Đang tải... (xem toàn văn)
Đồ án thiết kế cơ khí. Đề tài Thiết kế hệ thống dẫn hướng máy phay CNC 3 trục. Hướng dẫn chi tiết tổng quan, lịch sử, cách tính toán và chọn lựa ray dẫn hướng, block, ổ bi, động cơ của hệ thống dẫn hướng trục X và Y
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ BỘ MÔN MÁY VÀ MA SÁT HỌC BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ ĐỀ TÀI TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG DẤN HƯỚNG TRONG MÁY PHAY CNC Giảng viên hướng dẫn Sinh viên thực hiện SHSV Lớp 1 MỤC LỤC Đề bài 1 Lời mở đầu……… ………… 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY CNC 5 I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 5 II. MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ (MÁY CNC) 6 III. MÁY PHAY CNC 9 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ DẪN HƯỚNG MÁY CNC 19 I. THÔNG SỐ ĐẦU VÀO 19 II. TÍNH CHỌN VÍT ME TRỤC X 21 III. TÍNH CHỌN VÍT ME TRỤC Y 27 IV. CHỌN Ổ ĐỠ CHO VÍT ME TRỤC X 31 V. CHỌN Ổ ĐỠ CHO VÍT ME TRỤC Y 34 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CHỌN RAY DẪN HƯỚNG 37 I. CHỌN RAY DẪN HƯỚNG TRỤC X 37 II. CHỌN RAY DẪN HƯỚNG TRỤC Y 45 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN CHỌN ĐỘNG CƠ 52 I. CHỌN ĐỘNG CƠ CHO BÀN MÁY X II. CHỌN ĐỘNG CƠ CHO BÀN MÁY Y 56 Kết luận 60 Tài liệu tham khảo 61 2 LỜI MỞ ĐẦU Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật là vấn đề quan trọng và cần sự quan tâm lớn. Mỗi ngành như cơ khí, điện tử, tin học đều có nền tảng khoa học vững chắc và tạo ra các sản phẩm đặc trưng riêng. Tuy nhiên, yêu cầu của thời đại đặt ra yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máy móc, yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn và thông minh hơn. Việc sử dụng máy móc để thay thế sức lao động của con người là một xu hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm chất lượng cao. Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp. Sự xuất hiện của máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất công nghiệp. Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng được dễ dàng thực hiện và một lượng lớn các thao tác của con người được giảm thiểu. Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất tạo nên sự chính xác và chất lượng ngày càng cao. Máy CNC phổ biến hiện nay như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC, Sự tiến bộ của kĩ thuật, trí thông minh nhân tạo, điều khiển số tạo ra những máy CNC có nhiều trục chính như 3, 6 trục chính chuyển động ngày càng linh hoạt và khéo léo. Bài báo cáo này sẽ trình bày chủ yếu về máy phay CNC có 3 trục chính. Đồ án thiết kế cơ khí này, em sẽ tìm hiểu về quá trình tính toán và thiết kế hệ thống dẫn hướng máy phay CNC. Nhiệm vụ chính là tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống vít me bi, hệ thống ray dẫn hướng, ổ bi và động cơ điều khiển cho các trục X, Y. Do kiến thức còn hạn hẹp và lần đầu tìm hiểu đồ án, bản báo cáo này khó tránh khỏi những thiếu xót nên em rất mong muốn có được sự góp ý của thầy cô. Lời cuối cùng em xin chân thành cảm ơn cô bởi sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình để em hoàn thành bản báo cáo đồ án này. 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU HỆ THỐNG DẪN HƯỚNG MÁY CNC I. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Ý tưởng điều khiển 1 dụng cụ thông qua 1 chuỗi lệnh kế tiếp liên tục mà chúng được ứng dụng trong các máy điều khiển NC ngày nay đã được phát kiến từ thế kỉ 14, bắt đầu từ những cụm chuông được điều khiển bởi các trục đục lỗ. - Trong những năm 1949-1952, John Parsons và M.I.T đã thiết kế theo hợp đồng của không lực Hoa Kỳ một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục thông qua dữ liệu đầu ra của một máy tính. Điều này làm bằng chứng cho chức năng gia công một chi tiết - Năm 1952, M.I.T đã cung cấp chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên mang tên “Cincinnati Hydrotel” có trục thẳng đứng. Tủ điều khiển lắp bằng các bóng đèn điện tử. - Năm 1954, Bendix mua bản quyền Parsons và chế tạo thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên. - Năm 1958 xuất hiện ngôn ngữ lập trình gắn với máy tính IBM 704. Năm 1968, kỹ thuật mạch tích hợp IC làm tủ điều khiển có kích thước nhỏ và tin cậy hơn. - Năm 1972, các tủ điều khiển NC đầu tiên có cụm vi tính chế tạo hàng loạt đưa ra 1 thế hệ các thiết bị NC cài vi tính mạnh mẽ hơn ( CNC) - Năm 1986-1987, các giao diện tiêu chuẩn hóa mở ra con đường tiến tới các xí nghiệp tự động trên cơ sở một hệ thống trao đổi thông tin liên thông CIM ( Computer Integrated Manufacturing). 4 NC CNC CIM/FMS 1950 1960 1970 1980 1990 NC : Điều khiển số CNC : Điều khiển số với máy tính FMS: Hệ thống sản xuất linh hoạt CIM : Lập kế hoạch, thiết kế và sản xuất có tích hợp của máy tính II. MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ (MÁY CNC) 5 1. Khái niệm máy CNC CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA- 274-D, thường gọi là mã G. 2. Ưu điểm của máy CNC • Khả năng tự động hóa cao • Gia công nhiều chi tiết, biên dạng phức tạp • Tính linh hoạt cao: sản xuất nhiều loại chi tiết do có thể thay đổi chương trình điều khiển dễ dàng • Tập trung được nhiều nguyên công giảm thời gian gia công, giảm sức lao động con người, giảm thời gian trung chuyển • Năng suất cao, hoạt động liên tục • Chất lượng, độ chính xác được đảm bảo 3. Kết cấu khái quát máy CNC Máy gồm 2 phần chính: phần điều khiển và phần chấp hành: Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển + Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu (các lệnh) để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái , chữ số và một số ký hiệu khác như 6 dấu cộng, dấu trừ, Tập lệnh (chương trình) này được ghi lên các cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã như băng đục lỗ hay bộ nhớ máy tính…. + Các cơ cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của các cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến…. Phần chấp hành: Gồm các cơ cấu gia công kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn….Cũng như các máy cắt gọt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiêt. Tùy theo khả năng công nghệ của máy mà máy có thể có: thân máy, bàn máy, trục chính, các kết cấu được thiết kế với các đặc điểm đáp ứng được yêu cầu trong quá trình điều khiển tự động của máy, ví dụ như phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải phoi và bôi trơn… 4. Các phương pháp điều khiển Một số phương pháp điều khiển máy CNC hiện nay là: • Điều khiển điểm (điều khiển vị trí) : được dùng để gia công lỗ bằng các phương pháp như khoan, khoét, doa…. Điều khiển điểm • Điều khiển đường: dùng trong các máy để gia công các chi tiết mà dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao song song với 1 trục tọa độ của máy, thường áp dụng trên các máy phay, máy tiện đơn giản. 7 Điều khiển đường • Điều khiển đoạn: cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trụ 1 lúc, để có thể gia công các chi tiết có biên dạng phúc tạp Điều khiển đoạn III. MÁY PHAY CNC Máy phay CNC là một trong các loại máy phổ biến trong các phân xưởng cơ khí chế tạo khuôn mẫu ở nước ta. Các máy phay CNC được sử dụng được nhập khẩu từ nước ngoài, do đó chủng loại và kiểu máy rất khác rất khác nhau tùy thuộc vào hãng sản xuất. Để mở rộng khả năng công nghệ thì trong thực tế hiện nay người ta thường kết hợp máy phay CNC với máy tiện CNC, máy khoan để tạo thành trung tâm gia công CNC. Các trung tâm gia công thường có 3 trục 8 chuyển động của dao, để tăng khả năng gia công của máy đối với các biên dạng chi tiết phức tạp, máy có thể có 5 trục chuyển động chạy dao và trang bị bàn máy quay. 1. SƠ ĐỒ KẾT CẤU ĐỘNG HỌC CỦA MÁY PHAY CNC Kết cấu động học của máy phay đứng CNC bao gồm: Cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt. Trục chính được dẫn động bởi một động cơ servo trục chính (trục Z) điều khiển được , được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, có khả năng cho ra tốc độ quay bất kì trong giới hạn thiết kế của máy. Hệ thống truyền động và cụm trục chính được tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ cho việc thay đổi tốc độ quay trong thời gian ngắn nhất. Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm biến đo và phản hồi về bộ điều khiển CNC. Trên trục chính có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụng cụ tự động bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm tự động hóa hoàn toàn quá trình thay dao. Chuyển động theo trục Z của máy do cụm trục chính thực hiện , dẫn động nhờ một 9 động cơ servo trục Z thông qua bộ truyền vitme đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC kín, có phản hồi. Hệ thống thay dao của máy phay CNC được tự động hóa hoàn toàn , thông thường nó là các ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép. Vị trí thay dao của cụm trục chính là vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằm không xảy ra hiện tượng va đập với các chi tiết và các bộ phận khác của máy trong quá trình thay dao. Hiện nay, các nhà sản xuất trung tâm gia công cơ khí CNC còn đưa ra một hệ thống thay dao đơn giản hơn đó là ổ chứa dao tự hành, vừa có chức năng chứa dao, vừa có chức năng thay dao tự động. Bàn máy của máy phay CNC thông thường có hai khả năng chuyển động theo 2 trục X và Y , được dẫn động nhờ các động cơ servo, thông qua bộ truyền động vitme bi, được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởi bộ điều khiển CNC kín có phản hồi. Bộ điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình điều khiển số được nạp vào bộ điều khiển , tiến hành xử lý thông tin và phát lệnh điều khiển các cơ cấu chấp hành. Các lệnh điều khiển được phân nhánh thành 2 lệnh hệ cơ bản đó là : hệ lệnh đường đi và hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển quá trình thình thành hình dáng hình học của chi tiết. 2. CÁC CƠ CẤU ĐẶC TRƯNG CỦA MÁY PHAY ĐIỀU KHIỂN SỐ a, Hệ thống kẹp và tháo dụng cụ tự động của máy phay CNC Hệ thống kẹp và tháo dụng cụ của máy phay CNC được tích hợp trên trục chính với nguồn năng lượng tháo dụng cụ là khí nén và khép chặt bằng hệ thống lò xo đĩa. b, Hệ thống thay dao tự động của máy phay CNC Trong các máy phay điều khiển số và các trung tâm gia công có khí hiện nay thì hệ thống thay dao có hai dạng cơ bản là : ổ chứa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép và ổ chứa dao tự hành. c, Hệ thống gá kẹp chi tiết gia công Trên máy phay điều khiển só thông thường sử dụng các thiết bị kẹp như : 10 [...]... trước của chi tiết d, Hệ thống dẫn hướng trong máy phay CNC • Đường dẫn hướng Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn máy theo X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính Yêu cầu của hệ thống thanh trượt trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính Hiện nay trên các máy gia công CNC công nghiệp, người... ray dẫn Ray dẫn tròn: thanh ray dẫn hướng có dạng trụ tròn được với trụ tam giác Ngoài ra còn có các ray dẫn hướng chạy từ, e Bộ truyền vít me đai ốc bi 13 Trục vít me dùng trong máy CNC Bộ truyền vít me - đai ốc bi thường được dùng trong chuyển động chạy dao của máy công cụ NC, CNC và dùng trong các máy công cụ chính như máy mài, máy doa tốc độ và các loại máy khác Đôi khi còn dùng trong máy. .. động cơ này gắn với vít me tạo chuyển động chính xác cho bàn máy gia công CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ DẪN HƯỚNG MÁY CNC I THÔNG SỐ ĐẦU VÀO 1 Thông số cho trước + Loại máy CNC : máy phay 16 + Chế độ cắt thử nghiệm: phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, D = 80mm, JIS, S45C, grade 4040, v = 100 m/phút, t = 1,2 mm, F = 900 mm/phút + Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công : M = 300 kg + Khối lượng bàn máy. .. công nghiệp, người ta thường sử dụng các thanh dẫn hướng là thanh trượt hình chữ nhật Tuy nhiên sản phẩm được chế tạo với mục đích chính là gia công các vật liệu mềm thì hệ thống thanh dẫn hướng cho các trục được chọn là thanh dẫn hướng có tiết diện tròn được phủ lớp Crom để tăng độ bóng và các ổ bi trượt bi tự hồi • Các dạng đường ray dẫn hướng trong máy CNC Đường dẫn hướng ma sát lăn - Tổn hao... Động cơ servo Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu - ra của loại động cơ này được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có sự cố ngăn cản chuyển động quay của động cơ thì cơ cấu hồi sẽ nhận được tín hiệu báo chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển sẽ tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt... là hệ số bền tĩnh, với máy công cụ , chọn là hệ số tải động, lựa chọn theo bảng sau: Lấy o là tuổi thọ yêu cầu của vitme, từ 5-7 năm làm việc , tương đương 21000h làm việc Thay số vào tính toán ta được kết quả như sau: (kG) (kG) (kG) 232 n (vòng/phút) 1850 528 3691 Vitme lựa chọn phải có tải trọng động 2 Lựa chọn vít me, kiểm tra sơ bộ 21 Lựa chọn kiểu bi và vitme: Máy phay CNC yêu cầu hệ thống dẫn. .. hệ số bền tĩnh, với máy công cụ , chọn là hệ số tải động, lựa chọn theo bảng sau: 24 Lấy o là tuổi thọ yêu cầu của vitme, từ 5-7 năm làm việc , tương đương 21000h làm việc Thay số vào tính toán ta được kết quả như sau: (kG) n (vòng/phút) (kG) (kG) 320 1850 660 5091 Vitme lựa chọn phải có tải trọng động 2 Lựa chọn vitme và kiểm tra sơ bộ Lựa chọn kiểu bi và vitme: Máy phay CNC yêu cầu hệ thống dẫn. .. Chọn ổ lăn phù hợp khả năng tải 33 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN HỆ THỐNG RAY DẪN HƯỚNG I CHỌN RAY DẪN HƯỚNG TRỤC X 1 Các thông số đầu vào Tải trọng tĩnh C0 = 528 kG = 5.17 kN Tải trọng động Ca = 3691 kG = 36.17 kN Lựa chọn ray dẫn hướng sơ bộ: Hãng PMI có các thông số tải trọng động và tải trọng tĩnh lớn hơn yêu cầu cho phép 34 Ta chọn sơ bộ ray dẫn hướng MSA 35 A có: • • Tải trọng tĩnh C0 = 75.5 kN... toán lực cắt khi phay mặt đầu • Lực cắt: = = 2050 (N) = 209 (kG) • Px = (0.5÷0.55) Pz = 0.5×2050 =1025 (N) = 104.5 (kG) II TÍNH CHỌN VÍT ME TRỤC X 1 Chọn trục vít: a, Lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ cho vitme Các máy phay CNC có tốc độ quay của vitme không quá lớn hay tốc độ dịch chuyển của bàn máy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao khi gia công trên máy CNC thì hệ thống. .. máy doa tốc độ và các loại máy khác Đôi khi còn dùng trong máy tiện, máy tổ hợp, dùng trong truyền dẫn di động xà, trụ và các máy công cụ hạng nặng Ngoài dẫn ra còn dùng trong bộ truyền chính của các loại máy có chuyển động tịnh tiến khứ hồi như máy bào giường, máy chuốt • Các ưu điểm: - Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứng vững chiều trục cao - Tổn thất do ma sát bé, . động của máy móc, yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn và thông minh hơn. Việc sử dụng máy móc để thay thế sức lao động của con người là một xu hướng tất yếu để. như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC, Sự tiến bộ của kĩ thuật, trí thông minh nhân tạo, điều khiển số tạo ra những máy CNC có nhiều trục chính như 3, 6 trục chính chuyển