Đồ án Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục

118 trang yendo 15541

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_thiet_ke_che_tao_mo_hinh_may_phay_cnc_dieu_khien_hai_t.pdf

Nội dung text: Đồ án Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC ĐIỀU KHIỂN HAI TRỤC Đà Nẵng - 2009
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC ĐIỀU KHIỂN HAI TRỤC Sinh viên thực hiện : Phùng Văn Duy Đào Phú Khánh Lớp : 04C1B Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Yến ThS Nguyễn Đắc Lực Giáo viên duyệt : Đà Nẵng – 2009
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘ CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC KHOA CƠ KHÍ NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên : Phùng Văn Duy Đào Phú Khánh Lớp : 04C1B Khóa : 2004-2009 Giáo viên hướng dẫn : TS Nguyễn Văn Yến ThS Nguyễn Đắc Lực 1. Tên đề tài: Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 2. Các số liệu ban đầu Căn cứ theo số liệu của máy chuẩn máy phay điều khiển số PC MILL 155 để tính toán thiết kế máy phay CNC 2D và thiết kế chế tạo mô hình để mô phỏng quá trình hoạt động của nó. 3. Nội dung tính toán thiết kế của thiết minh - Phần 1: Các vấn đề chung về máy CNC và đặc điểm kinh tế kỹ thuật - Phần 2: Thiết kế phần truyền động của máy phay - Phần 3: Thiết kế hệ thống dẫn động tang dao - Phần 4: Cơ cấu gá kẹp phôi - Phần 5: Sử dụng, bảo quản và vận hành máy - Phần 6: Lập trình gia công 4. Các bản vẽ thiết kế 5. Mô hình máy phay CNC 2D 6. Cán bộ hướng dẫn : Th.S. Nguyễn Đắc Lực 7. Ngày giao nhiệm vụ: : / 2009 8. Ngày hoàn thành nhiệm vụ : / 2009
Thông qua bộ môn Cán bộ hướng dẫn Ngày tháng năm 2009 Ngày tháng năm 2009 Tổ trưởng bộ môn Sinh viên đã hoàn thành và Chủ tịch hội đồng nộp toàn bộ đồ án cho bộ môn Ngày tháng năm 2009 Ngày tháng năm 2009
LỜI NÓI ĐẦU Trong một thời gian khá dài, ngành cơ khí đã tập trung nghiên cứu để giải quyết vấn đề tự động hóa ở các xí nghiệp có quy mô sản xuất lớn (hàng loạt và hàng khối). Nhưng trong thực tế, các xí nghiệp máy có quy mô sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ lại là phổ biến ở Việt Nam. Do đó, đòi hỏi các xí nghiệp này phải nâng cao về hiệu quả sản xuất năng suất lao động; đều này đã dẫn tới vấn đề nghiên cứu triển khai kỹ thuật tự động có tính linh hoạt cao trong các dây chuyền sản xuất. Máy công cụ - trung tâm gia công điều khiển bằng chương trình số và kỹ thuật vi xử lý CNC - đã được sử dụng trong sản xuất hàng loạt vừa và hàng loạt nhỏ đã tạo điều kiện linh hoạt hoá và tự động hoá dây chuyền gia công. Đồng thời làm thay đổi phương pháp và nội dung chuẩn bị cho sản xuất. Trong những năm gần đây các máy NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và hiện nay đang hoạt động trong một số nhà máy, viện nghiên cứu và các công ty liên doanh. Cũng chính vì thế nên việc nghiên cứu, chế tạo máy CNC đã được nhiều nhà kỹ thuật, kỹ sư Việt Nam đang theo đuổi Để tổng kết lại những kiến thức đã học cũng như để làm quen với công việc thiết kế của người cán bộ kỹ thuật trong ngành cơ khí sau này. Em đã được nhận đề tài "Thiết kế máy phay CNC 2D“ dựa trên máy chuẩn PC MILL155. Vì lần đầu làm quen với công việc thiết kế tổng thể, mặc dù được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đắc Lực nhưng cũng không tránh khỏi những bỡ ngỡ. Hơn nữa, tài liệu phục vụ cho công việc thiết kế còn quá ít, thời gian thực hiện đề tài không nhiều, khả năng còn hạn chế nên chắc trong quá trình thiết kế sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Nên rất mong được sự giúp đỡ và chỉ bảo của các thầy cô. Sau thời gian 3 tháng làm đề tài tốt nghiệp bằng chính nổ lực của bản thân và được sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Đắc Lực, các thầy cô giáo và sự giúp đỡ của các bạn sinh viên khác trong khoa em đã hoàn thành xong đồ án tốt nghiệp này đúng thời gian qui định. Một lần nữa cho phép em gởi đến quí thầy cô cùng các bạn lòng biết ơn sâu nhất. Đà Nẵng, ngày 20 tháng 5 năm 2003 Sinh viên thực hiện Đào Phú Khánh Phùng Văn Duy
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục MỤC LỤC MỤC LỤC 1 Phần 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MÁY CNC 5 ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - KỸ THUẬT 5 Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY CNC 5 1. Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số 5 1.1. Khái niệm 5 1.2. Phân loại hệ thống điều khiển trên máy công cụ 5 1.3. Điều khiển theo kiểu truyền thống 5 1.4. Điều khiển số 5 2. Quá trình phát triển của máy CNC 8 2.1. Quá trình phát triển 8 2.2. Thực trạng ứng dụng máy CNC tại Việt Nam 11 2.3. Sự giống và khác nhau giữa máy phay truyền thống và máy phay CNC 11 3. Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số 13 3.1. Các hệ điều khiển số 13 3.2. Các dạng điều khiển của máy 15 4. Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn 18 4.1. Hệ tọa độ trên máy CNC 18 4.2. Hệ tọa độ của các loại máy phay 19 4.3. Các điểm gốc và điểm chuẩn 19 5. Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC 20 5.1. Quĩ đạo gia công 20 5.2. Cách ghi kích thước chi tiết 21 5.3. Lập trình cho máy công cụ CNC 22 5.4. Các phương pháp lập trình cho hệ điều khiển 24 5.5. Chương trình con và chương trình chính 27 6. Quy trình công nghệ, chủng loại và tính công nghệ của chi tiết 27 6.1. Đặc điểm của qui trình công nghệ gia công trên máy CNC 27 6.2. Chọn chủng loại chi tiết gia công trên máy CNC 28 6.3. Yêu cầu đối với công nghệ của chi tiết 28 1
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 7. Phương pháp thực hiện nguyên công trên máy CNC 29 7.1. Phân loại nguyên công trên các máy CNC 29 7.2. Các nguyên công phay 30 Chương 2 CƠ SỞ TỰ ĐỘNG CỦA MÁY CNC 34 1. Hệ thống đo chuyển vị trên máy công cụ CNC 34 1.1. Hệ thống đo theo kiểu quang học 34 1.2. Hệ thống đo chuyển vị theo số đo tuyệt đối 35 1.3. Nguyên tắc cảm ứng 35 2. Hệ thống tự động điều chỉnh vị trí 36 2.1. Điều khiển vị trí bằng thước mã hoặc bộ mã góc 36 2.2. Điều khiển vị trí bằng số với hệ thống đo dịch chuyển bằng gia số 37 2.3. Điều khiển vị trí bằng số nhờ hệ thống đo dịch chuyển tương tự có tính chất chu kỳ 37 3. Bộ so sánh 38 3.1. Bộ so sánh kiểu gia số 38 3.2. Bộ so sánh kiểu tuyệt đối 38 4. Đo trên máy CNC 38 4.1. Đo chi tiết máy trên máy CNC 38 4.2. Đo dao trên máy CNC 39 Chương 3 CÁC ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - KỸ THUẬT 40 Phần 2 THIẾT KẾ PHẦN TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY PHAY 42 Chương 1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH VÀ SƠ LƯỢC MÁY CHUẨN PC MILL-155 42 1. Thông số kỹ thuật chính của máy PC MILL- 155 42 1.1. Vùng làm việc (Working area) 42 1.2. Bàn máy (Milling table) 42 1.3. Hộp tốc độ (Milling spindle drive) 42 1.4. Hộp chạy dao (Feed drive) 42 1.5. Hệ thống dao cụ (Tool System) 43 2. Sơ lược máy chuẩn 43 Chương 2 HIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY 44 1. Vận tốc cắt và lượng chạy dao giới hạn 44 2
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 2. Thiết kế đường truyền tốc độ 46 2.1. Chọn động cơ và bộ biến tầng 46 2.2. Thiết kế động học bộ truyền đai 47 3. Thiết kế đường truyền chạy dao 47 3.1. Vài nét về truyền động bước 47 3.2. Đặc điểm và yêu cầu kỹ thuật của đường truyền chạy dao 48 3.3. Tính toán thiết kế đường truyền động chạy dao (Sử dụng động cơ bước) 48 3.4. Tính chọn công suất động cơ chạy dao ( Động cơ bước) 50 Chương 3 THIẾT KẾ ĐỘNG LỰC HỌC TOÀN MÁY 51 1. Xác định chế độ làm việc giới hạn 51 1.2. Chế độ cắt cực đại: 51 2. Xác định lực tác dụng khi gia công 52 2.1. Lực cắt 52 2.2. Thành phần của lực cắt (Hình2.8) 52 2.3. Các phương pháp xác định thành phần lực 53 3. Thiết kế động lực học đường truyền tốc độ trục chính 55 3.1. Chọn loại đai 55 3.2. Xác định đường kính bánh đai 56 3.3. Khoảng cách trục A và chiều dài đai 56 3.4. Xác định tiết diện đai 56 3.5. Xác định chiều rộng B của bánh đai 56 3.6. Tính lực căng và lực tác dụng lên trục 57 4. Thiết kế động lực học đường truyền chạy dao 57 4.1. Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ-răng thẳng cấp nhanh 57 4.2. Thiết kế bộ truyền răng trụ răng thẳng cấp chậm 62 4.3. Tính toán thiết kế trục và then 67 4.4. Thiết kế bộ truyền vítme- đai ốc bi 79 4.5. Thiết kế gối đỡ trục 85 Chương 4 CÁC CƠ CẤU ĐẶC BIỆT CỦA MÁY 90 1. Cơ cấu cấp và thay thế dụng cụ 90 2. Cơ cấu gá kẹp phôi (Đồ gá) 91 2.1. Phân tích các dạng cơ cấu sinh lực 91 2.2. Tính toán sơ bộ hệ thống sinh lực bằng khí nén 93 3
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Hình4.4: Sơ đồ hệ thống kẹp chặt bằng khí nén 93 Phần 3 SỬ DỤNG BẢO QUẢN VẬN HÀNH MÁY 95 1. Sử dụng và các chế độ truy nhập dữ liệu 95 1.1. Sử dụng. 95 1.2. Các chế độ vận hành máy. 96 1.3. Các chế độ truy nhập dữ liệu. 97 2. Bảo quản máy 98 2.1. Đặt máy 98 2.2. Sửa chữa máy 99 2.3. Nội dung của hệ thống sửa chữa dự phòng theo kế hoạch. 101 3. Bôi trơn máy 104 Phần 4 LẬP CHƯƠNG TRÌNH GIA CÔNG 106 1. Cấu trúc của chương trình NC. 106 2. Lập trình gia công trên máy bằng tay 106 3. Các chức năng dịch chuyển và các chu trình 108 3.1. Các chức năng dịch chuyển. 108 3.2. Các chu trình. 111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 4
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Phần 1 CÁC VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MÁY CNC ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - KỸ THUẬT Chương 1 ĐẠI CƯƠNG VỀ MÁY CNC 1. Khái niệm cơ bản về điều khiển và điều khiển số 1.1. Khái niệm Điều khiển là phương pháp hiệu chỉnh dòng năng từ nguồn cho đến cơ cấu chấp hành hoặc qui trình công nghệ nào đó để có thể đạt được một kết quả mong muốn. 1.2. Phân loại hệ thống điều khiển trên máy công cụ Người ta chia hệ thống điều khiển máy công cụ thành hai loại: − Điều khiển theo kiểu truyền thống − Điều khiển số 1.3. Điều khiển theo kiểu truyền thống Hệ thống điều khiển (HTĐK) theo kiểu này gồm: điều khiển bằng cam, điều khiển theo quảng đường, điều khiển theo thời gian, điều khiển theo chu kì, Nhìn chung các loại điều khiển này có chung các đặc điểm chính sau đây: − Điều khiển máy có sự tham gia phần lớn của người vận hành từ khâu cấp phôi, gá phôi, hiệu chỉnh dụng cụ cho đến khâu kiểm tra sản phẩm. − Các thao tác của HTĐK thường khó thay đổi (chính xác là không thay đổi được). Do vậy, nó không thích ứng với sự thay đổi sản phẩm. − Nếu không có sự tham gia của người vận hành thì cơ cấu máy thực hiện chu trình làm việc liên tục như các máy tự động. Với các loại máy này không thay đổi được hoặc muốn thay đổi cũng rất phức tạp. Do vậy, khuynh hướng phát triển chung là người ta muốn có những HTĐK mà nó dễ dàng thích nghi với sự thay đổi của sản phẩm. Nhìn chung, các HTĐK theo kiểu truyền thống tuy càng lúc càng được cải thiện tuỳ theo mức độ cơ khí hoá, tự động hoá của nhà máy sản nhưng vẫn chưa thực sự đáp ứng được nhu cầu của thực tế. 1.4. Điều khiển số 1.4.1. Bản chất của điều khiển số Khi gia công trên các máy công cụ thì chi tiết và dụng cắt thực hiện các chuyển động tương đối với nhau. Những chuyển động được lặp đi lặp lại nhiều lần khi gia công mỗi chi tiết gọi là chu kỳ gia công. 5
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Mỗi chu kỳ gia công được đặt trưng bởi hai thành phần đó là: phần kích thước và phần điều khiển. Hai thông tin không thể thiếu trong bất kỳ một máy điều khiển nào. Thông tin về kích thước cho phép chúng xác định hành trình của chu kỳ; trong khi đó thông tin về sự điều khiển cho phép xác định thứ tự của hành trình theo thời gian. 1.4.2. Điều khiển số và hệ thống điều khiển số 1.4.2.1. Điều khiển số Điều khiển số NC (Numerical Control) là một hình thức tự động hoá đặc biệt. Máy công cụ được lập trình để thực hiện một dãy có thứ tự các sự kiện với một tốc độ xác định trước nhằm gia công một chi tiết máy với toàn bộ những kết quả và tham số vật lí hoàn toàn có thể dự đoán được. Điều này được thực hiện là nhờ các bộ vi xử lý. Nó có thể tiếp nhận và chuyển đổi các dữ liệu gia công thành các tín hiệu điều khiển máy hoạt động và có thể thay đổi chức năng của nó bằng chương trình ngoài, chứ không phải chỉ thực hiện một số chức năng cố định như trước đây. 1.4.2.2. Hệ thống điều khiển số Là hệ thống mà trong đó các hoạt động được điều khiển là dữ liệu số đưa vào trực tiếp ở một điểm nào đó. Hệ thống đó phải tự động dịch chuyển tối thiểu một phần nào đó của dữ liệu này. Dữ liệu số là thông tin cung cấp bỡi tín hiệu mã nhị phân. Nó được biểu diễn dưới dạng mã số hoặc kí tự. Đây là thông tin cần thiết để tạo ra một chương trình, gọi là chương trình gia công chi tiết. Có 2 loại HTĐK: Hệ thống hở và hệ thống kín. a. Hệ thống hở Băng đục lỗ Hộp giảm tốc 1 2 3 M 4 Hình 1-1 Hệ thống điều khiên sô vòng hở 6
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy M: Động cơ Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở như sau: − Các hệ thống điều khiển được vận hành theo nhịp thời gian của một đồng hồ và độc lập với biến ra. − Không có cảm biến và bộ so sánh. Do đó, muốn đảm bảo chính xác cho biến ra của cơ cấu chấp hành thì cần có yêu cao về độ chính xác của hệ truyền động. − Cấu trúc đơn giản và giá thành thấp. b. Hệ thống kín 1: Bộ đọc 2: Bộ giải mã 3: Bộ khuếch đại 4: Bàn máy 5: Bộ so sánh 6: Cảm biến đo vị trí M: Động cơ Băng đục lỗ Bộ so sánh Hộp giảm tốc Máy 5 1 2 Σ 3 M x 4 x Hình 1-2 Hệ thống điều khiển số vòng kính Đặc điểm của hệ thống điều khiển số vòng hở như sau: − Độ chính xác của biến ra ít phụ thuộc vào hệ truyền động mà phụ thuộc vào cảm biến. − Làm việc chính xác và độ tin cậy cao. Do vậy, hầu hết các HTĐKS hiện nay là hệ thống kín. Các hoạt động điều khiển được vận hành qua các sai lệnh điều khiển giữa biến vào và biến ra. c. Cấu trúc từng phần của HTĐKS − Bộ đọc: bao gồm các dữ liệu gia công, mô tả các hoạt động của máy kể cả hiệu chỉnh dụng cụ dưới dạng từng câu lệnh của chương trình. Nó được in vào băng 7
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục đục lỗ. Và chỉ khi nào mỗi một dòng lệnh được hoàn hành nhiệm vụ thì một dòng lệnh khác được đọc. − Bộ giải mã: nhiệm vụ biến nội dung dòng lệnh thành tín hiệu điều khiển. − Bộ so sánh: so sánh giá thực của biến ra để chấp hành với giá trị biến vào của hệ điều khiển. Sai lệnh này nếu có sẽ được biến thành tín hiêụ điều khiển. − Bộ khuếch đại: dùng để biến đổi mức tín hiệu cần thiết cho mục đích điều khiển. − Cảm biến: dùng đo giá thực của biến ra. Sau đó, cung cấp cho bộ so sánh dưới dạng tín hiệu, thường là tín điện.s 2. Quá trình phát triển của máy CNC 2.1. Quá trình phát triển Điều khiển số NC (Numerical Control) là phương pháp tự động điều chỉnh các máy công tác (máy công cụ, Robot, băng tải vận chuyển phôi liệu, chi tiết gia công, sản phẩm, ) trong đó các hành động bị điều khiển được sản ra trên cơ sở cung cấp các dữ liệu ở dạng mã nhị phân. Nó được biểu diển dưới dạng các con số thập phân, các chữ cái và kí hiệu đặc trưng tạo thành một chương trình làm việc của thiết bị hay của hệ thống. Trước đây, cũng đã có những quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thuỷ lực, Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của KH- KT, nhất là trong lĩnh vực ĐKS và tin học đã tạo điều kiện thuận lợi cho các nhà chế tạo máy nghiên cứu và ứng dụng đưa vào các máy công cụ truyền thống các HTĐK tự động. Biến các máy công này thành các máy điều khiển theo chương trình số, gọi là các máy CNC (Computrized Numerical Control). Việc sử dụng các máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế; đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Do đó, hiện nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng rộng rãi công nghệ mới này vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao. Xuất phát từ ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua một chuỗi lệnh kế tiếp, liên tục như các máy công cụ ĐKS ngày nay được thực hiện từ mãi thế kỉ XIV. Khi ở châu Âu người ta dùng các chốt hình trụ để điều khiển các chuyển động của các hình trang trí trên đồng hồ lớn của nhà thờ. Năm 1808, Joseph M. Jacquard dùng những tấm tôn đục lỗ để điều khiển tự động các máy dệt. 8
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Năm 1863, M. Fourneaux phát minh ra đàn Piano nỗi tiếng thế giới. Với băng giấy đục lỗ làm vật mang tin. Năm 1938, Claud E. Shannon trong khi làm luận án tiến sĩ đã đi đến kết luận rằng việc tính toán và truyền tải nhanh dữ liệu có thể thực hiện bằng mã nhị phân. Từ năm 1949 đến 1952, Jonh Parsons và Học viện kỹ thuật Massachusett (Massachusett Institute Of Technology) đã thiết kế “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, làm bằng chứng cho một chức năng gia công chi tiết” theo hợp đồng của Không lực Hoa Kỳ. Cũng trong thời gian này, Parsons cùng với đồng nghiệp của ông đã đưa ra 4 tiên đề cơ bản sau: − Những vị trí được tính ra trên một biên dạng được ghi nhớ vào băng đục lỗ. − Các đục lỗ được đọc trên máy một cách tự động. − Những vị đã được đọc ra được liên tục truyền đi và được bổ sung thêm tính toán cho các giá trị trung gian nội tại. − Các động cơ servo ( vô cấp tốc độ ) có thể điều khiển được chuyển động các trục. Năm 1952, chiếc máy phay ĐKS đầu tiên ra đời mang tên là “ Cincinnate Hydrotel” có trục thẳng đứng do Học viện kỹ thuật Masssachusett cung cấp. Đơn vị điều khiển được lắp bằng các bóng đèn điện tử chân không, điều khiển 3 trục nhận dữ liệu thông qua băng đục lỗ mã nhị phân. Năm 1954, Bendix mua bản quyền phát minh của Parsons và chế tạo được thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên, nhưng vẫn còn dùng bóng đèn điện tử chân không. Năm 1958, “công cụ lập trình tự động APT” (Automatically Programmed Tool) ra đời. Đánh dấu một bước phát triển mới về lập trình cho máy. Trong thời gian đó, giới công nghệp nói chung đã bắt đầu nhận ra những ưu thế tiềm tàng của kỹ thuật ĐKS. Điều đó buộc họ phải xem xét một cách nghiêm túc, chặt chẽ và kỹ càng những vấn đề về nghành chế tạo máy của chính họ. Đồng thời họ cũng phải suy xem cái kỹ thuật công nghệ mới này có thể giúp đỡ họ như thế nào để cải tiến phương pháp hiện có của họ. Người ta nhanh chóng nhận ra rằng, phần lớn các bài toán cắt gọt kim loại như: Khoan lỗ, tiện, phay đường thẳng, không nhất thiết đòi hỏi tới bộ điều khiển hiện đại, sử dụng những phương máy tính hoá. Thế nhưng, việc ứng dụng ngay cả dạng cơ bản nhất của APT cho những thành phần hình học đơn giản cũng vừa cồng kềnh, vừa rắc rối và vừa đắt tiền.0 9
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Do vậy, nhiều ngôn ngữ đơn giản hơn dùng cho mục đích đặc biệt đã được phát triển. Tuy nhiên, đa số các ngôn ngữ này điều lấy APT làm gốc.0 Rồi cho đến giữa những thập niên 70, 80, với sự phát triển của công nghệ vi xử lí. Lần dầu tiên nó được đưa vào thiết bị điều khiển số có sự hỗ trợ của máy tính, tạo một bước nhảy khổng lồ trong lĩnh vực ĐKS. Từ các máy ĐKS NC trở thành những máy ĐKS CNC (Computeized Numerical Control), tức là những máy công cụ điều khiển số có sự trợ giúp của máy tính. Mặc khác, cùng với những mô đun điện tử dùng để lưu trữ dữ liệu và tạo xung, bộ vi xử lí hình thành trung tâm đóng ngắt và tính toán của tất cả mọi điều khiển số CNC hiện đại. Tốc độ chuyển nhanh của các phần tử này đủ để đưa ra nhiều chức năng và nhiệm vụ tính toán khác nhau mà không làm ảnh hưởng đến nhịp độ làm việc của các máy công cụ ghép nối với chúng. Nhưng nếu một bộ vi xử lí nào đó tỏ ra không đủ thực hiện mọi chức năng yêu cầu trong chu trình thời gian cực đại cho phép, thì khi đó có thể thêm vào đơn vị xử lí thứ 2 hoặc thậm chí thứ 3 sử dụng song song hoặc luân phiên cho những nhiệm đặc biệt.0 Rồi từ thập niên 80 trở đi, với sự phát triển của công nghệ truyền số liệu, các mạng cục bộ và liên thông đã tạo điều kiện cho các nhà chế tạo thực hiện việc nối kết giữa các máy CNC riêng lẽ (CNC Machine Tools) lại với nhau tạo thành các trung tâm gia công DNC (Directe Numerical Control) nhằm khai thác một cách có hiệu quả nhất như: cách bố trí, sắp xếp các công việc trên từng máy, tổ chức sản xuất, Và cũng dựa trên nền công nghệp này, một chuỗi các loại thiết bị, phần mềm và hệ thống được phát triển không ngừng bỡi các viện nghiên cứu và công nghệ khác nhau trên thế giới. Nhằm thoả mãn về nhu cầu thiết kế và chế tạo đặc biệt. Đó là những phần mềm thiết kế và gia công tạo hình theo công nghệ CAD/CAM (Computer Aided Desgin/ Computer Aided Manufacturing) theo hệ thống sản xuất linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System) và cao hơn là việc chế tạo và gia công chi tiết được thực hiện toàn bộ qua máy tính, người ta gọi là tổ hợp CIM (Computer Intergraded Manufacturing). Cho đến năm 2003 này, lịch sử phát triển của máy công cụ ĐKS đã được 51 năm tuổi. Nó đã được phát triển và ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. Từ những ứng dụng gia công đơn giản như việc di chuyển từ điểm đến điểm của máy khoan đến những máy công cụ điều khiển 2 trục như máy tiện, điều khiển 3 trục như máy phay, và cho đến những nhiệm vụ tự động gia công nhiều trục và độ phức tạp cao như: các khuôn rèn dập, các khuôn đúc áp lực, cánh tuabin và những chi tiết phức tạp của máy bay, tàu thuỷ, Ngoài ra, ngày nay máy CNC còn được dùng vào 10
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục việc kiểm tra giám sát, điện báo điện tín và nhiều lĩnh vực khác đã đem lại chất lượng và hiệu quả kinh tế rất đáng kể. Trong tương lai, với lợi thế về sự ghép nối các hệ thống CNC riêng lẽ với nhau để tạo thành mạng sẽ được phát huy trong chiến lượt gia công toàn cầu. Trong đó, dòng thông tin được thu phát, chuyển giao bằng hệ thống vệ tinh, đảm nhiệm mối liên kết giữa nhu cầu thị trường_ đơn đặt hàng_ nhà thiết kế_ nhà chế tạo_ nhà cung cấp_ nhà tiêu thụ , trong mạng liên thông toàn cầu WAR (World Area Netword). 2.2. Thực trạng ứng dụng máy CNC tại Việt Nam Ở Việt Nam trước năm 1990 khi nhắc đến công nghệ NC, CNC quả là rất xa lạ và ít người biết đến nó. Bắt đầu từ năm 1991, thông qua một số dự án chuyển giao công nghệ, hợp tác với nước ngoài như: dự án “Chuyển giao công nghệ thiết kế, phát triển và chế tạo khuôn mẫu”. Lúc đó các công nghệ CNC như: máy phay CNC, máy tiện CNC, đo lường CNC, lần đầu tiên được giới thiệu và thu hút sự quan tâm của nhiều nhà chuyên môn cũng như của các doanh nghiệp trong nước và liên doanh với ngoài. Hiện nay, nhiều nhà máy cơ khí trong nước đã và đang có những dự án đầu tư các dây chuyền sản xuất với phần lớn thiết bị trong dây chuyền là các máy CNC. Mặc dù, công nghệ CNC du nhập vào Việt Nam trong một thời gian ngắn nhưng có thể nói công nghệ này đã có một chỗ đứng tại Việt Nam và tin chắc trong những năm tới đây công nghệ này sẽ được dùng nhiều trong các xí nghiệp, phân xưởng, nhà máy ở nước ta. Vì nó đem lại hiệu quả kinh tế rất cao. Đặc biệt trong điều kiện sản xuất hiện nay ở nước ta. Do vậy, việc đẩy mạnh ứng dụng công nghệ CNC là một nhu cầu cần thiết đối với các cơ sở sản xuất nói chung và nghành chế taoû máy nói riêng. 2.3. Sự giống và khác nhau giữa máy phay truyền thống và máy phay CNC 2.3.1. Giống nhau: − Cấu trúc tổng thể Nói chung tương tự nhau là cùng sử dung bàn máy hình chữ thập nhằm nâng độ cứng cho máy. − Chức năng: + Dùng để gia công các bề mặt: mặt phẳng, mặt định hình. + Gia công các rãnh: rãnh thẳng, rãnh nghiêng, rãnh xoắn. + Gia công bánh răng. 2.3.2. Khác nhau: 2.3.2.1. Máy phay truyền thống − Về mặc kết cấu hộp tốc độ 11
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Trong máy phay vạn năng người ta sử dụng một động cơ điện xoay chiều có công suất lớn với một cấp tốc độ thông qua bộ truyền cơ khí gồm các bánh răng di trượt để thay đổi tốc độ, các tốc độ này được truyền đến đầu trục chính tạo ra tốc độ quay cho trục chính, thông qua các bánh răng ghép nối giữa hộp tốc độ với trục chính. Với hệ truyền động này do ma sát sinh ra giữa các băng ăn khớp, trọng lượng của các bánh răng, của các trục, ma sát giữa ổ và trục tất cả tạo nên một mômen cản rất lớn, nên mômen mở máy của động cơ phải lớn. Ngoài ra, do ma sát sinh ra làm tiêu hao một phần công suất của động cơ làm ảnh hưởng đến độ chính xác của máy. Sự rung động lớn cũng ảnh hưởng không nhỏ đến chất lượng bề mặt gia công chi tiết. − Về kết cấu hộp chạy dao Cũng sử dụng một động cơ điện xoay chiều có một cấp tốc độ để truyền chuyển động và công suất chạy dao cho bàn máy theo 3 phương X, Y, Z trong không gian. Để thay đổi được tốc độ người ta dùng hộp giảm tốc cơ khí (gồm các bánh răng di trượt) để tạo ra một số cấp tốc độ nhất định (điều khiển tốc độ phân cấp). Giữa các phương chuyển động X, Y, Z không có sự phối nhau mà chúng chỉ chuyển động độc lập. Bộ truyền vít me_ đai ốc dùng để truyền chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến cho bàn máy với độ tự hãm tốt. Tuy nhiên, do có khe hở giữa vítmevà đai ốc nên tạo nên sự va đập và dao động khi đảo chiều chuyển động. Đường truyền chuyển động tương đối dài, làm tiêu hao nhiều công suất. Khi cần định vị hành trình máy người ta dùng các cữ chặn có sự tác động của con người. Ngoài ra sự tác động của nhiệt lượng, sự rung động làm cho máy thiếu chính xác và khó khắc phục. − Các HTĐK dùng để đóng mở các nguồn động, thay đổi chuyển động của dao, thay đổi số vòng quay của trục chính, gá đặt phôi, tháo chi tiết, bôi trơn, thường là HTĐK cơ khí. − Công việc điều khiển máy điều do người thợ điều khiển bằng tay như: điều khiển số vòng quay, kiểm tra vị trí dung cụ và chi tiết, phụ thuộc vào tay nghề của người thợ. − Dễ sinh phế phẩm khi gia công chi tiết. − Khó gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp. − Hiệu kinh tế không cao. Tuy nhiên, ngày nay nó vẫn được dùng nhiều trong các phân xưởng và nhà máy. 12
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 2.3.2.2. Máy phay CNC − Hộp tốc độ: Do yêu cầu đường truyền động ngắn nhưng phải đảm bảo được phạm vi điều chỉnh động học, để máy đáp ứng nhanh và ổn định người ta dùng động cơ điện xoay chiều có thể thay đổi được tốc độ bằng bộ biến đổi tần số. Vì đường truyền ngắn nên ít hao tổn công suất, thời gian đáp ứng nhanh và công suất cắt cao. − Hộp chạy dao: Ngoài việc truyền công suất chạy dao cần thiết, khi gia công các chi tiết khác nhau như ở máy công cụ vạn năng thì hệ truyền động phải đảm bảo cho cơ cấu chấp hành định vị nhanh và chính xác cao. Để đáp ứng được điều kiện này thì hệ thống truyền động phải được thiết kế theo một hệ thống kín. − Sự chuyển động của bàn máy trong không gian có sự phối hợp nhịp nhàng của 3 trục X, Y, Z. Do vậy, trong các máy ĐKS người ta sử dụng động cơ bước điều khiển vô cấp tốc độ, tạo ra sự dịch chuyển theo 3 phương trong hệ toạ độ ĐềCác . − Để biến chuyển động quay của trục động cơ thành chuyển động tịnh tiến của bàn máy, người ta bộ truyền vít me_ đai ốc bi. − Quá trình gia công chi tiết được thực hiện một cách tự động. Tuy nhiên, trước khi gia công một chi tiết nào người ta phải đưa vào máy một chương trình đã được lập sẵn theo biên dạng của chi tiết đó. HTĐK thực hiện các lệnh này và kiểm tra chúng nhờ một hệ thống đo dịch chuyển của bàn trượt máy. − Độ chính xác gia công phụ thuộc vào độ chính xác của hệ thống đo. − Chất lượng gia công ổn định. − Có thể gia công những chi tiết phức tạp mà máy công cụ thường không gia công được. − Tháo và kẹp chi tiết một cách tự động. − Đem lại hiệu quả kinh tế rất cao. Ngày nay, các máy CNC chiếm phần lớn trong các dây chuyền sản xuất của phân xưởng, nhà máy có qui mô lớn. 3. Các hệ điều khiển số và các dạng điều khiển số 3.1. Các hệ điều khiển số 3.1.1. Hệ điều khiển NC ( Numerical Control ) Với hệ điều khiển này các thông số hình học của chi tiết gia công và các lệnh điều máy được cho dưới dạng dãy các con số. Tất cả được ghi vào băng đục lỗ dưới dạng các câu lệnh của chương trình. Các thông tin này được đưa vào hệ điều khiển, nó được mã hoá và tách thành các thông tin hình học và thông tin công nghệ. 13
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục − Thông tin hình học (Geometrical Information): là hệ thống thông tin điều khiển các chuyển động giữa dao và chi tiết. Nó ảnh hưởng tực tiếp đến quá trình tạo hình bề mặt (hình thành đường sinh và đường chuẩn của bề mặt hình học). − Thông tin công nghệ (Technological Information): là hệ thống thống tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu: chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính, − Nguyên tắc làm việc của hệ điều khiển NC là: Sau khi mở máy các lệnh thứ nhất và thứ hai được đọc. Khi quá trình đọc kết thúc thì máy bắt đầu thực lệnh thứ nhất. Trong khi đó, thông tin của lệnh thứ hai nằm trong bộ nhớ của hệ điều khiển. Sau khi lệnh thứ nhất thực hiện xong thì lệnh thứ hai bắt đầu làm việc. Trong khi đóï lệnh thứ ba được đọc và ghi vào bộ nhớ tại vị trí mà lệnh thứ hai vừa được giải phóng. Và quá trình đọc dịch như vậy cho đến hết chương trình. − Nhược điểm của hệ điều khiển NC là: + Khi gia công các chi tiết tiếp theo thì hệ điều khiển phải đọc lại tất cả các lệnh từ đầu. Điều này dễ gây nhầm lẫn, sai xót của bộ tính toán trong hệ điều khiển. Do đó, dễ gây phế phẩm đối với chi tiết gia công. + Chương trình dễ bị lỗi do băng đục lỗ, băng từ bị nhiễm bẩn hoặc bị mòn. + Khó thay đổi chương trình. 3.1.2. Hệ điều khiển CNC ( Computerized Numerical Control ) Đặc điểm chính của hệ điều khiển CNC là có sự tham gia của máy tính. Trong hệ điều khiển này, các nhà chế tạo máy đã cài đặt vào máy tính một chương trình điều khiển riêng cho từng loại máy. Với hệ điều khiển CNC cho phép thay đổi và hiệu chỉnh chương trình hoạt động của bản thân nó. Các chương trình có thể được nạp vào nhớ toàn bộ một lúc hoặc từng lệnh. Các lệnh điều khiển không chỉ viết cho từng lệnh riêng rẽ mà còn cho nhiều chuyển động cùng một lúc. Điều này cho phép giảm tối thiểu số câu lệnh của chương trình; từ đó nâng cao độ tin cậy và khả năng làm việc của máy. Ngoài ra, so với hệ điều khiển NC hệ điều khiển CNC có kích thước nhỏ hơn và giá thành cũng thấp hơn nhưng hiệu quả đạt được thì lại rất cao. 3.1.3. Hệ điều khiển DNC( Directe Numerical Control ) Hệ điều khiển DNC là sự kếït nối giữa các máy CNC riêng rẽ với nhau thành một trung tâm gia công và chụi sự chi phối của các máy tính trung tâm. Tất cả các chương trình CNC sẽ được lưu trữ trên đĩa cứng của máy tính và có thể gọi trực tiếp theo nhu cầu từng máy. Trong một số trường hợp, máy tính đóng vai trò trong việc chỉ đạo lựa chọn những chi tiết gia công theo thứ tự ưu tiên để phân đi các máy khác nhau. 14
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Ngoài ra, nó còn khả năng truyền dữ liệu nhanh và nối ghép vào hệ thống gia công linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing System ). 3.1.4. Điều khiển thích nghi AC (Adaptive Control) HTĐK thích nghi là hệ thống điều khiển có tính đến những tác động bên ngoài của hệ thống công nghệ để hiệu chỉnh chu kì gia công, nhằm loại những ảnh hưởng của các yếu tố đến độ chính xác gia công như : lượng dư gia công, độ mòn dụng cụ, lượng chạy dao, HTĐK thích nghi có 2 loại: − Điều khiển thích nghi cưỡng bức ACC (Adaptive Control Contrain ). − Điều khiển thích nghi tối ưu ACO ( Adaptive Control Optimation ). Với hệ thống điều khiển ACC chủ yếu dùng để điều khiển giới hạn các thông số cắt gọt còn hệ thống điều khiển ACO dùng cho việc điều khiển tối ưu hoá các quá trình gia công nhằm giảm thời gian gia công và giá thành sản phẩm. Hệ thống điều khiển thích nghi ngày càng phát triển, điều đó làm tăng hiệu quả quá trình gia công cắt gọt trên các máy công cụ. 3.1.5. Hệ thống gia linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing System ) Là hệ thống có thể gia công một chủng loại chi tiết có mức độ khác nhau nhất định, với số lượng và thứ tự gia công tuỳ ý. Một hệ thống gia công linh hoạt thường có 3 yếu tố cơ bản sau: − Các trạm gia công. − Lưu trữ và vận chuyển nguyên vật liệu. − Hệ thống điều khiển máy tính. Ngoài ra, một yếu quan trọng của hệ thống điều khiển FMS là con người. Con người ở đây chỉ đảm nhận công việc quản lí và điều hành hệ thống chế tạo; còn từng nguyên công do máy thực hiện một cách tự động theo chương trình cài đặt sẵn. 3.2. Các dạng điều khiển của máy Như ta đã biết, các máy CNC khác nhau có thể gia công được các bề mặt khác nhau do sự chuyển động tương đối giữa dao và chi tiết cần gia công như: các lỗ, mặt phẳng, các mặt định hình, . Do đó các dạng điều khiển của máy chia thành 3 loại sau: − Điều khiển theo điểm. − Điều khiển theo đường. − Điều khiển theo biên dạng ( Contour ) 15
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 3.2.1. Điều khiển theo điểm Được dùng để gia công các lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa, và cắt ren lỗ. Trong quá trình gia công, chi tiết được cố định trên bàn máy còn dụng cụ thực hiện việc chạy dao nhanh đến vị trí đã được lập trình. Trong khi dịch chuyển nhanh dao cụ không thực hiện việc cắt gọt. Chỉ khi nào đạt được toạ độ theo yêu cầu thì nó mới bắt đầu thực hiện các Hình 1.3 Điều Khiển điểm chuyển động cắt gọt. Ví dụ: Khi gia công hai lỗ M(xM, yM) và N(xN, yN) trong hệ toạ độ Oxy (Hình 1-3). Chúng ta có thể điều khiển theo các cách sau: Đầu tiên cho dụng cụ thực hiện chạy dao nhanh đến điểm M. Sau đó, thực hiện việc gia công lỗ M. Khi gia công xong tiến hành rút dao và chạy nhanh đến điểm N để gia công lỗ N. Quá trình dịch chuyển từ M đến N được thực bằng hai cách: − Quĩ đạo dịch chuyển theo MM1KN song song với trục Ox, Oy. − Quĩ đạo chuyển động theo đường tối ưu MKN. 3.2.2. Điều khiển theo đường thẳng Là dạng điều khiển mà khi gia công dụng cắt được thực hiện lượng chạy dao theo một đường thẳng nào đó (Hình 1.4a). 3.2.3. Điều khiển theo biên dạng ( Contour ) Là dạng điều khiển cho phép thực hiện chạy dao nhiều trục cùng một lúc, nghĩa là nó có thể gia công một đường cong bất kì trên mặt phẳng hay trong không gian (Hình 1.4b). G00 G01 Hình 1.4a: Điều khiển theo đường Hình 1.4b: Điều khiển theo biên dạng 16
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Tuỳ theo số trục được điều khiển đồng thời khi gia công mà người ta chia thành các dạng điều khiển: 2D, 2.5D, 3D, 4D, 5D, . 3.2.3.1. Điều khiển 2D Cho phép thực hiện chạy dao theo 2 trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công. Riêng đối với máy phay trục thứ 3 thực hiện việc ăn dao theo chiều sâu, nó được điều khiển một cách độc lập so với 2 trục kia (Hình 1.5) Hình 1.5: Điều khiển đường 2D 3.2.3.2. Điều khiển biên dạng 2.5D Cho phép dịch chuyển dụng cụ theo 2 trục đồng thời để tạo một đường cong phẳng còn trục thứ 3 được điều khiển độc lập. Tuy nhiên, nó khác với điều khiển 2D ơ í chổ hai trục được điều khiển đồng thời có thể đổi vị trí cho nhau (Hình1-6) Hình 1-6: Điều khiển 2.5D 3.2.3.3. Điều khiển 3D Cho phép thực hiện chuyển động chạy dao đồng thời theo cả 3 trục X, Y, Z. Nó thường được dùng để gia công các mẫu, các chi tiết có bề mặt không gian phức tạp (Hình1-7). 3.2.3.4. Điều khiển 4D, 5D (Hình1.8) Dựa trên điều khiển 3D người ta bố trí Hình1-7: Điều khiển 3D cho dụng cụ hoặc chi tiết có thêm 1 hoặc 2 chuyển động quay xung quanh một trục nào đó theo một quan hệ ràng buuộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D. Như vậy, tuỳ theo độ phức tạp của chi tiết mà ta lựa chọn phương pháp điều khiển cho thích hợp. 17
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Hình1.8a: Điều khiển đường viền 4D Hình1.8b: Điều khiển đường viền 5D 4. Hệ tọa độ trên máy CNC và các điểm chuẩn 4.1. Hệ tọa độ trên máy CNC Để xác định ví trí tương quan hình học trong vùng làm việc của máy, trong phhạm vi chi tiết gia công một cách rõ ràng thì cần thiết phải gắn nó vào một hệ toạ độ nào đó. Thông thường trên các máy CNC người ta thường sử dụng hệ toạ độ ĐềCác Oxyz (Hình1.9). Cách xác định các trục theo qui tắc bàn tay phải và nó luôn được gắn vào chi tiết gia công. z y C + + B O + A x Hình1.9: Hệ trục toạ độ ĐêCác Oxyz Khi tiếp xúc và làm việc với máy CNC phải tuân theo qui ước: − Chi tiết gia công được xem là cố định còn mọi chuyển tạo hình và cắt gọt do dao cụ thực hiện. − Phương trục chính là Oz, chiều dương là chiều dao tiến ra xa chi tiết. − Phương chuyển động của bàn xe dao là Ox và có chiều dương hướng ra xa chi tiết gia công. − Trục Oy xác định theo qui tắc bàn tay phải. 18
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 4.2. Hệ tọa độ của các loại máy phay 4.2.1. Máy phay đứng (Hình1.10) − Trục Z song song với trục chính và có chiều dương hướng lên trên. − Trục X nằm trên bàn máy, nếu nhìn vào trục chính thì chiều dương hướng về bên phải. − Trục Y xác định theo qui tắc bàn tay phải. 4.2.2. Máy phay nằm ngang (Hình1.11) Hình 1-10 Khi trục Z thẳng − Trục Z nằm ngang và có chiều dương hướng vào ttrục máy. − Trục X nằm trt ên bàn máy, chiều dương là chiều mà khi nhìn vào trục chíính thì nó nằm phía trái. − Trục Y xác định theo qui tắc bàn tay phải. Hình1.1 1 Khi tr ụ c Z ngang 4.3. Các điểm gốc và điểm chuẩn (Hình1.12) 4.3.1. Điểm gốc của máy M (Machine Reference Zero) Quá trình gia công trên máy ĐKS được thiết lập bằng một chương trình biểu diễn mối quan hệ giữa dao và chi tiết. Do vậy để đảm bảo độ chính xác gia công thì các chuyển các chuyển động của dao phải được so sánh với điểm gốc của máy M. Điểm M là điểm giới hạn vùng làm việc của máy. Nó được các nhà chế tạo qui định.Ở máy phay thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy. 4.3.2. Điểm chuẩn của máy R (Machine Reference Point) Là điểm mà toạ dộ của nó so với điểm gốc của máy M là không thay đổi và cũng do các nhà chế tạo qui định. 4.3.3. Điểm zero của phôi W (Workpiece Zero Point) − Là gốc toạ độ của chi tiết và nó phụ thuộc vào người lập trình. Hình1.12: Các điểm gốc và điểm chuẩn 19
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục − Đối với chi tiết phay người ta thường chọn điểm W tại điểm góc ngoài của đường viền chi tiết. 4.3.4. Điểm gốc của chương trình P (Programmed) − Điểm gốc của chương trình thực tế là điểm P của dụng cắt (Hình1.13) − Chú ý khi chọn điểm P phải thuận tiện cho việc thay dao (không làm ảnh hưởng đến chi tiết và đồ gá). P P P P Hình1.13: Điểmgốccủachương trình 4.3.5. Điểm chuẩn của gá dao Tvà điểm gá dao N Điểm T dùng để xác định hệ trục toạ độ của dao. Thường khi gá dao trên máy thì điểm T trùng với điểm N (Hình1.14) Hình1.14: Điểm chuẩn của gá dao Tvà điểm gá dao 5. Những khái niệm cơ bản về lập trình gia công trên máy CNC Trên các máy CNC quá trình gia công được thực hiện một cách tự động. Hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển quá trình gia công theo một chương trình đã lập sẵn. Trong đó, quá trình CNC đóng một vai trò rất quan trọng. Nó là một mắc xích quan trọng của quá trình chuẩn bị sản xuất. Trên cơ sở này, cho phép ta định nghĩa lập trình là gì? Lập trình là quá trình thiết lập các lệnh cho dụng cụ cắt, trên cơ sở bản vẽ chi tiết và các thông tin công nghệ. Nó được tổng hợp rồi được chuyển sang bộ phận mang dữ liệu. Tại đây nó được mã hoá và sắp xếp theo dạng mà máy có thể hiểu được. 5.1. Quĩ đạo gia công Để gia công các chi tiết theo chương trình, trước hết phải xác định được quĩ đạo chuyển động cắt gọt và quĩ đạo chuyển động của tâm dao P. Quĩ đạo của tâm dao có thể trùng với biên dạng của chi tiết, có thể theo đường cách điều biên dạng 20
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục chi tiết hoặc có thể thay đổi vị trí theo một qui luật xác định so với biên dạng của chi tiết. Để gia công toàn bộ các bề mặt của biên dạng chi tiết thì quĩ đạo chuyển động của tâm dao phải liên tục. Tuy nhiên, việc xác định quĩ đạo của tâm dao trong không gian rất phức tạp. Do đó, khi lập trình quĩ đạo của tâm dao thì ta thường lập trình theo từng phần biên dạng riêng biệt. 5.2. Cách ghi kích thước chi tiết Để lập trình gia công trên máy CNC thì kích thước trên bản vẽ phải được ghi theo toạ độ ĐềCác. Có hai cách ghi thước trên bản vẽ: − Ghi kích thước tuyệt đối. − Ghi kích thước tương đối (theo gia số). 5.2.2. Ghi kích thước tuyệt đối (Hình 1.15) Là cách ghi mà tất cả các kích thước xuất phát từ điểm gốc của chi tiết W. 5.2.3. Ghi kích thước tương đối Là cách ghi mà các kích thước sau xuất phát từ điểm kết thúc của kích thước trước nó. Thực tế, cách ghi này người ta ít dùng vì nó ảnh nhiều đến kết quả gia công (Hình 1.16). 7 Y 8 7 7 4 6 70 4 2 3 1 1 4 5 3 6 W 4 7 9 X 9 Hình 1.15. Ghi kích thước tuyệt 70 Y 8 70 7 6 4 70 2 3 7 1 4 5 3 30 30 W 3690X Hình 1.16. Ghi kích thước tương ố 21
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 5.3. Lập trình cho máy công cụ CNC Một máy phay thông thường thực hiện các nguyên công kế tiếp nhau do người vận hành điều khiển bằng tay. Còn trên máy phay CNC thì mọi quá trình gia công được thực hiện một cách tự động, nhờ hệ thống điều khiển theo chương trình số điều khiển và theo dõi. Một chương trình CNC phải đảm bảo 2 thông tin cần thiết là thông tin hình học và thông tin công nghệ. Ngoài ra, nó phải được viết bằng loại ngôn ngữ lập trình mà máy có thể hiểu được. 5.3.1. Thông số hình học (Geomatrical Information) Tuỳ theo từng biên dạng cụ thể của chi tiết mà ta có thể tiến hành lập quĩ đạo chạy dao cắt gọt. Dựa trên các thông số hình học của bản vẽ chế tạo (hình1.17). 1 P1 0 P0 2 P2 5 P5 3 P3 4 P4 Hình 1.17. Gia công theo biên dạng 5.3.2. Thông số công nghệ (Technological Information) 5.3.2.1. Tốc độ chạy dao F (Feedrate) − Được lập trình với địa chỉ F (mm/ph hoặc in/ph). − Trong phạm vi lượng chạy dao, có thể lập trình với bất kì giá trị nào. − Chuyển động chạy dao chỉ có thể thực hiện khi trục chính quay. − Giá trị chạy dao sẽ hết hiệu lực khi có một giá trị khác của lượng chạy dao thay thế. 5.3.2.2. Số vòng quay trục chính S (Speed) − Được lập trình với địa chỉ S (v/ph). − Chiều quay được xác định: + Quay theo chiều kim đồng hồ dùng lệnh M03 hoặc S+. 22
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục + Quay theo chiều ngược kim đồng hồ dùng lệnh M04 hoặc S-. − Giá trị vòng quay trục chính hiệu lực khi có giá trị khác thay thế. 5.3.3. Chương trình gia công Một chương trình được thiết lập để gia công một chi tiết gọi là chương trình chi tiết. Nó bao gồm nhiều từ lệnh và các từ lệnh này nằm trong các câu lệnh. 5.3.3.1. Từ lệnh Từ lệnh là sự phối hợp giữa con số và kí 1 G 01 2 tự. Mỗi từ lệnh thực hiện một công việc riêng lẽ cho máy. G 01 G 02 Ví dụ: Cho biên dạng gia công trên máy 4 G 01 3 CNC như hình bên Hình 1.18.Ví dụ lập trình G01: Nội suy tuyến tính G03: Nội suy phi tuyến tính theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. S400: Tốc độ quay của trục chính là 400 v/ph. 5.3.3.2. Câu lệnh Câu lệnh là sự ghép nối giữa các từ lệnh lại với nhau để thực hiện một chuyển động hay một chức năng nào đó của máy. 5.3.3.3. Các kí tự địa chỉ và những dấu hiệu đặt biệt (DIN 66025) Ký tự/Dấu hiệu Ý nghĩa A Chuyển động quay quanh trục X B Chuyển động quay quanh trục Y C Chuyển động quay quanh trục Z D Chuyển động quay quanh một trục khác hoặc chạy dao thứ 3 E Chuyển động quay quanh một trục khác hoặc chạy dao thứ 2 F Chạy dao G Điều kiện đường dịch chuyển H Chưa dùng I Thông số nội suy hoặc bước ren song song với trục X J Thông số nội suy hoặc bước ren song song với trục Y K Thông số nội suy hoặc bước ren song song với trục Z L Chưa dùng M Chức năng phụ N Số thứ tự câu lệnh 23
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục O Không dùng P Chuyển động thứ 3 // X hoặc thông số hiệu chỉnh dao Q Chuyển động thứ 3 // Y hoặc thông số hiệu chỉnh dao R Chuyển động thứ 3 // Z hoặc thông số hiệu chỉnh dao S Số vòng quay trục chính hoặc tốc độ cắt T Gọi dao U Chuyển động thứ 2 // X V Chuyển động thứ 2 // Y W Chuyển động thứ 2 // Z X Chuyển động // X Y Chuyển động // Y Z Chuyển động // Z % Bắt đầu một chương trình DEL Dấu xoá LF Kết thúc câu lệnh (Line feed) CR Lùi giá bút (Car Reture) SP Dấu cách (Space) 5.3.3.4. Cấu trúc một chương trình Để viết chương trình gia công cho một biên dạng chi tiết. Ta tiến hành chia biên dạng đó thành những biên dạng hình học đơn giản.Nó có thể được điều khiển trong từng bước gia công hay trong một câu lệnh của chương trình Cấu trúc cơ bản của một chương trình gia công gồm: 1. Chia biên dạng thành các yếu tố hình học đơn giản. 2. Chia quá trình gia công thành các bước gia công. 3. Lập chương trình. 4. Nạp vào bộ điều khiển. 5. Chạy mô phỏng. 6. Khởi động chương trình. 7. Cho thực hiện việc gia công chi tiết. 5.4. Các phương pháp lập trình cho hệ điều khiển Xuất phát từ yêu cầu về tính linh hoạt và mức độ tự động hoá cao của tất cả các thiết bị gia công, dẫn tới bước nhảy vọt trong việc ứng dụng các hệ điều khiển CNC trong các phân xưởng, xí nghiệp sản xuất và chế tạo. Sự phát triển đó tác động rất lớn đến khả năng thiết lập các chương trình CNC. 24
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Tuỳ theo đặc tính và khả năng làm việc của từng máy CNC mà chúng ta có thể lựa chọn phương pháp lập trình thích hợp nhất. 5.4.1. Lập trình trực tiếp trên máy CNC Lập trình trực tiếp trên máy CNC là quá trình tìm ra các thông số điều khiển và nạp chúng vào hệ điều khiển, thực hiện trực tiếp trên máy thông qua bảng điều khiển. Tuy nhiên, để thực hiện công việc này được thì các máy CNC phải được trang bị các phím chức năng và màng hình đồ hoạ cho phép nhận trực tiếp các câu lệnh vào máy CNC. Với phương pháp lập trình này, cho phép giảm tối thiểu thời gian chi phí cho việc tính toán các điểm trung gian, chiều sâu cắt và thời dừng máy cần thiết của máy, . Sở dĩ phương pháp lập trình này có những ưu điểm như trên là do người ta bố trí vào các máy CNC các chương trình con, các số liệu về toạ độ các điểm cần thiết để người lập trình có thể lấy chúng ra dùng bất kì lúc nào. Một đặc điểm không thể thiếu đối với các lập trình viên và kỹ sư lập trình khi lập trình trực tiếp trên máy là phải sử dụng thành thạo các kỹ thuật menu và các softkey trên cụm điều khiển CNC. Kỹ thuật menu được hiểu là: trên màn hình hiển thị một loạt các khả năng lựa chọn khác nhau cho người sử dụng trong một lĩnh vực cụ thể xác định. Softkey là những phím gắn liền với màn hình mà chức năng của chúng không xác định theo thời gian. Chức năng các nút bấm thay đổi theo menu lựa chọn và được hiển thị trên màn hình. Sau khi lập trình xong, muốn kiểm tra chương trình có đúng hay không, có nguy cơ mất an toàn hay gây ra va chạm với máy, đồ gá hay không, . Người lập trình phải tiến hành cho máy chạy mô phỏng quĩ đạo chuyển động cắt của dao cụ trên màn hình theo chương trình đã được thiết lập. Nếu còn chỗ nào đó chưa hợp lí thì tiến hành kiểm tra và sữa chữa lại cho đến lúc chắc chắn là đúng thì mới tiến hành gia công. Phương pháp lập trình này phù hợp với nhà ứng dụng kỹ thuật CNC lần đầu tiên khi chế tạo các chi tiết đơn giản, gia công các chi tiết đơn lẽ trên máy CNC để thí nghiệm, chế tạo mẫu, dao cụ, . 5.4.2. Lập trình bằng tay Là quá trình thu thập, sắp xếp và xử lý các số liệu cần thiết cho việc gia công chi tiết trên máy CNC mà không có sự trợ giúp của máy tính. 25
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Với phương pháp lập trình này đòi hỏi người lập trình phải có kiến thức vững về lượng giác, về hình giải tích, công nghệ gia công và khả năng sử dụng của máy. Ngoài ra, người lập trình phải thành thạo các chức năng G code và M code. Phương pháp này thường được ứng trong các phân xưởng hoặc trên các cụm CNC khác. 5.4.2.1. Lập trình bằng tay trên cụm CNC khác Trong khi các máy CNC đang hoạt động, người ta có thể chuẩn bị cho chúng một chương trình gia công tiếp theo bằng cách bảng lập trình CNC khác hay các máy tính trong hệ thống DNC. Phương pháp này thuận lợi để gia công các chi tiết đơn giản, thực hành và công tác đào tạo. 5.4.2.2. Lập trình bằng tay tại các phân xưởng chuẩn bị sản xuất Kiểu lập trình này được áp dụng cho các nhà máy có qui mô sản xuất lớn, tức có nhiều máy CNC khác nhau, gia công được nhiều loại chi tiết khác nhau với số lượng lớn. Khi đó, công việc lập trình được thực hiện tại phòng công nghệ , tại trung tâm lập trình của nhà máy, phân xưởng. Do đó, đòi hỏi đội ngũ lập trình viên phải có đủ trình độ về chuyên môn và kinh nghiệm. Cách lập trình này có các đặc điểm: − Năng suất lập trình cao và người lập trình bằng tay chưa vận hành máy thành thạo vẫn có thể lập trình gia công cho nhiều loại chi tiết khác nhau. − Các lỗi chương trình chỉ được phát hiện sau khi thực hiện việc chạy mô phỏng và gia công thử. 5.4.3. Lập trình với sự trợ giúp của máy tính Quá trình lập trình theo kiểu này tương tự lập trình bằng tay. Tuy nhiên, thời gian lập trình và các lỗi được giảm xuống một cách đáng kể nhờ các bộ vi xử lí, bộ nội suy và một số khối lượng lớn các dữ liệu cần thiết được cài đặt sẵn trong máy khi cần chỉ việc truy cập theo địa chỉ và sử dụng. Hiện nay với sự phát triển vượt bậc của nghành công nghệ thông tin và kỹ thuật số. Nó đã cho phép các nhà lập trình ứng dụng vào công việc của mình. Cụ thể từ cơ sở CAD (Computeri Aided Design) người ta cài đặt thêm một hệ thống biên dịch trợ giúp cho quá trình lậûp trình. Sau khi chi tiết được thiết kế xong, máy tính thực hiện việc tính toán hình học và công nghệ nhờ vào bộ vi xử lí (Processor) để đưa ra phương án gia công thích hợp. Sau đó, nhờ bộ hậu xử lí (Post Processor) theo code của HTĐKS tương thích được lắp trên máy, để cho ra chương trình gia công thích hợp với ngôn ngữ của máy, kỹ thuật này gọi là CAM (Computer Aided Manufacturing). 26
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Công nghệ CAD/ CAM ngày càng phát triển và được ứng dụng rộng rãi có qui mô sản xuất vừa và lớn. 5.5. Chương trình con và chương trình chính Chương trình con là chương trình gia được thực hiện trên từng bề mặt hoặc từng phần của chi tiết. Chương trình chính là chương trình để gia công toàn bộ biên dạng của chi tiết. 6. Quy trình công nghệ, chủng loại và tính công nghệ của chi tiết 6.1. Đặc điểm của qui trình công nghệ gia công trên máy CNC Qui trình công nghệ gia công trên các máy CNC khác với qui trình công nghệ truyền thống ở mức cụ thể hoá rất cao và ở đặc điểm ở việc cung cấp thông tin. Về mặc cấu trúc, qui trình công nghệ trên các máy CNC cũng được chia ra các nguyên công, các bước, nhưng các bước ở đây lại phải chia ra các lớp cắt, mỗi lớp cắt được thực hiện sau mỗi quĩ đạo dịch chuyển của dụng cụ cắt. Thành phần đơn giản nhất của qui trình công nghệ này là các dịch chuyển đơn giản và các bộ điều khiển công nghệ do bộ điều khiển máy cung cấp. Các dịch chuyển đơn giản đó là các đoạn thẳng, cung tròn. Các lệnh điều khiển công nghệ được thực hiện bỡi các cơ cấu chấp hành của máy để đảm bảo điều kiện cần thiết cho các dịch chuyển đơn giản. Như vậy, các dịch chuyển đơn giản và các lệnh điều khiển công nghệ tạo thành chương trình điều khiển. Lập qui trình công nghệ và điều khiển cho máy CNC là một nhiệm vụ của chuẩn bị công nghệ. Thiết kế qui trình công nghệ gia công chi tiết trên máy CNC gồm 3 bước: Bước 1: Lập tiến trình công nghệ − Tài liệu cần thiết là bản vẽ chi tiết và bản vẽ phôi. − Nhiệm vụ: + Xác định khả năng gia công chi tiết trên máy CNC theo kết cấu công nghệ và theo điều kiện sản xuất. + Nghiên cứu phôi, làm quen với dụng cắt và đồ gá. + Xác định trạng thái công nghệ của chi tiết như: yêu cầu đối với các bề mặt chuẩn, lượng dư và các kích thước chính. + Lập tiến trình gia công chi tiết (phân các bề mặt theo loại để chọn máy gia công). + Xác định phương pháp gá đặt và chọn đồ gá cần thiết. + Xác định dụng cắt và chọn chúng theo từng loại. 27
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Bước 2: Thiết kế nguyên công − Xác định nộüi dung nguyên công , chia nguyên công ra các bước và cụ thể hoá các phương pháp kẹp chặt. − Chia ra các lớp cắt, chọn dụng cụ cắt, chuẩn bị phương pháp điều chỉnh máy và điều chỉnh dao. Bước 3: Lập trình gia công − Tính toán các quĩ đạo chuyển động của dao sau khi xác định toạ độ các điểm. − Lập trình và ghi vào bộ nhớ của bộ điều khiển máy. − Kiểm tra chương trình và tiến hành chạy mô phỏng. 6.2. Chọn chủng loại chi tiết gia công trên máy CNC Khi nghiên cứu về chủng loại chi tiết người ta muốn đề cập đến tính không đổi của chúng. Các chi tiết máy có thể chia thành các loại sau: chi tiết tròn xoay, chi tiết hình trụ, chi tiết phẳng và chi tiết định hình phức tạp. Các chi tiết loại này chiếm khoảng 92% tổng số các chi tiết trong sản xuất. Mỗi chi tiết được đặt trưng bỡi 2 nhóm yếu tố sau: − Nhóm yếu tố kỹ thuật: vật liệu và kích thước hình học. − Nhóm yếu tố về kinh tế: tổ chức sản lượng hàng năm, số lượng chi tiết trong loạt, giá thành chế tạo. Tiêu chuẩn đánh giá sự lựa chọn chủng loại chi tiết gia công trên máy CNC thường là chỉ tiêu kinh tế, các chi phí chế tạo chi tiết. Còn tính hiệu quả kinh tế được xác định trên cơ sở nghiên cứu những yêu cầu kỹ thuật và những giới hạn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của chi tiết. 6.3. Yêu cầu đối với công nghệ của chi tiết Các chi tiết gia công trên máy CNC phải đảm bảo được các yêu cầu về tính công nghệ như: tiêu chuẩn hoá được các kích thước mặt trong và mặt ngoài, hình dáng kích thước phải đảm bảo cho việc ăn dao và thoát dao dễ dàng. Ngoài ra, chi tiết còn phải đảm bảo cho việc định vị an toàn và thuận tiện khi gia công. Đối với các chi tiết gia công trên máy phay CNC điều kiện cần thiết nhất là phải đảm bảo được vị trí chính xác so với các trục toạ độ của máy. Vì vậy, khi phân tích tính công nghệ của chi tiết phải chú ý đến các bề mặt chuẩn của nó. Nếu trên chi tiết không có các lỗ để làm chuẩn (theo kết cấu của chi tiết) thì ta phải tạo ra các lỗ phụ để làm chuẩn và khoảng cách giữa các lỗ phải là xa nhất mà ta có thể tạo ra. Đường kính d nhỏ nhất của lỗ chuẩn phụ thuộc vào kích thước của chi tiết và được xác định như sau: 28
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Kích thước chi tiết 2000 Đường kính chi tiết 4 6 10 16 20 Trong trường hợp, không thể tạo ra được các lỗ chuẩn trên chi tiết thì phải tạo thêm các phần kết cấu phụ để tạo các lỗ chuẩn trên đó (phần kết cấu phụ sẽ được hớt đi ở phần nguyên công cuối cùng). Một đặc điểm nổi bật của công nghệ phay thường thấy là bề mặt phay có tính chất sử dụng tốt hơn bề mặt mài, vì: bề mặt sau khi phay tạo ra những hố tập trùng với ứng suất ít nguy hiểm hơn bề mặt sau khi mài. Vì vậy, khi lập qui trình công nghệ trên máy phay không cần có thêm nguyên công mài sau khi phay. 7. Phương pháp thực hiện nguyên công trên máy CNC 7.1. Phân loại nguyên công trên các máy CNC Các nguyên công cắt gọt trên máy CNC có thể chia thành 4 loại cơ bản sau: 7.1.1. Gia công các loại nhỏ không lặp lại (Dạng A) Loạt nhỏ chi tiết là loại có tổng thời gian cắt và thời gian ăn dao, thoát dao của tất cả dụng t nhân với hệ số thời gian cắt λ nhỏ hơn tổng tuổi bền kinh tế của tất cả các dụng cụ Ti. Σti .λ.q tổng tuổi bền của tất cả dụng cụ cắt cần thiết và của các dụng cụ lắp đặt thêm. Σti .λ.q > ΣTi.(q + qo) (7.3) Với qo: số lượng dụng cụ lắp đặt thêm 29
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 7.1.4. Gia công chi tiết loạt vừa và lớn có lặp lại ( Dạng D ) Việc phân chia ra các dạng loạt chi tiết ở trên cho phép xác định thứ tự và nội dung công việc của các nguyên công. Thực tế cho thấy gia công loạt lớn lặp lại trên máy CNC mang lại hiệu quả kinh tế cao hốn với trường hợp gia công các loạt nhỏ không lặp lại. 7.2. Các nguyên công phay 7.2.1. Vùng gia công Vùng gia công được chia thành 4 loại như sau: 7.2.1.1. Vùng gia công hở Là vùng dao không bị hạn chế khi dịch chuyển dọc theo trục của nó hoặc trong mặt phẳng vuông góc với trục dao ( Hình1-19 ). Hình 1-19. Vùng gia công hở 7.2.1.2. Vùng gia công nữa hở Là vùng mà dao bị hạn chế khi dịch chuyển dọc hoặc trong mặt phẳng vuông góc với trục của nó (Hình1-20a). 7.2.1.3. Vùng gia công kín: Là vùng gia công mà dao bị hạn chế theo tất cả các phương dịch chuyển của nó (Hình1.20b). 30
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Hình 1-20a Hình 1-20b Hình 1-20c 7.2.1.4. Vùng gia công tổ hợp Là vùng mà dao tạo thành các vùng gia công trên (Hình1-20c) 7.2.2. Lượng dư phay Có thể xác định theo bảng hoặc bằng phương pháp tính toán. 7.2.3. Sơ đồ các bước khi phay 7.2.3.1. Quĩ đạo của dao Khi thực hiện nguyên công phay trên các máy CNC người ta có thể áp dụng các phương pháp chuyển động của dao sau đây: a. Quĩ đạo chuyển động ziczắc của dao − Hiện nay sơ đồ này được sử dụng rộng rãi − Nhược điểm: tính chất phay thay đổi, làm ảnh hưởng đến độ chính xác và chất lượng bề mặt của chi tiết. b. Quĩ đạo chuyển động của dao theo dạng lò xo Đặc điểm nổi bậc của phương pháp này là bản chất của quá trình phay không thay đổi. Do đó, đảm bảo tốt đặc điểm kỹ thuật của chi tiết. c. Quĩ đạo ăn dao kiểu răng lược: − Bản chất của quá trình phay thay đổi − Sau mỗi lần ăn dao (theo chiều mũi tên đậm) thì dao lùi ra khỏi mặt gia công một đoạn rồi chạy nhanh về phía xuất phát ban đầu để thực hiện các bước tiếp theo. 7.2.3.2. Khoảng cách giữa hai bước kề nhau 31
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Khoảng cách giữa hai bước kề nhau cần phải được tính toán vì nó xác định chiều sâu cắt. tmax= D - 2r – h (7.4) Trong đó: D: đường kính dao phay(mm) r: bán kính cong ở mặt đầu dao (mm) h: khoảng giao nhau của hai bước đo 2 dao cùng cắt (mm) 7.2.3.3. Phương pháp ăn dao và chi tiết Phương pháp đơn giản nhất là ăn dao dọc trục của dao theo lỗ đã khoan sẵn. Trong trường hợp gia công tinh biên dạng chi tiết thì ăn dao thực hiện theo cung tròn tiếp tuyến với biên dạng của chi tiết tại điểm mà ở đó dao bắt đầu chuyển động theo biên dạng. Phương pháp này có ưu đIểm là lực cắt thay đổi từ từ, giảm được sai số gia công và thuận lợi cho việc hiệu chỉnh bán kính dao khi lập trình 7.2.4. Chọn chế độ cắt khi phay Chọn chế độ cắt khi phay trên máy CNC tương tự như trên máy vạn năng, nghĩa là phải chọn: chiều sâu cắt t, lượng chạy dao răng Sz và tốc độ cắt. Lượng chạy dao răng Sz được chọn với giá trị Smin từ bốn giá trị sau: Sz = min(Sz1, Sz2, Sz3, Sz4) (7.5) Trong đó: Sz1: lượng chạy dao xác định theo độ nhám bề mặt phụ thuộc vào lượng với chiều sâu t và bề rộng phay B. Sz1= C1. D.t .B (7.6) Sz2: lượng chạy dao phụ thuộc vào biến dạngcho phép của dao Δ (đường kính do D và chiều dài phần cắt) 1,35 ⎡⎤Δ 4 1,16 = DD1 ⎛⎞ SCz2⎢⎥⎜⎟ (7.7) 2 ++2 t ⎣⎦⎢⎥BZ()() 4l B 2l B ⎝⎠ Sz3: lượng chạy dao phụ thuộc vào độ bền của dao 1,35 1,16 ⎡⎤δDD3 ⎛⎞ SC= ⎢⎥1 (7.8) Z33 ⎜⎟ ⎣⎦⎢⎥BZ 4K22 l+ D 2 ⎝⎠t Sz4: lượng chạy dao cho phép của công suất động cơ máy 1,35 ⎡⎤Nη −−0,19 1,16 SC=⋅⋅ D t (7.9) Z44 ⎢⎥ ⎣⎦BZn0 32
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Với C1, C2, C3, C4: hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công và được xác định theo bảng sau: Vật liệu gia công C1 C2 C3 C4 Kim loại màu 0,024 4, 65. 104 0,09.10−12 1,2. 10−12 Thép 0,008 0,70.104 0,14.10−12 0,2. 10−12 D1: đường kính qui đổi của tiết diện dao phay (mm) D1 ≅ 1,2 D (7.10) δ: ứng suất cho phép tại điểm nguy hiểm của lõi dao phay do biến dạng uốn và xoắn gây ra (pa). k= 0,6 khi gia công hợp kim màu k= 0,8 khi gia công thép η: hiệu suất của máy (%) Z: số răng tiếp xúc với bề mặt gia công n0: số vòng quay của dao (v/ph) 33
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Chương 2 CƠ SỞ TỰ ĐỘNG CỦA MÁY CNC 1. Hệ thống đo chuyển vị trên máy công cụ CNC Khi gia công trên các máy công cụ truyền thống thì chi tiết và dao cụ thực hiện những chuyển động tương đối với nhau. Độ chính xác của chi tiết phụ thuộc vào người thợ. Trong khi gia công trên các máy CNC thì độ chính xác của chi tiết phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống đo. Các hệ thống đo không những làm nhiệm vụ đo đại lượng ra mà còn biến đổi thông số đo được thành các tín hiệu điều khiển tương thích phản hồi gởi đến bộ điều khiển số. Hệ thống đo dùng trong các máy công cụ ĐKS thường sử dụng theo nguyên tắc quang học và nguyên tắc cảm ứng từ. 1.1. Hệ thống đo theo kiểu quang học 1.1.1. Đo chuyển vị góc Đo lượng dịch chuyển của bàn máy thông qua số vòng quay của một trục. Khi đó tồn tại thêm một cơ cấu trung gian (bánh răng _ thanh răng) để biến chuyển góc thành chuyển vị dài. Mô hình đơn giản nhất là lắp đĩa khắc vạch lên trục vítmecủa bàn máy. Khi đó, vítmephải đảm bảo yêu cầu kỹ thuật cao để đạt độ chính góc xác quay theo yêu cầu (Hình 2-1). 1 3 2 4 Σ x 5 M 6 x X 7 Hình 2-1 Hệ thống đo chuyển vị góc 1. Bộ so sánh 2.Bộ khuếch đại 3.Hộp tốc độ 4.Bàn máy 5.Đĩa khắc vạch 6.Nguồn sáng 7.Tế bào quang điện 8.Bộ đếm Đĩa khắc vạch là một đĩa tròn, theo tiêu chuẩn có (16 đến 10000) vạch. Mỗi bước vạch sẽ sản ra 4 cấp xung, ánh sáng nhận được qua tế bào quang điện sẽ được biến thành một điện áp nhất định để gởi đến bộ so sánh. 34
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Đặc điểm − Kết cấu đơn giản giá thành rẽ. − Độ chính xác đạt được không cao. 1.1.2. Đo chuyển vị dài Người ta có thể đo trực tiếp lượng dịch chuyển của bàn máy mà không cần cơ cấu trung gian. Bằng cách sử dụng hệ thống quang học cộng với thước vạch. Thước vạch được chế tạo từ vật liệu thuỷ tinh quang học hoặc kim lại nhẵn bóng. Lưới chắn được chia thành hai hàng lỗ lệch nhau. Thước được gắn cố định trên thân máy, lưới di dộng với bàn máy. Khi bàn máy dịch chuyển tín hiệu ra từ hệ thống đo sẽ cấp các xung nhọn lệch pha 900 và qua bộ đếm đếm số xung biểu thị quãng đường dịch chuyển (1xung = ) và có chiều dài là sớm pha hoặc trễ pha. Với cách đo này thường dùng được trong các máy công cụ CNC có công suất lớn. 1.2. Hệ thống đo chuyển vị theo số đo tuyệt đối Trong hệ thống đo chuyển vị theo số đo tuyệt đối người ta dùng thước mã nhị phân để có thể đọc và hiển thị một cách tự động. Trên thước mã nhị phân có các vạch xen kẻ cho ánh sáng đi qua và không đi qua. Đối với loại máy này thì sai số có thể xuất hiện tại vị trí chuyển đổi từ miền có ánh sáng lọt qua và miền không có ánh sáng lọt qua. Nếu mép đo của thước và của tấm mép không thẳng hàng hoặc tế bào quang điện có độ nhạy ánh sáng khác nhau. 1.3. Nguyên tắc cảm ứng Đối với hệ thống đo làm việc theo nguyên tắc cảm ứng thì cũng được sử dụng rộng rãi trên các máy công cụ ĐKS do nó nhạy với lượng dịch chuyển rất bé. 1.3.1. Chuyển vị góc Khi roto quay dòng từ thông Φ qua cuộn dây thay đổi làm xuất hiện một hiệu điện thế Uf tỷ lệ với góc quay. Thông qua Uf ngưòi ta có thể biết được góc quay. 1.3.2. Chuyển vị dài (thước đo cảm ứng tuyến tính) Về nguyên tắc giống đầu đo Resolver chỉ khác ở đầu đo cảm ứng tuyến tính cấu tạo có thước đo cố định gắn trên thân máy và con trượt di động với bàn máy. Trên thước đo, người ta sắp xếp các dây dẫn bằng mạch in (dập) và đặt các điện áp Uscosϕ và Ussinϕ. Con trượt luôn cách đều 0,1mm so với mạch thước đo. Khi có sự chuyển động tương đối giữa con trượt và thước đo thì dòng từ thông Φ thay đổi sẽ cảm ứng trên thước đo một hiệu điện thế Uf tỷ lệ với độ dịch chuyển. Thước đo có thể sắp xếp cạnh nhau để đo các chiều dài lớn hơn. 35
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 2. Hệ thống tự động điều chỉnh vị trí Trên các máy CNC, chuyển động của bàn trượt máy được thực hiện chính xác nhờ HTĐK vị trí. Hệ ĐKS tạo ra trong bộ nội suy các giá trị tính toán của bàn trượt. Những giá trị này được đưa vào chu trình điều khiển vị trí và tại đó các giá trị tính toán được so sánh với giá trị thực tế từ hệ thống đo. Hiệu số giữa giá trị tính toán và giá trị thực sẽ quyết định tốc độ của từng trục máy. 2.1. Điều khiển vị trí bằng thước mã hoặc bộ mã góc Dữ liệu đưa vào bằng tay Bộ nhớ điểm 0 Giá trị vị trí thực Cụm chạy dao Bàn trượt máy X của máy có thước mã Trị số các Giá trị vị trí Bộ biến đổi DA Chu trình điều tọa độ tính toán khiển vị trí Vx Dữ liệu Δx đưa vào Gắn với Gắn với Truyền động Hệ thống đo chương chi tiết thước đo theo trục X dịch chuyển trình Điểm 0 của chi tiết Trục Vitme XN XG Điểm 0 của máy X1 Hình 2-2 Sơ đồ điều khiển vị trí bằng số với các thước mã Các đại lượng điều khiển (giá trị thực về vị trí X) được đo dưới dạng các đại lượng bằng thông số qua một thước mã và được so sánh giá trị cho trước X (Hình 2-2). Tuỳ thuộc vào sai lệch điều khiển vị trí mà truyền động chạy dao được điều khiển qua vị trí tốc độ tính toán V (dùng điều khiển vòng quay của truyền động). Những kích thước đã được lập trình X là các kích thước của chi tiết liên hệ với hệ thống toạ độ của chi tiết (điểm 0 của chi tiết). Điểm 0 của chi tiết nói chung không trùng với các đIểm 0 của kích thước đo trong từng trục máy. Vì vậy, cần phải tiếp tục điều chỉnh điểm 0 cho tất cả kích thước lập trình thông qua ĐKS. Khi bắt đầu gia công trước tiên điểm 0 của chi tiết (W) được xác định dựa trên điểm 0 của thước đo. Thông qua truyền động bằng tay, người ta xác định vị trí chính xác của dụng cụ trên điểm 0 của chi tiết, tức 2 điểm 0 này trùng nhau. 36
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Tại vị trí giá trị X chỉ báo trên thước mã tương ứng với vị trí của điểm 0 trên dụng cụ thước đo, giá trị các toạ độ điểm 0 được truyền vào bộ nhớ điểm 0 và sau đó cộng thêm vào cho từng kích thước đã được lập trình. 2.2. Điều khiển vị trí bằng số với hệ thống đo dịch chuyển bằng gia số Khi sử dụng hệ thống đo dịch chuyển bằng gia số nhờ một máy đếm mà ta có giá trị về vị trí X (Hình 2-3). Bộ nhớ đầu vào Máy đếm giá Cụm chay dao trị phản hồi X của máy Dữ liệu đưa vào Bộ biến đổi DA Chu trình điều chương khiển vị trí Chiều dài dịch chuyển Vx trình kích thước chuỗi Δx Truyền động Vítme Hệ thống đo dịch chuyển Hình 2-3 Điều khiển vị trí bằng số với cảm biến bằng số Trước khi bắt đầu gia công bàn trượt chạy đến điểm chuẩn như: đến các vấu chuyển mạch hoặc đến một dấu xác định của thước đo, khi đó máy đếm được đặt vào điểm 0. Điểm chuẩn này tương ứng với điểm 0 của thước đo. Khi bàn trượt chạy theo một hướng máy đếm sẽ đếm tăng, khi chạy theo hướng ngược lại máy đếm sẽ đếm giảm. Như vậy, giá trị thực về vị trí luôn gắn trên điểm chuẩn. 2.3. Điều khiển vị trí bằng số nhờ hệ thống đo dịch chuyển tương tự có tính chất chu kỳ Trên các máy công cụ ta đo được các dịch chuyển và góc quay nhờ các đầu đo xenxin hoặc đầu đo cảm ứng tuyến tính. Điện áp đo được Ux được so sánh liên tục với một điện áp cho trước Us ứng với một vị trí pha. Sự khác nhau giữa góc pha sẽ tạo ra Δα= αs-αx. Tuỳ thuộc vào bộ so sánh mà đầu đo thông qua động cơ truyền động sẽ được điều chỉnh sao cho điện áp đo và điện áp cho trước luôn cùng pha, tức Δα= 0. Trên đây là một chu kì điều khiển vị trí bằng số theo cảm ứng tuyến tính. 0 Điện áp cho trước Us được so sánh với điện áp Ux luôn luôn lệch pha. Nếu αs > 360 thì roto hoặc thước đo sẽ chạy quá một chu kì (360 0hoặc 2mm). Trong chu kì điều khiển với đầu đo Resolver mỗi một lệch pha tăng αs của điện áp cho trước Us sẽ làm 37
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục tăng góc quay αx và trên thước đo cảm ứng tuyến tính dẫn đến chuyển động của bàn trượt trên chiều dài đơn vị đo. Đầu đo Resolver và đầu đo cảm ứng tuyến tính làm việc trong vòng một chu kì giống như hệ thống đo dịch chuyển hoặc đo góc tương tự. Số chu trình phải giống như số tăng của kích thước đo khắc vạch xác định bằng máy đếm. Khi ngắt điều khiển trình trạng của máy đếm được đưa vào bộ nhớ. Do vậy, khi sử dụng đầu Reoslver hoặc đầu đo cảm ứng tuyến tính trên máy CNC không cần thiết phải chạy đến điểm chuẩn. 3. Bộ so sánh Bộ so sánh có nhiệm vụ so sánh tín hiệu đưa ra từ chương trình (tín hiệu biết trước) với các tín hiệu nhận được phản hồi từ các cảm biến. Sai lệch nếu có sẽ là đại lượng điều khiển nguồn dẫn động của hệ thống chấp hành, cho đến khi sai lệch này hoàn toàn triệt tiêu thì hệ thống chấp hành sẽ dừng. Các bộ so sánh như thế thường được phân loại như ở hệ thống đo. Bộ so sánh được chia thành 2 loại cơ bản sau: − Bộ so sánh kiểu gia số − Bộ so sánh kiểu tuyệt đối 3.1. Bộ so sánh kiểu gia số Dựa theo nguyên tắc đo kiểu gia số. Cứ mỗi bước tiến Δ s sẽ phát ra một xung và tổng số xung là quảng đường dịch chuyển thực tế. Số lượng xung này được so sánh với số lượng xung đã chọn trước theo chương trình. 3.2. Bộ so sánh kiểu tuyệt đối Nguyên tắc làm việc của bộ so sánh này là mỗi một vị trí của bàn máy nhận được một tập hợp các tín hiệu đã được mã hoá. Bộ so sánh phải so sánh các giá trị đưa vào đã mã hoá với giá trị thực đọc được cũng bằng mã code ấy. Đến khi 2 giá trị này trùng nhau thì nó sẽ phát một tín hiệu ngắt mạch. 4. Đo trên máy CNC Trên máy CNC điều có hệ thống đo đường dịch chuyển chính xác cao cho tất cả các trục điều khiển, nên có thể sử dụng các hệ thống đo này vào việc đo các kích thước thật của chi tiết và dụng cụ. Đồng thời có thể đưa hệ CNC vào xử lí các giá trị đo. 4.1. Đo chi tiết máy trên máy CNC Một đầu đo có công tắc đóng ngắt được lắp trên máy như một dụng cụ. Để truyền các tín hiệu đo từ đầu mang dao dịch chuyển vào hệ điều khiển có vị trí cố định, người ta dùng các hệ thống truyền tín hiệu đo kiểu cảm ứng. 38
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Để tiến hành đo, các đầu đo được đưa vào các vị trí đo thông qua chương trình gia công. Những vị trí cần đã được lập trình nằm ngay sau vị trí đo. Khi tiến hành tiếp cận, đầu đo sẽ chạm vào chi tiết và sinh ra một tín hiệu. Tín hiệu đó được truyền dẫn về hệ CNC và tạo điều kiện ngừng truyền động của trục hoặc tiếp nhận vị trí thực đúng với thời điểm đóng mạch. Giá trị thực và giá trị đo trên các trục được ghi vào bộ nhớ của hệ điều khiển CNC với sự chú ý đến khoảng cách rê theo trên trục đo. Giá trị này có thể được đánh giá để tự động chỉnh lí vị trí dao. 4.2. Đo dao trên máy CNC Hệ thống điều khiển CNC cần phải biết rõ vị trí của điểm cắt trên dao P trong phạm vi làm việc của máy và so sánh với vị trí một số điểm đã biết, để có thể có thể tính toán và thực hiện một đường dịch chuyển của dao. Hiện nay, vẫn còn phổ biến việc tìm ra vị trí của điểm P ở vị trí ngoài của máy CNC nhờ một dụng cụ điều chỉnh dao. Để đo trực tiếp vị trí của dao trên máy người ta đã trang bị những đầu đo lắp cố định trên máy ngoài phạm vi làm việc hoặc những đầu đo xoay được, lắp trong vùng làm việc của máy. Thông qua phát lệnh bằng tay hoặc phát lệnh từ chương trình, các chương trình được đo được gọi ra từ bộ nhớ cứng, làm cho dao tiến đến vị trí đối diện với đầu đo. 39
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Chương 3 CÁC ĐẶC ĐIỂM KINH TẾ - KỸ THUẬT Máy NC/CNC là những máy công cụ có mức độ tự động hoá cao. Các quá trình điều khiển trên máy bao gồm: − Điều khiển khởi động phanh hãm − Điều khiển tốc độ và đảo chiều động cơ − Điều khiển đo lường − Điều khiển chương trình tuỳ động Tất cả được thực hiện hoàn toàn tự động và độc lập với người vận hành máy. Trên máy không có những bộ phận điều khiển bằng cơ khí như: tay quay, tay gạt, các công tắc hành trình, thay vào đó là các bàn phím, các hệ thống điện tử, màn hình, . Cạnh đó, các bộ phận máy được thiết kế và chế tạo với độ cứng vững và độ chính xác cao. Các chuyển động chính thường sử dụng động cơ điện một chiều. Do đó, có khả năng duy trì tốc độ ổn đinh cao, đồng thời phản ứng nhanh với sự thay đổi tốc độ và phanh hãm khi đổi chiều quay. Động cơ dẫn động các bàn trượt của máy là động cơ điện một chiều hay động cơ bước. Việc sử dụng động cơ bước có thể xem là một cuộc cách mạng lớn trong việc chế tạo máy công cụ ĐKS. Sự biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của các bàn trượt nhờ những cơ cấu vít me_ đai ốc bi. Với những loại cơ cấu này, cho phép giảm ma sát đáng kể và khử được khe hở gây ra sai số khi đảo chiều chuyển động . Việc sử dụng động cơ điện một chiều hay động cơ bước điều chỉnh vô cấp tốc độ trong khoảng rộng và truyền động riêng cho từng trục cho phép giảm đáng kể số khâu truyền động của máy và nâng cao độ chính xác của máy. Ngoài ra, để xác đinh khoảng dịch chuyển của bàn máy và góc quay của các bàn quay được thực hiện bỡi các cảm biến đo gia số hay các thước mã đo dịch chuyển và bằng các bộ mã góc hay là các xenxin với độ chính xác rất cao. Các máy CNC hiện đại có khả năng định vị theo chiều trục với sai số không vượt quá (±0,008 đến ±0.015)mm. Bộ phận gá dao của máy có thể gá được với số lượng dao rất lớn. Cho phép thực hiện nhiều nguyên công trong một lần gá chi tiết. Nhờ vậy, giảm đáng kể thời gian phụ. Với các HTĐKS và những thay đổi đáng kể về kết cấu máy, các máy ĐKS có nhiều tính năng ưu việc hơn hẳn các máy công cụ truyền thống: − Cung cấp khả năng tự động hoá trong khu vực sản xuất đơn chiếc và loạt nhỏ. 40
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục − Khả năng thay đổi mặc hàng nhanh kể cả các chi tiết có hình dáng phức tạp. Thời gian chuẩn bị cũng như thời gian phân tích thiết kế giảm đáng kể. − Chất lượng sản phẩm được cải thiện bằng cách lưu trữ và cập nhật thông tin liên tục. − Độ chính xác cao − Giá thành sản phẩm rẻ Tuy nhiên, giá thành của máy CNC rất đắt so với các máy công cụ truyền thống. Bỡi vậy, người tổ chức sản xuất, cũng như người lập trình cần nắm vững những đặc trưng của máy để phát huy hết khả năng gia công của nó. Đặc biệt là khả năng gia công các bề mặt định hình phức tạp, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác cao; cũng như tổ chức lập trình và chuẩn bị gia công tốt để giảm tối thiểu thời gian dừng máy nhằm đem lại hiệu quả kinh tế cao nhất. Tóm lại, việc sử dụng máy CNC không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế_kỹ thuật mà còn có ý nghĩa về mặt xã hội . Trước hết, nó tạo điều kiện để phát triển một lực lượng lao động có trình độ cao. Các kỹ sư , kỹ thuật viên lập trình, thợ điều khiển máy không ngừng được nâng cao trình độ chuyên môn để đáp ứng nhu cầu của sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Hơn nữa, việc sử dụng máy CNC vào sản xuất tạo điều kiện để tăng thu nhập kinh tế cho các cán bộ trong lĩnh vực này, đồng thời đó cũng là yếu tố quan trọng để tăng GDP của đất nước. 41
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Phần 2 THIẾT KẾ PHẦN TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY PHAY Chương 1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT CHÍNH VÀ SƠ LƯỢC MÁY CHUẨN PC MILL-155 1. Thông số kỹ thuật chính của máy PC MILL- 155 1.1. Vùng làm việc (Working area) − Khoảng cách dịch chuyển theo phương X: 300 mm − Khoảng cách dịch chuyển theo phương Y: 200 mm − Khoảng cách dịch chuyển theo phương Z: 300 mm 1.2. Bàn máy (Milling table) − Kích thước: (520 x 180) mm − Tải trọng: 20 kg Hình 1-1 Máy phay điều khiển số PC MILL-155 1.3. Hộp tốc độ (Milling spindle drive) − Công suất động cơ: 2,5 KW − Dãi tốc độ trục chính: 150 - 5000 v/ph − Mô xoắn cực đại: 24 Nm 1.4. Hộp chạy dao (Feed drive) − Động cơ: 0,2 KW − Lực cắt: 2500 N − Lượng chạy dao lớn nhất theo các phương X, Y, Z: (0 4) m/ph 42
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục − Lượng chạy dao nhanh theo các phương X, Y, Z: 7,5 m/ph 1.5. Hệ thống dao cụ (Tool System) − Số dao: 10 − Đường kính lớn nhất của dao Φ70 mm − Chiều dài lớn nhất của dao 200 mm − Khối lượng lớn nhất của dao 0,8 kg − Lực vòng 1100 N Hình 1-2 Hệ thống dao cụ trêm máy phay điều khiển số PC MILL-155 2. Sơ lược máy chuẩn Máy chuẩn có những đặc điểm chính sau đây: − Ba trục trong hộp chạy dao điều khiển độc lập và tương quan với nhau − Động cơ truyền động cho mỗi trục là động cơ bước điều khiển vô cấp − Truyền động từ động cơ điện đến trục chính qua hộp giảm tốc − Tang dao có 10 dao − Bàn kẹp, tháo phôi bằng khí nén − Thay dao tự động bằng khí nén − Máy có bảng điều khiển giao diện trực tiếp giữa người và máy − Lập trình bằng tay (nhờ bảng điều khiển trên máy) − Lập trình trên máy (nhờ sự trợ giúp của máy tính). 43
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Chương 2 THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC CỦA MÁY Thiết kế động học máy bao gồm việc lựa chọn phương án truyền động và hệ thống truyền động của máy. 1. Vận tốc cắt và lượng chạy dao giới hạn Để đảm bảo máy làm việc với năng suất cao nhất đồng thời cũng đảm bảo chất lượng của chi tiết gia công, máy thiết kế cần phải có khả năng để lựa chọn vận tốc cắt và lượng chạy dao thích hợp nhất. Chuyển động chạy dao là chuyển động tương đối của dụng cụ và chi tiết gia công đựơc thêm vào và tạo điều kiện đưa vùng gia công lan rộng ra toàn bề mặt gia công. Chuyển động chạy dao có thể liên tục hoặc gián đoạn. Tốc độ cắt là quãng đường mà một điểm trên lưỡi cắt chính ở cách trục xa nhất đi được trong một phút. Sau một vòng quay của dao phay, điểm của lưỡi cắt nằm trên đường tròn của dao có đường kính d sẽ đi được một quãng đường mà chiều dài là chu vi của đường tròn đó, tức là πd. Để xác định quãng đường mà điểm đó đi được trong một phút, cần phải nhân quãng đường đi được sau một vòng với số vòng quay cuả dao trong một phút, tức: πdn. Lúc đó, tốc độ cắt được xác định theo công thức sau: πdn 1000⋅ V⎛⎞ vg Vn== ⎜⎟ (1.1) 1000 πdph⎝⎠ Trong đó: − V: Vận tốc (m/ph) − d: Dường kính của dao (mm) − n: Số vòng quay trục chính (v/ph) Đối với chi tiết gia công có cùng chu vi, nhưng cơ lý tính của nó khác nhau, thì cần phải gia công với vận tốc khác nhau. Trong trường hợp gia công chi tiết cần có đường kính dao khác nhau, nhưng vận tốc như nhau thì số vòng quay phải được điều chỉnh từ nmin - nmax tức là dùng vận tốc Vmin để gia công chi tiết có đường kính dao dmax thì số vòng quay cần thiết là: = 1000Vmin nmin (1.2) πdmax Khi dùng vận tốc Vmax để gia công chi tiết có đường kính dao dmin thì số vòng quay cần thiết là: 44
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục = 1000Vmax nmax (1.3) πdmin Phạm vi có thể thay đổi vận tốc cắt trong 2 giới hạn trên gọi là phạm vi điều chỉnh. Phạm vi điều chỉnh số vòng quay kí hiệu là Rn và được xác định theo công thức sau: ==⋅=⋅nVdmax max max RRRnVd (1.4) nVdmin min min Trong đó: V R = ∶ phạm vi điều chỉnh tốc độ V d R = ∶ phạm vi điều chỉnh kích thước d Từ đó, nhận thấy rằng Rn phụ thuộc vào giới hạn vận tốc và đường kính của chi tiết gia công. Trong các máy công cụ truyền thống khi gia công một chi tiết với các điều kiện công nghệ và các yêu cầu kỹ thuật gia công. Ta xác định được vận tốc cắt hợp lý là V0 và số vòng là n0. Do máy truyền động phân cấp nên số vòng quay ở đầu ra cuả trục chính rất ít khi trùng với số vòng quay n0 yêu cầu mà chỉ nằm ở một vị trí nào đó trong khoảng n ≤n ≤n. Khi đó, tương ứng với vận tốc cắt V ≤V ≤ V. Do đó, dao chóng mòn và tạo nên những tổn thất về vận tốc. Tuy nhiên, đối với các máy CNC thì việc điều chỉnh số vòng quay ở đầu ra của trục chính n0 là có thể thực hiện được. Do đó, ứng với bất kì đường kính nào của chi tiết máy cũng có thể có khả năng đáp ứng được số vòng quay mong muốn (sai lệch cho phép ≤ 5%). Từ đó, tuổi bền dao và hiệu suất gia công của máy sẽ được nâng cao. Khi phay trên các máy CNC thì lượng chạy dao ở máy độc lập với tốc độ trục chính và được thực hiện bằng động cơ điều khiển vô cấp (động cơ bước) và được xác định bằng công thức: S = nd i. t (mm/ph) (1.5) Ở đây: nd: số vòng quay của động cơ chạy dao (vg/ph) i: tỷ số truyền từ động cơ đến cơ cấu chấp hành. t: lượng di động của cơ cấu chấp hành khi trục cuối cùng của trục chạy dao quay 1 vòng (mm/vg). Lượng chạy dao nhỏ nhất Smin tương ứng với tỷ số truyền thay đổi imin lượng chạy dao Smax tương ứng với tỷ số truyền imax trên cơ sở đó ta có thể xác định phạm vi điều chỉnh lượng chạy dao RS. 45
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục = Smax RS (1.6) Smin Đối với máy công cụ truyền thống thì phạm vi điều chỉnh Rs có giới hạn (vì số vòng quay của hộp xe dao chuyển động phân cấp và có giới hạn). Nhưng đối với máy CNC thì có khả năng thực hiện được (tồn tại sai số ≤ 5%) nhờ dùng động cơ chạy dao điều khiển được vô cấp tốc độ (động cơ bước). Tóm lại, máy CNC thì phạm vi điều chỉnh Rn và Rs khá lớn. Điềìu đó cho phép đáp ứng được các thông số công nghệ một cách cao nhất và góp phần vào giải quyết được vấn đề tối ưu trong chế độ cắt. 2. Thiết kế đường truyền tốc độ Hầu hết trong các máy CNC hiện đại đều không có hộp tốc độ, trục chính của máy được nối trực tiếp hoặc qua một bộ truyền cơ khí với động cơ. Động cơ để tạo ra chuyển động trục chính thường là động cơ không đồng bộ ba pha điều khiển vô cấp tốc độ.Theo máy chuẩn PC Mill 155, thì động cơ được nối với trục chính qua bộ truyền đai. 2.1. Chọn động cơ và bộ biến tầng Động cơ của máy chuẩn có hai loại là : Động cơ không đồng bộ ba pha (Asynchronous AC motor) có công suất 4 KW ứng với dải tốc độ trục chính (150 – 10000) vg/ph; động cơ cùng loại nhưng có công suất 2,5 KW ứng với dãi tốc độ (150 – 5000) vòng phút. Căn cứ vào máy chuẩn, ta chọn động cơ A02(A0π2)32-4 ( 322/ TKCTM) Động cơ này có các thông số sau: − Công suất định mức của động cơ 2,5 KW − Tốc độ đồng bộ 1500 vg/ph − Tốc độ không đồng bộ 1430 vg/ph − Số cặp cực 2 − Hệ số trượt s = 0,0467 Để số vòng quay ở đầu ra của trục chính là vô cấp từ (150 ÷ 5000) v/ph. Chúng ta dùng bộ biến tần gián tiếp để thay đổi tần số f Chọn tần số điều chỉnh f = 50 Hz Khi đó, ta có bước nhảy của tần số là: n 5000 ϕ=qZ− 1 max =47 =1, 07 (1.7) nmin 150 Chọn theo tiêu chuẩn ϕ = 1, 06 Xác định phạm vi điều chỉnh tần số. 46
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Số vòng quay của máy xác định theo công thức: 60f() 1− s ⎛⎞vg n = ⎜⎟ (1.8) Pph⎝⎠ 60f() 1− 0,0467 Suy ra: n28,6f== 2 n Vậy: f = 28,6 Với số vòng quay ở đầu ra của trục chính nTC = (150 ÷ 5000) v/ph thì ta có: − Tầng số dòng điện điều chỉnh nhỏ nhất là: n 150 f5,245Hz===≈min () min 28,6 28,6 − Tầng số dòng điện điều chỉnh lớn nhất là: n 5000 f===max 174,83 ≈ 175() Hz max 28,6 28,6 Vậy, phạm vi điều chỉnh tần số: ===fmax 175 R35f f5min Ta chọn bộ biến tầng có phạm vi điều chỉnh f35≥ 2.2. Thiết kế động học bộ truyền đai Bộ truyền đai trong trường hợp này chỉ có mục đích là truyền chuyển động từ trục động cơ sang trục chính mà không tăng hoặc giảm tốc ( iđ = 1). Ngoài ra, nó còn có tác dụng bảo vệ máy khi xãy ra hiện tượng quá tải. 3. Thiết kế đường truyền chạy dao 3.1. Vài nét về truyền động bước Động cơ bước làm việc theo nguyên tắc khi có một xung điện vào sẽ làm động cơ quay một góc xác định. Số lượng xung tỷ lệ thuận với độ dịch chuyển, và thường được chọn sao cho sao cho một góc bước động cơ ứng với một đoạn dịch chuyển nhỏ nhất bằng 1 đơn vị lập trình = 0,01 mm. Như vậy, giá trị dịch chuyển cho trước được đưa vào dạng số lượng xung và động cơ sẽ thực hiện số vòng quay tương ứng. Không dùng đến hệ thống đo chuyển vị, không có hệ so sánh nên làm đơn giản các trang bị điều khiển điện kèm theo. Tuy nhiên, động cơ bước chỉ truyền được công suất nhỏ, thường phải kèm theo các bộ khuếch đại lực. Chiều quay của động cơ bước không phụ thuộc vào chiều dòng điện chạy trong các cuộn dây phần ứng, mà phụ thuộc vào thứ tự cuộn dây phần ứng được cấp xung điều khiển. 47
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 3.2. Đặc điểm và yêu cầu kỹ thuật của đường truyền chạy dao 3.2.1. Đặc điểm − Đường truyền chạy dao dùng để thực hiện các chuyển động chạy dao theo các phương, đảm bảo quá trình cắt được thực hiện liên tục. − Tốc dộ chạy dao thường nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ trục chính. Do đó công suất của đường truyền chạy dao cũng nhỏ hơn công suất của trục chính. − Tuy nhiên, độ chính xác của chuyển động chạy dao cao hơn nhiều so với chuyển động của trục chính. − Đảm bảo tốc độ chạy dao nhanh V = 7,5 m/ph. − Cả ba đường truyền chạy dao đều giống nhau nên ta chỉ tính toán, thiết kế một lần. 3.2.2. Yêu cầu kỹ thuật Hệ truyền động chạy dao của máy công cụ CNC phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật sau: − Có tính động học cao: nếu đại lượng dẫn biến đổi, thì bàn máy phải theo kịp sự thay đổi đó trong khoảng thời gian ngắn nhất. − Có độ vững chắc về số vòng quay: Khi lực cắt thay đổi cần hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao, tốt nhất là không ảnh hưởng gì cả. Ngay cả khi dao chạy với tốc độ nhỏ cũng đòi hỏi một tốc độ ổn định. − Phạm vi điều chỉnh số vòng quay lớn. − Sai số dịch chuyển phải nhỏ ≤ 1,5 μm. Để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đó, ngày nay người ta dùng động cơ điện vô cấp tốc độ để thực hiện việc truyền động chạy dao. 3.3. Tính toán thiết kế đường truyền động chạy dao (Sử dụng động cơ bước) * Dữ liệu ban đầu: − Góc bước động cơ: δ = 1,50 − Δ= μ Khoảng sai lệch: []s 1, 5 m − Tốc độ chạy dao nhanh Vnh = 7,5 m/ph = 125 mm/s. − Lực kéo Q = 2500 N. − Phạm vi điều chỉnh tốc độ chạy dao dọc, ngang, đứng khi gia công. T ừ 0 ÷ 4 [m/ph] = 0 ÷67 [mm/s]. * Yêu cầu: − Thiết kế đường truyền chạy dao. Để đảm bảo độ chính xác dịch chuyển [ΔS] thì 48
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục ΔS = δdc.i.kv ≤ [ΔS] (1.15) Từ đó, ta có độ chính xác động học: Δs 0,0015 i.k≤= ≤ 0,36() mm V δ dc 1, 5 360 Chọn: i.kv = 0,36; kv = 3mm 11 Suy ra: i0,12=≈⋅ 33 Trong đó: kV – bước vít me i – tỷ số truyền Mặt khác để đảm bảo tốc độ chạy dao thì: v i.k ≥ smax (1.16) V δ f. dc V125.360 Suy ra: f≥=≈nh 83() KHz δ dc.i.k V 1, 5.0, 36 Chọn: f = 84 KHz Số vòng quay của động cơ thực hiện chế độ dao nhanh: δ nf=⋅ (1.17) dc 360 1, 5 n=⋅ 84000 = 350() vg / s dc 360 Bàn máy 78 69 kv =3mm 26 ĐC 23 Hình 2-1 Đường truyền chạy dao 49
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 3.4. Tính chọn công suất động cơ chạy dao ( Động cơ bước) Công suất của động cơ được xác định theo chế độ cắt cực đại của máy theo công thức Q.V N = S (1.18) 612.104 .9,81.η Theo máy chuẩn, ta có: Q = 2500 (N) – Lực chạy dao cực đại Vs = 4 (m/ph) – Tốc độ cắt cực đại Hiệu suất của đường truyền chạy dao được xác định theo công thức: η=η23 ⋅η ⋅η brolvm (1.19) Trong đó: ηbr = 0,97 – Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ ηol = 0,99 – Hiệu suất truyền của một cặp ổ lăn ηvm = 0,94 – Hiệu suất truyền của bộ truyền vitme - đai ốc bi Thay vào (1.19), ta có: η=0,9723 ⋅ 0,99 ⋅ 0,94 = 0,86 Thay số liệu vào (1.18), ta có: 2500⋅⋅ 4 103 N1,9Kw==() 612⋅⋅ 104 9,81.0,86 Từ đó, ta chọn công suất động cơ chạy dao là : N = 2 KW Tóm lại, ta chọn ba động cơ của ba trục là như nhau với các thông số sau: Công suất định mức động cơ bước là N = 2 Kw Góc bước của động cơ bước là: δ = 1,50 50
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Chương 3 THIẾT KẾ ĐỘNG LỰC HỌC TOÀN MÁY Thiết kế động lực học của máy bao gồm việc xác định lực, lựa chọn vật liệu, xác định kết cấu, kích thước của các chi tiết và bộ phận máy. 1. Xác định chế độ làm việc giới hạn Chế độ làm việc giới hạn của máy bao gồm chế độ cắt gọt, chế độ bôi trơn làm lạnh, an toàn vv. Một máy mới đã thiết kế chế độ xong phải quy định rõ ràng về chế độ làm việc của máy trước khi đưa vào sản xuất. Hiện nay, có nhiều phương pháp xác định chế độ cắt giới hạn khác nhau. − Chế độ cắt gọt cực đại − Chế độ cắt gọt tính toán − Chế độ cắt gọt để thử máy 1.2. Chế độ cắt cực đại: Với chế độ cắt cực đại, toàn bộ chi tiết máy được thiết kế với tải trọng lớn nhất, dẫn đến kích thước lớn nhất, trọng lượng tăng lên. Khi sử dụng, do phải đảm bảo độ bóng, độ chính xác gia công, trình độ tay nghề của công nhân đứng máy, nên ít khi người công nhân cho máy làm việc hết công suất thiết kế. Do đó, chế độ cắt này thường dùng để tham khảo. Chế độ cắt thích hợp hơn là chế độ cắt tính toán dựa vào qui trình công nghệ hợp lí, gia công với năng suất cao theo các công thức ở nguyên lí cắt. Tính theo nguyên lí cắt ta có: 1.2.1. Xác định tốc độ cắt q = C.DV VKV (3.1) T.t.s.B.Zmxy u p Trong đó: Cv,m, x, y, u, q, p – Hệ số và các số mũ được xác định ở bảng 5.31/st.CNCTMII T – chu kì bền của dao, bảng 5.40/st.CNCTM_II. KV – hệ số điều chỉnh, xác định theo công thức: = KK.K.KVMVNVUV (3.2) Trong đó: KMV – hệ số phụ thuộc vào chất lượng của vật liệu gia công, bảng (5.1 ÷ 5.4) /st.CNCTM_II. KNV – hệ số phụ thuộc vào trạng thái của phôi, bảng 5.5/st.CNCTM–II. KUV – hệ số phụ thuộc vào vật liệu của dụng cụ cắt, bảng 5.6/stCNCTM –II. 51
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 1.2.2. Lượng chạy dao Khi phay cần phân biệt lượng chạy dao răng SZ , lượng chạy dao vòng S và lượng chạy dao phút, tất cả được biểu diễn theo mối quan hệ sau: == SS.nS.Z.nph Z (3.3) Trong đó: n– số vòng quay của dao (v/ph). Z– số răng của dao phay. Lượng chạy dao xác định ở bảng (5.33 ÷ 5.38)/st.CNCTM–II. 1.2.3. Chiều sâu phay t (mm) và chiều rộng phay B (mm) − Chiều sâu phay t và chiều rộng phay B được hiểu là lượng kim loại của phôi được bóc đi khi phay. Trong tất cả các dạng phay trừ dao phay mặt đầu, chiều sâu cắt được xác định bằng khoảng cách tiếp xúc của răng dao và phôi được đo theo hướng vuông góc với đường tâm dao phay. − Chiều rộng phay B được xác định bằng chiều dài cắt của răng dao khi cắt, đo theo hướng răng dao song song với trục dao. 2. Xác định lực tác dụng khi gia công 2.1. Lực cắt Lực cắt là lực sinh ra trong quá trình cắt tác dụng lên dao. 2.2. Thành phần của lực cắt Lực tác dụng lên dao và phôi khi gia công, khi gia công chủ yếu là lực cắt và lực chạy dao. Độ lớn và hướng của lực có ảnh hưởng quyết định đối với kết cấu của máy thiết kế. Tùy thuộc vào quá trình tạo phoi, lực cắt P hình thành với các phần lực hướng trục Px, hướng kính Py và tiếp tuyến Pz. t s D Pz PV B n Px Py Hình 3.1 Lực cắt khi phay 52
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục − Lực Pz – Xác định tải trọng động của cơ cấu hộp tốc độ và tạo nên công suất cắt, là thành phần lực cắt theo phương chiều sâu cắt t (mm) − Lực Pv – Là lực ép dao vào chi tiết gia công là thành phần lực cắt, theo ur phương vận tốc V. − Lực Px, Py – Xác định tải trọng động của cơ cấu chạy dao là thành phần lực r cắt theo phương chạy daoS. 2.3. Các phương pháp xác định thành phần lực 2.3.1. Phương pháp tính toán lực cắt theo lí thuyết đàn hồi =+ Pka0,4.cbNZ ()() (3.4) =+ Pk0,4.cabNN ()() (3.5) Trong đó: =+22 PPPNxy - Lực pháp tuyến trên lưỡi cắt. a, b - Chiều sâu và chiều rộng lớp cắt (mm). c - Chiều rộng tiếp xúc ở mặt sau của dao cắt (bảng II.4/tk. MCKL) k - Hệ số phụ thuộc vào vật liệu (N / mm2 ), bảng II.5/tk.MCKL. Các công thức ở trên chỉ là những công thức gần đúng. Nó có thể được áp dụng trong việc tính toán, thiết kế máy công cụ truyền thống. Tuy nhiên, đối với máy ĐKS có yêu cầu cao về độ chính xác, các chi tiết đảm bảo độ cứng vững, có khả năng khai thác triệt để chế độ cắt tối ưu cũng như công suất thiết kế máy, . Do vậy, phương pháp này chưa được hợp lí mà phải tính toán theo nguyên lí cắt. 2.3.2. Phương pháp nguyên lí cắt Giả sử sử dụng dao phay mặt đầu bằng thép gió P18, có: − Đường kính dao: D63mm= − σ= 2 Cắt vật liệu thép 45 có: b 600[ N/mm ] − Chiều rộng của phôi B = 45 mm (Chú ý: Đối với dao phay mặt đầu D = (1,25 ÷ 1,5)B) − Khối lượng của bàn máy: G = 20 kg Dựa vào D và loại vật liệu dao, tra bảng 4.92/st.CNCTM-I. Ta có: − Chiều dài phần làm việc của dao L = 40mm. − Đường kính trục d = 27mm. − Số răng dao Z = 14 răng = Dựa vào các thông số đã chọn , tra bảng 5.34/st.CNCTM-II, ta có:S0,06Z (mm/răng) 53
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Tra bảng 5.35/st.CNCTM-II, ta có: t = 3mm. a. Tốc độ cắt ⋅ q = CDV VKm/phV [] (3.6) TtsBZmxy⋅⋅⋅ u ⋅ p Trong đó: Cv x y u q p T(ph) m 245 0,1 0,2 0,15 0,25 0,1 180 0,2 Bảng 5.40/st.CNCTM-II, bảng 5.39/st.CNCTM-II = Ta có: KK.K.KVMVNVUV n ⎛⎞75 v Với: KC.= (154/STGCC) (3.7) MV M ⎜⎟σ ⎝⎠b ==σ= Trong đó: C1;n0,9;600MPaMV b ( bảng 2-10/ STGCC) 0,9 ==⎛⎞750 Suy ra: K1.1,23MV ⎜⎟ ⎝⎠600 Ta lại có KNV = 1 bảng 5.5/st.CNCTM-II. KUV = 0,3 bảng 5.6/st.CNCTM-II. =⋅⋅=⋅⋅= Suy ra: KKVMVNVUV KK 1,2310,30,37 Thay tất cả vào công thức (3.6), ta có: 245⋅⋅ 630,25 0,37 V==≈ 61,68 62() m / ph 1800,2⋅⋅⋅ 3 0,1 0,06 0,2 45 0,15 14 0,1 b. Lực cắt, Pz (N) ⋅⋅⋅⋅⋅xuy = 10 CP t SZ B Z PKZMP (3.8) Dnqw⋅ Trong đó: CP x y u q w KMP 82,5 0,15 0,8 1,1 1,1 0 1 (Bảng 5.5/st.CNCTM-II) Khi đó: ⋅⋅⋅0,15 0,8 ⋅⋅ 1,1 ==10 82,5 3 0,06 45 14 P1990,67NZ () 631,1⋅ n 0 c. Các lực thành phần khác khi phay (bảng 5.42/st.CNCTM-II) − =⋅=⋅ = Lực chạy dao ngang: PhZ 0,25 P 0,25 990,67 247,67() N 54
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục − =⋅=⋅ = Lực chạy dao thẳng đứng: PVZ 0,95 P 0,95 990,67 941,14() N − == = Lực chạy dao hướng kính: PYZ 0,35.P 0,35.990,67 346,73() N − =⋅=⋅ = Lực chạy dao hướng trục: PXZ 0,52 P 0,52 990,67 515,15() N d. Lực chạy dao Được xác định theo công thức kinh nghiệm sau: =+μ ++ Qk.PxZY() P 2PG (3.9) Trong đó: k = 1,4 - Hệ số tăng lực ma sát (bảng II.6/tk.MCKL) μ = 0,2 - Hệ số ma sát thu gọn trên sống trượt (bảng II.6/tk.MCKL) Suyra: Q=⋅ 1,4 515,15 + 0,2()() 990,67 +⋅ 2 346,73 + 20 = 1062 N e. Xác định công suất cắt Trên cơ sở PZ và V đã xác định từ trước. Ta có, công suất cắt NC là: ⋅ = PVZ NC (163/STGCC) (3.10) 612⋅⋅ 104 9,81 ⋅⋅3 ==<990,67 62 10 N1,02Kw2,5KwC () 612⋅⋅ 104 9,81 3. Thiết kế động lực học đường truyền tốc độ trục chính Thiết kế động lực học đường truyền tốc độ trục chính trong trường hợp này là ta đi tính toán thiết kế bộ tryền đai. Bộ truyền đai trong trường hợp này chỉ có mục đích là truyền chuyển động từ trục động cơ sang trục chính mà không tăng hoặc giảm tốc ( iđ = 1). Ngoài ra nó còn có tác dụng bảo vệ máy khi xãy ra hiện tượng quá tải Hình 3 -2 Bộ truyền đai 3.1. Chọn loại đai Như đã nói ở trên, bộ truyền đai thiết kế có iđ = 1 nên ta chọn bộ truyền đai dẹt và chọn loại dai da. Ưu nhược điểm của loại đai này: 55
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục − Ưu điểm: + Độ bền mòn cao + Chịu va đập tốt − Nhược điểm: + Giá đắt + Không dùng được ở những chỗ ẩm ướt hoăc có axit 3.2. Xác định đường kính bánh đai N Ta có: D= () 1100I 13003 () mm (84/TKCTM) (3.11) n Trong đó: N = 3Kw;n = ntb = 2575 vg/ph 3 Suy ra: D==≈ 11003 115,75 116() mm 2575 3.3. Khoảng cách trục A và chiều dài đai Khoảng cách trục A của bộ truyền thỏa mãn công thức sau: ≥+= A2DD()(12 4D86/TKCTM ) (3.12) ⇒ A≥⋅ 4 116 = 464() mm 3.4. Xác định tiết diện đai Để hạn chế ứng suất uốn và tăng ứng suất có ích cho phép của đai, chiều dài δ đai δ được chọn theo tỉ số sao cho: D δδ ≤ ⎡⎤ () ⎢⎥ 86 / TKCTM (3.13) DD⎣⎦max ⎡ δδ⎤⎡⎤ Suy ra: δ≤D116 ⋅ = ⋅ ⎣⎢DD⎦⎣⎦⎥⎢⎥ δ ⎡⎤ = 1 Ta chọn: ⎢⎥ (Theo bảng (5-2)/86/ TKCT) ⎣⎦D35max 1 Suy ra: δ≤116 ⋅ = 3,31 35 Ta chọn: δ = 3mm Chiều rộng đai: b = 25 mm ( Theo bảng (5-3)/87/TKCTM) Loại dai da ta chọn là loại đai trơn. 3.5. Xác định chiều rộng B của bánh đai Chiều rộng B của bánh đai được xác định theo công thức: B = 1,1b + (10 ÷ 15 ) mm (3.14) B = 1,1.25 +12 = 39,5 mm 56
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 3.6. Tính lực căng và lực tác dụng lên trục Lực tác dụng lên bộ truyền đai gồm: lực căng và lực tác dụng lên trục. Chúng được xác định theo công thức sau: − Lực căng S0 S0 = σ0δb (91/TKCTM) (3.15) S0 = 1,8.3.25 = 135 (N) − Lực tác dụng lên trục α R3Ssin= (91/TKCTM) (3.16) 0 2 180 R=⋅ 3 135sin = 405() N 2 4. Thiết kế động lực học đường truyền chạy dao Xét trường hợp máy đang làm việc ở chế độ cực đại với tốc độ chạy dao cực đại là V = 4 m/ph. Lúc đó ta có tốc độ trục vítme là: ===Vmax 4000 nvm 1333,33[] Vg / ph k3v Trục ĐC Trục I Trục II Tỉ số truyền 1/3 1/3 Tốc độ (vg/ph) 12000 4000 1333,33 Công suất (Kw) 1,9 1,8 1,7 4.1. Thiết kế bộ truyền bánh răng trụ-răng thẳng cấp nhanh 4.1.1. Chọn vật liệu: Bánh nhỏ: Thép 45 có cơ tính: 2 2 σb [N/mm ] σch [N/mm ] HB df [mm] 600 300 200 ≤ 100 Bánh lớn: Thép 35 có cơ tính: 2 2 σb [N/mm ] σch [N/mm ] HB df [mm] 500 260 170 ≤100 4.1.2. Định ứng suất tiếp xúc và ứng suất mõi uốn cho phép a. Ứng suất tiếp xúc cho phép. Số chu kỳ tương đương của bánh lớn được xác định theo công thức Ntđ2 = 60.u.n.T > N0 (TKCTM) (3.17) 57
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Trong đó: u = 1 – Số lần ăn khớp của một răng khi bánh răng quay một vòng n = 4000 vg/ph – Tốc độ quay của bánh lớn T = 18000 h, ( Bộ truyền làm việc 5 năm, mỗi năm 300 ngày mỗi ngay làm việc 12 h) 7 No = 10 Thay các giá trị vào (3.17), ta có: 9 7 Ntđ2 = 60.1.4000.18000 = 4,32.10 >10 Số chu kỳ tương đương của bánh nhỏ: 10 7 Ntđ1 = Ntd2 /i =1,3.10 >10 7 Ta thấy Ntd1 > Ntd2 > 10 nên chọn K’N = 1 − Ứng suất tiếp xúc bánh lớn: []σ=2,6.HB = 2,6.170 = 442() N / mm2 tx2 − Ứng suất tiếp xúc bánh nhỏ: []σ=2,6.HB = 2,6.200 = 520() N / mm2 tx1 Để tính sức bền ta dùng trị số ứng suất tiếp xúc cho phép của bánh lớn. b. Ứng suất uốn cho phép 7 Ta có: Ntđ > 10 nên ta chọn K”N = 1 − Giới hạn mõi uốn cho phép của thép 45 σ= σ= = 2 −1b0,43. 0,43.600 258() N / mm − Giới hạn mõi uốn cho phép của thép 35: σ= σ= = 2 −1b0,43. 0,43.500 215() N / mm − Chọn hệ số an toàn n = 1,5 − Hệ số tập trung ứng suất ở chân răng, k1,8σ = . Vì răng làm việc 2 mặt chụi ứng suất thay đổi đổi chiều nên áp dụng công thức: σ⋅'' []σ=−1Nk u (44/TKCTM) (3.18) nk⋅ σ 258 Bánh nhỏ: []σ= =95,6() N / mm2 u1 1, 5⋅ 1, 8 215 Bánh lớn []σ= =81,6() N / mm2 u2 2,5⋅ 1,8 58
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 4.1.3. Chọn sơ bộ hệ số tải trọng k = 1,5 4.1.4. Chọn hệ số chiều rộng của bánh răng : Bộ truyền chịu tải trung bình nên ta chọn b ψ= =0,3 (44/TKCTM) A A 4.1.5. Xác định khoảng cách trục sơ bộ Asb 1,05⋅ 106 kN⋅ Ai1(≥+()3 )2 ⋅sb (45/TKCTM) (3.19) sb σ⋅ ψ ⋅ []txin A 2 Trong đó: i = 3 []σ=σ= [] 442() N / mm2 tx tx1 ksb = 1,5 ψA = 0,3 N = 1,8 2 ⎛⎞1,05⋅⋅ 106 1,5 1,8 Thay số: A31≥+()3 ⋅ = 46,27mm() sb ⎜⎟⋅⋅ ⎝⎠442 3 0,3 4000 = Chọn A48sb 4.1.6. Tính vận tốc vòng và cấp chính xác của bánh răng. 2π⋅ A ⋅ n 2 ⋅ 3,14 ⋅ 48 ⋅ 12000 V15,07m/s==1 =() 60⋅⋅+ 1000 (i 1) 60 ⋅⋅+ 1000() 3 1 Tra bảng 3-11/TK.CTM, ta có CCX = 6 4.1.7. Xác định chính xác k và A. = Ta có: kk.ktt d (47/TKCTM) (3.20) Trong đó: = k1tt : Hệ số tập trung tải trọng = k1,3d : Hệ số tải trọng động (bảng 3.14/TK.CTM) ==⋅= Suy ra: kk.k11,31,3tt d ===≈k1,3 Nên A Asb 3 483 45,26 46mm k1,55sb 4.1.8. Xác định môđun m, chiều rộng răng b, số răng Z. a. Xác định m Ta có: m=÷⋅() 0,01 0,02 A m=÷⋅=÷()() 0,01 0,02 45 0,45 0,9 mm 59
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục Chọn theo bảng 3.11/TK.CTM, ta có: m = 1 mm. b. Số răng: 2A 2⋅ 45 Z23===(răng) 1 mi()+⋅+ 1 1() 3 1 Z Z23369==⋅=1 (răng) 2 i Chọn lại khoảng cách trục A theo công thức: =+⋅=+⋅= A 0,5() Z12 Z m 0,5 () 23 69 1 46mm c. Chiều rộng bánh răng ==ψ ⋅= ⋅ = b b2A A 0,34613,8mm() Vậy, chiều rộng bánh răng của bánh răng nhỏ sẽ là: =+ =+ = b125b 513,818,8mm() 4.1.9. Kiểm tra sức bền uốn của răng Ta kiểm tra sức bền uốn của răng được kiểm tra theo điều kiện sau: 19,1.106 .k.N m ≥ 3 (3.21) y.Z.n.ψ .[]σ m u − Đối với bánh nhỏ, ta có: Hệ số dạng răng: ≈+=+=⎛⎞20⎛⎞ 20 y1 0,50⎜⎟ 1 0,50⎜⎟ 1 0,93 ⎝⎠Z231 ⎝⎠ Chiều dài tương đối của răng b18,8 ψ=1 = =18,8 m1 m1 19,1⋅⋅⋅ 106 1,3 1,8 Suy ra: VT==≤=3 0,46 m 1 0,93⋅⋅ 23 12000 ⋅ 18,8 ⋅ 95,6 − Đối với bánh lớn: ≈+=+=⎛⎞20⎛⎞ 20 Hệ số dạng răng: y0,5012 ⎜⎟ 0,501⎜⎟ 0,65 ⎝⎠Z692 ⎝⎠ 19,1⋅⋅⋅ 106 1,3 1,8 Suy ra: VT==≤=3 0,60 m 1 0,65⋅⋅ 69 4000 ⋅ 13,8 ⋅ 81,6 Vậy, cả hai bánh răng đều thỏa mãn điều kiện sinh ra trong chân răng. 60
Thiết kế chế tạo mô hình máy phay CNC điều khiển hai trục 4.1.10. Kiểm nghiệm sức bền bánh răng khi chịu quá tải đột ngột. − Ứng suất tiếp xúc cho phép. [σ=⋅σ] 2,5 [ ] (3.22) txqt tx Bánh nhỏ: []σ=⋅=2,5 520 1300() N / mm2 txqt1 Bánh lớn: []σ=⋅=2,5 442 1105() N / mm2 txqt2 − Ứng suất uốn cho phép khi quá tải Bánh nhỏ: []σ=⋅σ=⋅=0,8 0,8 300 240() N / mm2 uqt1 ch Bánh lớn: []σ=⋅σ=⋅=0,8 0,8 260 208() N / mm2 uqt2 ch a. Kiểm tra sức bền tiếp xúc khi quá tải. 3 1, 05⋅ 106 ()i1+⋅⋅ kN σ= ⋅k (3.23) txqt⋅ qt Ai b n2 3 1, 05⋅ 106 ()31+⋅⋅ 1,31,8 Với k1,8= σ= ⋅=1, 8 456() N / mm 2 qt txqt1 46⋅⋅ 3 18,8 4000 3 1,05⋅ 106 ()31+⋅⋅ 1,31,8 σ= ⋅=1,8 532() N / mm2 txqt2 46⋅⋅ 3 13,8 4000 σ<σ[ ] txqt1 txqt1 Ta thấy: Vậy, thỏa mãn điều kiện bền tiếp xúc quá tải σ<σ[] txqt2 txqt2 b. Kiểm nghiệm sức bền uốn. ⋅⋅⋅6 σ=19,1 10 k N ⋅ uqtk qt (51/TKCTM) (3.24) ym⋅⋅⋅⋅2 Znb ⋅⋅⋅6 σ=19,1 10 1,3 1,8 ⋅= 2 uqt1 1, 8 16, 67() N / mm 0,93⋅⋅ 12 23 ⋅ 12000 ⋅ 18,8 ⋅⋅⋅6 σ=19,1 10 1,3 1,8 ⋅= 2 uqt2 1, 8 32, 5() N / mm 0,65⋅⋅ 12 69 ⋅ 4000 ⋅ 13,8 σ<σ[ ] txqt1 txqt1 Ta thấy: vậy, thỏa mãn điều kiện bền uốn quá tải σ<σ[] txqt2 txqt2 61