2.10 Ảnh hưởng của lực cắt lên cụm spindle
TH Chuyển vị (mm) Ứng suất (N)
Chuyển vị rất nhỏ và đạt yêu cầu gia công và bước tiếp theo là mô phỏng cụm trục X-
Hình 2.13 CAD model của phiên bản 1 Bảng 2.11 Thông số của phiên bản 1 khi chịu tác dụng của lực cắt
(MPa) Hệ số an toàn
Tần số bắt đầu dao động tự nhiên (Hz)
Hình 2.14 Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 1
Hình 2.15 Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 1
Hình 2.16 CAD model của phiên bản 2
Bảng 2.12 Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt
Chuyển vị (mm) Ứng suất (MPa) Hệ số an toàn
Tần số bắt đầu dao động tự nhiên (Hz)
Hình 2.17 Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 2
Hình 2.18 Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 2
Hình 2.19 CAD model của phiên bản 3 Bảng 2.13 Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt
Chuyển vị (mm) Ứng suất (MPa) Hệ số an toàn
Tần số bắt đầu dao động tự nhiên (Hz)
Hình 2.20 Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 3
Hình 2.21 Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 3
Hình 2.22 CAD model của phiên bản 4 Bảng 2.14 Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt
(mm) Ứng suất (MPa) Hệ số an toàn
Tần số bắt đầu dao động tự nhiên (Hz)
Hình 2.23 Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 4
Hình 2.24 Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 4
2.3.2.5 Kết quả phân tích tĩnh
Bảng 2.15 Bảng tổng kết thông số của các phiên bản
TH Chuyển vị (mm) Equivalent Stress
61 Đồ thị 2.1 Biểu đồ mô tả chuyển vị của các phiên bản
Theo đồ thị 6.1, phiên bản 4 nổi bật với sự đổi mới, giúp cải thiện cấu trúc một cách rõ rệt Các chuyển vị trong phiên bản này đều nhỏ hơn 0.2 mm, đạt được nhờ vào hai ý tưởng bổ sung quan trọng.
Hình 2.25 Cấu trúc của phiên bản 4
Px Py Pz Px Py Pz Px Py Pz Px Py Pz
Sự kết hợp của hai phát kiến đã giảm đáng kể chuyển vị của máy khi chịu tác động của lực cắt, với mức giảm tới 72% theo phương X, 84% theo phương Y và 26% theo phương Z Biểu đồ 2.2 mô tả ứng suất của các phiên bản khác nhau.
Biểu đồ 2.3 Hệ số an toàn của các phiên bản
2.3.2.6 Kết quả phân tích rung động của kết cấu
Dưới đây là các hình minh họa cho các trường hợp dao động với tần số dao động tự nhiên của phiên bản 4
Px Py Pz Px Py Pz Px Py Pz Px Py Pz
Version #1 Version #2 Version #3 Version #4 Ứng suất (MPa)
Px Py Pz Px Py Pz Px Py Pz Px Py Pz
Hình 2.26 Kết quả phân tích dao động trên phần mềm Ansys
Bảng 2.16 Tần số dao động tự nhiên và các vị trí xảy ra dao động theo phần mềm Ansys
TH Tần số dao động ( Hz )
65 Đồ thị 2.4 Biên độ dao động ứng với các tần số
Biểu đồ 2.4 Đã thể hiện biên độ dao động lớn nhất là 4.361E-5 m/N theo 2 hướng x và y, ở tần số 172.51Hz
Xu hướng dao động của trục Z ổn định hơn so với hai trục X và Y Để làm rõ hơn về số liệu này, chúng ta cần xem xét thêm các thông số và số vòng quay trên phút.
Số vòng trên phút: 60.f rpm z ; f là tần số dao động riêng (Hz) and z là số răng của dao, z được cho là 4
Bảng 2.17 thể hiện mối quan hệ giữa chuyển vị, tần số dao động riêng và số vòng trên phút Đồ thị 6.5 minh họa ảnh hưởng của tần số đến số vòng trên phút, cho thấy sự tương tác giữa các yếu tố này trong quá trình dao động.
Mode Natural Frequency (Hz) Revolutions per minute Deformation ( mm )
CHẾ TẠO MÁY VÀ LẮP RÁP
KHỞI TẠO QUI TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT MÁY
Trước khi tiến hành gia công một chi tiết cơ khí, cần thiết lập một quy trình gia công nhằm đảm bảo đạt được các tiêu chuẩn theo bản vẽ chi tiết đã được quy định.
Do là phiên bản cũ chưa hoàn thiện nên máy TMA - 94XIX có nhiều bộ phận cần gia công theo như thiết kế hiện tại
Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày quy trình gia công giá đỡ mặt bích cho động cơ bước 57, nhằm làm rõ phương pháp mà nhóm đã áp dụng.
Kế hoạch làm việc cho phần này được chỉ ra trong Hình 3.2
Hình 3.1 Quá trình gia công chi tiết mặt bích động cơ bước 57
Hình 3.2 Kế hoặc gia công cho chi tiết bích động cơ bước 57
TIẾN HÀNH GIA CÔNG
Hình 3.3 minh họa các dạng hoàn chỉnh của các bộ phận cần thiết Mặc dù có nhiều bộ phận cần thực hiện, nhưng tất cả đều được sản xuất tại cùng một địa điểm, nhờ vào hệ thống máy móc hiện đại tại xưởng CAD/CAM/CNC của Trường Đại học Sư phạm Công nghệ TP.HCM.
Hình 3.3 Một số sản phẩm hoàn thiện sau gia công
Phương pháp kế hoạch làm việc, được chỉ ra trong chương 7, được áp dụng cho tất cả các bộ phận.
KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG
Kiểm tra các thông số sau khi gia công là giai đoạn quan trọng nhằm đảm bảo rằng các lỗi được kiểm soát Như thể hiện trong Hình 3.4, dung sai yêu cầu đã được xác định rõ ràng.
Dựa trên 70 định mức trong từng thông số, cần thực hiện một báo cáo kiểm tra để đánh giá tính hoàn thiện và sự đáp ứng yêu cầu của bộ phận đó.
Hình 3.4 Bích động cơ bước 57
Hình 3.5 Phiếu đánh giá chất lượng bích động cơ bước 57
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN
THIẾT BỊ ĐIỆN
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại mạch điều khiển khác nhau Tuy nhiên, với các tiêu chí như dễ vận hành, dễ tìm nguồn cung, khả năng điều khiển linh hoạt và giá thành hợp lý, BOB Mach3 LPT nổi bật là một trong những mạch được ưu tiên sử dụng cho dự án này.
Thiết kế của mạch Mach3 :
Chế độ hỗ trợ : 5 Axis ( X, Y, Z, B, C)
Hỗ trợ 01 Pulse-Width Modulation (PWD) Port cho điều khiển nhiều trục
01 Output Relay Port 220V – 10A chuyển qua NO/NC
Mạch Mach 3 được trang bị 05 cổng đầu vào, cho phép kết nối với các thiết bị ngoại vi như công tắc giới hạn, cảm biến và xi-lanh Chức năng chính của mạch này là thu nhận và phân tích tín hiệu, giúp người dùng tương tác hiệu quả với chương trình điều khiển và máy CNC.
Chức năng: Điều khiển động cơ bước bằng cách thay đổi tốc độ và hướng quay
Giúp động cơ hoạt động ổn định,
Cung cấp đủ điện áp cho động cơ khi ở trạng thái công suất cực đại
Hình 4.2 Driver Leadshine DMA860H Nhược điểm: vi bước nhỏ, kích thước lớn
Thiết kế của Driver Leadshine DMA860H :
Công tắc điều khiển chuyển động của động cơ và cường độ dòng điện
Đèn báo động khi xảy ra sự cố
Chức năng: Tạo chuyển động cho trục được gắn từ nhiều tín hiệu mô tả, được điều khiển bằng xung
Tác dụng: Giá trị Moment cao khi quay ở tốc độ thấp
Nhược điểm: Độ chính xác giảm khi quay ở tốc độ cao
Biến tần Sunfar E300 là thiết bị điều chỉnh tần số điện năng trong cuộn dây của động cơ trục chính, cho phép kiểm soát tốc độ động cơ một cách liên tục mà không cần sử dụng hộp số cơ khí Thiết bị này hoạt động bằng cách sử dụng các mạch bán dẫn để điều khiển tuần tự các cuộn dây của động cơ theo yêu cầu.
Trục chính là bộ phận quan trọng tạo ra chuyển động quay cho dụng cụ cắt, phục vụ cho quá trình gia công vật liệu Để nâng cao hiệu suất và độ bền, trục chính có thể được làm mát bằng nước chuyên dụng.
Hình 4.5 Củ đục vi tính
PHẦN MỀM CHƯƠNG TRÌNH MACH3MILL
Hình 4.6 Phần mềm Mach3Mill
4.2.2 Nguồn gốc và chức năng
Phần mềm Mach3 CNC, phát triển bởi ArtSoft USA, là một công cụ điều khiển CNC nổi bật, ban đầu được thiết kế cho các nhà thiết kế máy CNC Nhờ vào những cải tiến đáng kể, Mach3 đã trở thành phần mềm điều khiển đa dạng và linh hoạt, phù hợp với nhiều loại máy CNC khác nhau.
Biến PC cá nhân thành bộ điều khiển CNC 6 trục đầy đủ tính năng
Nhập trực tiếp các tệp dxf, bmp, jpg và hpgl qua phần mềm Lazycam
Khởi tạo Gcode via LazyCam hay Wizards
Tùy biến giao diện theo sở thích của người dùng
Tùy chỉnh mã M và Macro bằng cách sử dụng VBscript
Kiểm soát nhiều vai trò đóng
Khả năng tạo xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay
Mach3 Milling là mô-đun thuộc gói phần mềm điều khiển máy CNC Mach3, được biết đến như một phần mềm mã nguồn mở trong giai đoạn đầu Nhờ vào sự phát triển nhanh chóng, Mach3 CNC hiện sở hữu giao diện chức năng phong phú cùng nhiều tính năng hỗ trợ chuẩn CAD/CAM Ngày càng có nhiều người sử dụng Mach3 CNC, biến nó thành phần mềm thương mại hiện đại, tiết kiệm chi phí và phổ biến nhất hiện nay.
Yêu cầu cấu hình máy tính:
Máy tính hoạt động trên hệ điều hành 32-bit Windows 2000, Windows XP, Windows Vista
Tần số CPU tối thiểu 1Ghz
Độ phân giải màn hình 1024x768
4.2.3 Những vấn đề khi sử dụng Mach3
I/O bị hạn chế, vì vậy nếu một hệ thống lớn đang sử dụng có thể cần nhiều tín hiệu I/O, thì kỹ thuật ModBus là giải pháp
Việc sử dụng tín hiệu Step/Dir chỉ phù hợp với hệ thống Step Motor, trong khi hệ thống Servo cần chuyển đổi tín hiệu Step/Dir sang Analog 0-10V hoặc -10V, +10V để tương thích với bộ điều khiển Mach3 hoạt động ở chế độ mở, nhưng trong các hệ thống yêu cầu độ chính xác cao, cần thiết phải thiết kế theo dạng vòng kín Mach3 nổi bật với chức năng đa dạng, giao diện thân thiện và dễ sử dụng, cùng với khả năng mô phỏng quy trình làm việc rõ ràng Qua đánh giá, Mach3 được xem là phần mềm điều chỉnh phù hợp nhất cho người dùng.
HỆ THỐNG ĐIỆN
Cài đặt thông số kĩ thuật trên Mach3
Hình 4.7 Giao diện Mach3Mill
Từ màn hình giao diện của Mach3, vào Config / Select Native Units Chọn mm
Hình 4.8 Lựa chọn đơn vị
Thiết lập các thông số cho phần cứng:
- Chọn cổng LPT và Tốc độ hạt nhân:
Hình 4.9 Lựa chọn cổng LPT Đặt chân điều khiển động cơ:
Vào Config / Port and Pins sau đó màn hình sẽ xuất hiện một cửa sổ mới,
Chọn Đầu ra Động cơ và đặt các chân điều khiển
Cài đặt tín hiệu đầu vào bao gồm việc thiết lập các tín hiệu như nút Estop và các công tắc hành trình Đồng thời, phần tín hiệu đầu ra cũng cần được cấu hình để xác định các tín hiệu đầu ra cần thiết.
Tín hiệu điều khiển Bật / Tắt chính, máy bơm nước lạnh
Hình 4.10 Cài đặt tín hiệu ra cho động cơ
Hình 4.11 Cài đặt giới hạn hành trình
Hình 4.12 Cài đặt tính hiệu ra cho cổng LPT
Khai báo thông số động cơ
Khai báo các thông số cho động cơ X, Y, Z, B, C Để khai báo các thông số cho động cơ, vào Config / Motor Tuning
Hình 4.13 Cài đặt xung cho động cơ trục X
Khai báo các thông số động cơ trục X:
Các bước trên một tấm: Dựa vào động cơ, bước 1.8 độ / xung => 1 vòng = 360 độ 200 xung Toàn bước = 200 xung / chu kỳ nên 1/5 bước = 1000 xung / chu kỳ
Truyền động trục vít đang sử dụng bước 5 => động cơ quay 1 lần, bàn tịnh tiến 5mm Suy ra 1mm = 200
Bảng vận tốc: Đặt tốc độ gia tốc của máy phụ thuộc vào độ cứng của chi tiết cơ khí Sau đó nhấp vào LƯU CÀI ĐẶT TRỤC
* Khai báo động cơ của trục khác với các bước trên
Cài đặt thông số Mach3 Mill để điều khiển tốc độ thông qua biến tần Sunfar E300:
Trên phần mềm Mach3, để cấu hình động cơ, bạn cần vào Config / Ports and Pins, sau đó chọn tab Motor Outputs và khai báo theo hình mẫu Nhấn Áp dụng để lưu thay đổi Tiếp theo, vào tab Spindle setup để thiết lập điều khiển và chạy đầu ra trục chính, cũng khai báo theo hình mẫu và nhấn Áp dụng và OK Cuối cùng, vào Menu Config / Spindle pulleys để thiết lập tốc độ trục chính, nhập 24000 vòng/phút, đây là tốc độ động cơ cao nhất.
Hình 4.14 Khai báo các cổng
Hình 4.15 Cài đặt củ đục vi tính
Hình 4.16 Cài đặt thông số cho Spindle
Hình 4.17 Mạch điều khiển điện áp cao
Hình 4.18 Mạch điều khiển điện áp thấp
Mạch Mach3 sở hữu nhiều cổng ra, trong đó cổng xung PWM là một trong những cổng quan trọng, cung cấp xung cho các thiết bị như biến tần để điều khiển tốc độ trục chính qua điện áp cổng Ngoài ra, cổng này cũng giúp kiểm soát sức mạnh của điểm đánh dấu laser trong máy khắc laser, điều chỉnh cường độ và tín hiệu khắc, từ đó nâng cao khả năng chế tạo đa năng của máy Để tăng tính linh hoạt, các đầu phun nhựa có thể được tích hợp cho chức năng in 3D Tất cả các tính năng này đều được hỗ trợ bởi mạch Mach3, mang lại sự đa dạng và dễ dàng thay đổi cho hệ thống.
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ POST-PROCESSOR
Bộ xử lý bài viết đóng vai trò quan trọng trong quá trình xuất code, chuyển đổi dữ liệu từ công cụ Mastercam thành mã máy cho CNC.
Quy trình xuất code thường được hiểu là việc tạo ra tệp PST, một loại tệp cấu hình có thể được điều chỉnh để thay đổi định dạng đầu ra của mã NC.
4.4.2 Qui trình hoạt động của Post-processor
- Người dùng chọn định nghĩa máy Định nghĩa Máy liên kết tệp Định nghĩa Điều khiển và Bộ xử lý ‘’xuất code’’ (PST) với nhau
- Người dùng tạo một số thao tác trên đường chạy dao
- Sau khi lập trình xong trong Mastercam, người dùng nhấn nút “G1” để bắt đầu quá xuất code
- Sau khi quá trình xuất code đã tạo tệp mã NC, tệp được mở trong trình soạn thảo văn bản để người dùng có thể kiểm tra mã NC
4.4.3 Định nghĩa khoảng cách Pivot
Để đảm bảo đầu máy ở vị trí thẳng đứng hoàn hảo, hãy chạm vào bàn máy có chỉ báo quay số và xoay chỉ báo Chỉ báo cần hiển thị số 0 xung quanh toàn bộ vòng tròn, như được minh họa trong Hình 4.22.
Hình 4.22 Chỉ ra vị trí thẳng đứng
Thứ hai, đặt chốt có đường kính 1.000 vào giá đỡ công cụ chính với Chiều dài Gage Length (GL) đã biết
Vào thứ ba, hãy chạm vào pít tông chỉ báo quay số như minh họa trong Hình 8.22, sử dụng một tệp đính kèm phẳng để hỗ trợ Đặt chỉ báo về 0 và ghi lại giá trị Z hiển thị trên màn hình của bộ điều khiển, gọi giá trị này là Z cực đại.
Hình 4.23 Rà đồng hồ so
Không di chuyển máy trên trục X, chỉ di chuyển trên trục Y và Z Đầu tiên, hãy di chuyển đến một điểm an toàn trên trục Z và xoay trục A qua 90 độ theo hướng nằm ngang Sau đó, tiếp tục di chuyển trên trục Y theo hướng cộng và trên trục Z theo hướng trừ cho đến khi đầu trục chính đạt vị trí như trong Hình 4.23.
* Lưu ý: Ghi lại giá trị Z này trên màn hình của bộ điều khiển người dùng và chúng ta hãy gọi đây là Z
Công thức để tính khoảng Pivot Distance:
Khoảng cách Pivot (PD) sẽ được quy trình xuất mã sử dụng, với hầu hết các hệ thống CAM điều khiển Pivot Point và tính toán vị trí đầu dao cho từng vị trí lập trình Vị trí mũi dao được xác định bởi Khoảng cách xoay cộng với Chiều dài Gage từ Điểm xoay, và phải được phân chia theo tam giác dựa trên các góc xoay Ngay cả những sai lệch nhỏ trong Khoảng cách Pivot cũng có thể dẫn đến lỗi vị trí dao lớn trong chương trình cuối cùng.
4.4.4 Định nghĩa máy trong Mastercam
Trong Mastercam, các tính năng Định nghĩa máy cho phép người dùng tùy chỉnh để kiểm soát các máy phức tạp Định nghĩa này cung cấp một khuôn khổ linh hoạt, giúp tối ưu hóa quy trình gia công và nâng cao hiệu suất làm việc.
Hầu hết các chức năng được thiết kế dưới dạng khuôn khổ để các nhà thiết kế hoặc Post-processor có thể sử dụng Mặc dù các tùy chọn MD cũng cung cấp chức năng, nhưng rất ít tùy chọn được kết nối sẵn theo mặc định.
Trong hầu hết các trường hợp, tệp MD kết nối với tệp CD, liên kết trình xuất code với cài đặt của nó, giúp người dùng tùy chỉnh đầu ra NC dễ dàng Định nghĩa máy là bước đầu tiên trong lập trình phần người dùng, cho phép lập trình viên lắp ráp các thành phần máy Sau đó, người dùng thiết lập các thuộc tính của máy và thành phần, chọn định nghĩa điều khiển và bộ xử lý bài Khi định nghĩa máy đã được tạo và chọn, người dùng có thể bắt đầu vận hành đường chạy dao cho máy.
Kiểm soát định nghĩa và bộ xử lý xuất code là quá trình tích hợp giữa định nghĩa máy và điều khiển Định nghĩa điều khiển xác định khả năng và yêu cầu của quá trình xuất code, khởi tạo nhiều cài đặt NC và các biến Post Nó cũng giúp Mastercam nhận biết bộ xử lý Post nào đã được cấu hình cho máy, đảm bảo sự tương thích giữa máy và điều khiển.
