Đề tài nghiên cứu khoa học: Cải tiến máy phay CNC 5 trục head-head kết cấu H-Frame

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:111

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Cải tiến máy phay CNC 5 trục head-head kết cấu H-Frame" nhằm hoàn thiện một mô hình máy phay CNC 5 trục; Máy có giá thành hợp lí; Công nghệ gia công 5 trục đồng thời. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Cải tiến máy phay CNC 5 trục head-head kết cấu H-Frame

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN CẢI TIẾN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC HEAD-HEAD KẾT CẤU H - FRAME MÃ SỐ: SV2020-66 SKC 0 0 7 3 5 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN CẢI TIẾN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC HEAD-HEAD KẾT CẤU H - FRAME SV2020 - 66 Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Trí Hiểu TP Hồ Chí Minh, tháng 10, năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN CẢI TIẾN MÁY PHAY CNC 5 TRỤC HEAD-HEAD KẾT CẤU H - FRAME SV2020 - 66 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kỹ Thuật SV thực hiện: Nguyễn Trí Hiểu Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16143CL2, Khoa Đào tạo Chất Lượng Cao Năm thứ: 4/ Số năm đào tạo: 8 Ngành học: Công nghệ Chế tạo máy Người hướng dẫn: PGS. TS Phạm Huy Tuân TP Hồ Chí Minh, tháng 10, năm 2020
MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 1. TỔNG QUAN VỀ LÃNH VỰC NGHIÊN CỨU ........................................................... 1 1.1. Ngoài nước. .................................................................................................................. 1 1.2. Trong nước ................................................................................................................... 2 2. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI .................................................................................................... 2 3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ........................................................................................................ 3 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................ 3 4.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................... 3 4.2. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................... 3 5. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................................. 3 5.1. Cách tiếp cận ................................................................................................................ 3 5.2. Phương pháp nghiên cứu .............................................................................................. 4 CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ...................................................................................... 5 1.1. ĐIỀU KHIỂN SỐ, LÝ THUYẾT MÁY VÀ CÁC CÔNG CỤ CNC .......................... 5 1.1.1. Giới thiệu. .................................................................................................................. 5 1.1.2. Hệ thống dẫn động CNC. .......................................................................................... 5 1.1.3. Vòng điều khiển CNC (CNC Control Loop)............................................................. 7 1.1.4. Các thành phần của hệ thống CNC............................................................................ 8 1.2. THIẾT KẾ KẾT CẤU 3 TRỤC ĐƠN GIẢN............................................................... 9 1.2.1. Cơ sở tính toán thiết kế. ............................................................................................. 9 1.3. THIẾT KẾ CỤM TRỤC XOAY B-C ........................................................................ 25 1.3.1. Hộp số Harmonic. .................................................................................................... 25 1.3.2. Hộp số hành tinh (Planetary Gearbox) .................................................................... 26 CHƯƠNG II. THIẾT KẾ MÁY ......................................................................................... 31 2.1. XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY TÍNH (CAD). .................... 31 2.1.1. Cơ sở thiết kế và xây dựng ...................................................................................... 31 2.1.2. Kế thừa mô hình thiết kế ban đầu ............................................................................ 31 2.1.3. Thiết kế mô hình CAD trục xoay C......................................................................... 35 2.1.4. Thiết kế mô hình CAD trục xoay B......................................................................... 36
2.1.5. Thiết kế mô hình CAD cụm lắp Z-B-C. .................................................................. 38 2.1.6. Mô hình máy hoàn thiện. ......................................................................................... 39 2.1.7. Bản vẽ kĩ thuật. ........................................................................................................ 40 2.2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ.................................................................................................... 41 2.2.1. Thiết kế kết cấu 03 trục cơ bản................................................................................ 41 2.2.2. Thiết kế thân đỡ trục chính ...................................................................................... 43 2.2.3. Lựa chọn Vít-me bi.................................................................................................. 46 2.3. MÔ PHỎNG BỀN KẾT CẤU MÁY (CAE).............................................................. 48 2.3.1. Giới thiệu ................................................................................................................. 48 2.3.2. Tiêu chuẩn kết cấu tĩnh của cụm trục Z-B-C. ......................................................... 49 CHƯƠNG III: CHẾ TẠO MÁY VÀ LẮP RÁP ................................................................ 67 3.1. KHỞI TẠO QUI TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT MÁY .................................. 67 3.2. TIẾN HÀNH GIA CÔNG .......................................................................................... 69 3.3. KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG ...................................................................................... 69 CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN....................................... 72 4.1. THIẾT BỊ ĐIỆN ......................................................................................................... 72 4.1.1. Mạch Mach3 LPT .................................................................................................... 72 4.1.2. Stepper Driver LeadShine DMA860H .................................................................... 72 4.1.3. Động cơ bước .......................................................................................................... 73 4.1.4. Biến tần. ................................................................................................................... 74 4.1.5. Củ đục vi tính. ......................................................................................................... 74 4.2. PHẦN MỀM CHƯƠNG TRÌNH MACH3MILL ...................................................... 75 4.2.1. Giới thiệu. ................................................................................................................ 75 4.2.2. Nguồn gốc và chức năng. ........................................................................................ 75 4.2.3. Những vấn đề khi sử dụng Mach3. ......................................................................... 76 4.3. HỆ THỐNG ĐIỆN ..................................................................................................... 76 4.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ POST-PROCESSOR .............................................. 87 4.4.1. Định nghĩa. .............................................................................................................. 87 4.4.2. Qui trình hoạt động của Post-processor .................................................................. 88 4.4.3. Định nghĩa khoảng cách Pivot. ................................................................................ 88 4.4.4. Định nghĩa máy trong Mastercam ........................................................................... 90 CHƯƠNG V: SẢN PHẨM GIA CÔNG CỦA MÁY ........................................................ 92
5.1. SẢN PHẨM GIA CÔNG 2D TRÊN 3 TRỤC X, Y VÀ Z. ....................................... 92 5.2. SẢN PHẨM GIA CÔNG 3D TRÊN 3 TRỤC X, Y VÀ Z. ....................................... 92 5.3. SẢN PHẨM GỖ GIA CÔNG 3 + 2 TRÊN 5 TRỤC ................................................. 93 5.4. SẢN PHẨM GIA CÔNG 5 TRỤC ĐỒNG THỜI. .................................................... 93 CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................... 95 6.1. KẾT LUẬN. ............................................................................................................... 95 6.2. KIẾN NGHỊ. ............................................................................................................... 95 CHƯƠNG VII: HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI ..................................... 97 7.1. Cấu trúc...................................................................................................................... 97 7.2. Mô phỏng .................................................................................................................. 97 7.2.1. Các tiêu chí để mô phỏng tĩnh. ............................................................................... 97 7.2.2. Phản ứng về động học. ........................................................................................... 97 7.2.3. Mô phỏng tĩnh. ........................................................................................................ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................ 102
MỤC LỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Thông số phay mặt và phay ngón ...................................................................... 41 Bảng 2.2. Thông số phay đổ xuống. ................................................................................... 42 Bảng 2.3. Thống số thiết kế thân đỡ ................................................................................... 43 Bảng 2.4. Lực cắt dọc trục Y .............................................................................................. 44 Bảng 2.5. Lực cắt tác dọc trục X ........................................................................................ 45 Bảng 2.6. Các trường hợp lực dọc trục có thể xảy ra. ........................................................ 46 Bảng 2.7. Thông số của vít-me bi đã chọn. ........................................................................ 48 Bảng 2.8. Toán toán bền ..................................................................................................... 48 Bảng 2.9. Bảng thông số vật liệu. ....................................................................................... 49 Bảng 2.10. Ảnh hưởng của lực cắt lên cụm spindle. .......................................................... 51 Bảng 2.11. Thông số của phiên bản 1 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 52 Bảng 2.12. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 54 Bảng 2.13. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 56 Bảng 2.14. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt ................................. 58 Bảng 2.15. Bảng tổng kết thông số của các phiên bản ....................................................... 60 Bảng 2.16. Tần số dao động tự nhiên và các vị trí xảy ra dao động theo phần mềm Ansys ............................................................................................................................................ 64 Bảng 2.17. Mối quan hệ giữa chuyển vị, tần số dao động riêng và số vòng trên phút. ..... 66 Bảng 7.1. Thông số của phiên bản mới khi chịu tác dụng của lực cắt ............................... 98 Bảng 7.2. Thông số của phiên bản 4 và phiên bản tương lai ............................................. 99 Bảng 7.3. Tần số dao động riêng và biên độ dao động .................................................... 101
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT CNC : Computer Numerical Control NC : numerical control EDM: Electrical Discharge Machining FA: Flexible Automation- FMS : Flexible Manufacturing Systems AGV: Autonomous Guided Vehicles CMM : Coordinate Measurement Machines CAI: Computer Aided Inspection CAD: Computer Aided DesignCAPP : Computer Aided Process Planning CAM : Computer Aided Manufacturing LSI: Large-scale integrated PMSMs: Permanent Magnet Synchronous Motors LM : Linear Movement MMI: Man Machine Interface NCK: Numerical Control Kernel PLC : Programmable Logic Control PID: Proportional Integral Derivative FIFO : First In, First Out CPU: Central Processing Unit RAM: Random Access Memory ST: Structured Text- FBD: Function Block Diagram SFC: Sequential Function Charts LD: Ladder Diagram IL: Instruction List
PHẦN MỞ ĐẦU 1. TỔNG QUAN VỀ LÃNH VỰC NGHIÊN CỨU 1.1. Ngoài nước. Máy gia công 5 trục được ứng dụng rất nhiều trong các ngành sản xuất, chế tạo máy, chủ yếu là để gia công các bộ phận của máy bay, động cơ đốt trong, và các chi tiết máy cho ngành ô tô. Hơn nữa, vì khả năng có thể điều khiển đồng thời nhiều trục chuyển động linh hoạt của máy gia công 5 trục đạt hiệu suất cao nên máy đã và đang được khám phá và phát triển cho rất nhiều ngành sản xuất khác như thiết bị công nghiệp nặng, khuôn mẫu, y sinh, dầu khí, dệt may… Dựa theo phân tích của Technavio, thị trường trung tâm gia công 5 trục toàn cầu được dự đoán sẽ tăng trưởng với tốc độ ổn định và đạt tỷ lệ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) gần 7% trong giai đoạn dự báo. Nhu cầu ngày càng tăng đối với các máy đa lĩnh vực trên toàn cầu sẽ thúc đẩy triển vọng tăng trưởng cho thị trường trung tâm gia công CNC 5 trục cho đến cuối năm 2021. Thị trường đang chứng kiến sự thay đổi lớn từ các máy truyền thống sang các trung tâm gia công CNC 5 trục, kết hợp tất cả các chu trình như phay, khoan, vạt mặt và tiện trong một máy duy nhất để tăng năng suất và giảm thời gian gia công. Các phương pháp gia công tiện ren ngoài, ren, ren trong, rãnh và móc lỗ là một số các chức năng khác mà có thể được thực hiện trên tích hợp trên cả máy phay để giảm việc gá đặt chi tiết nhiều lần. Với tính năng tích hợp các công cụ tiện, mà một lần nữa, sẽ thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ các máy truyền thống trong vài năm tới. Về mặt địa lý, Châu Á - Thái Bình Dương (APAC) chiếm đa số thị phần trong năm 2016 và sẽ tiếp tục chiếm lĩnh thị trường trong bốn năm tới. Một trong những yếu tố chính ảnh hướng đến sự tăng trưởng của thị trường trong khu vực này là sự phát triển công nghiệp nhanh chóng ở các quốc gia như Trung Quốc, Ấn Độ, Hàn Quốc, Indonesia và Đài Loan. 1
Hình 1.1. Thị trường trung tâm gia công 5 trục toàn cầu (2017 - 2021) Trong bối cảnh này, khả năng của gia công 5 trục trở nên hấp dẫn hơn bao giờ hết đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Với mục đích mở rộng cho nhiều doanh nghiệp hơn trong số đó tham gia vào thị trường 5 trục, các hãng sản xuất và chế tạo máy công cụ lớn có thể kể đến như DMG Mori, Mazak, Hass Automation, Okuma… đều được phát triển và đưa ra thị trường các trung tâm gia công 5 trục, đi kèm với nó là các giải pháp và phần mềm CAD/CAM-CNC cho gia công 5 trục như Mastercam, BobCAD-CAM, Hypermill, Powermill, Vericut… 1.2. Trong nước Quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa cũng nước ta không thể không kể đến sự phát triển tất yếu của lãnh vực cơ khí chế tạo máy, mà nhiệm vụ đặt ra là nghiên cứu, thiết kế và chế tạo những máy công cụ được điều khiển ngày càng linh hoạt và tối ưu, giúp tăng năng suất và cải thiện độ chính xác phục vụ cho quá trình sản xuất. Tuy nhiên, ngành cơ khí chế tạo máy trong đó có mảng chế tạo máy công cụ vốn có ở Việt Nam với các sản phẩm hầu hết lại là máy vạn năng phổ thông và có cấu trúc truyền thống. Sự đổi mới công nghệ không có nghĩa là đi mua công nghệ, điển hình như việc nhập khẩu máy công cụ CNC cũng gây bất cập trong một số trường hợp như: giá cao, bảo trì - bảo dưỡng phức tạp, không chủ động, khó phát huy kinh tế nội sinh, không nhập được các máy phục vụ quốc phòng… Vì những lý do đó, việc phải làm chủ công nghệ và nghiên cứu phát triển các đề tài về máy công cụ CNC 5 trục là cấp thiết. 2. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 2
Các sản phẩm công nghệ và cuộc sống hằng ngày đang ngày càng phong phú và đa dạng, những yêu cầu về vật liệu, độ phức tạp cũng như độ chính xác và thẩm mỹ ngày càng được cải thiện. Để thõa mãn những nhu cầu trên, yêu cầu phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo một loại máy công cụ có chuyển động phức tạp giữa các trục cần ra đời. Những máy công cụ phổ biến hiện nay chủ yếu hoạt động dựa trên sự nội suy của 3 trục x, y và z. Điều đó làm giới hạn khả năng gia công đối với những chi tiết phức tạp. Để giải quyết vấn đề đó, việc đầu tư cho máy công cụ 5 trục là cần thiết. Tuy nhiên, giá thành cao là vướng ngại lớn nhất cho các doanh nghiệp. Vì những lí do đó, nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình máy phay CNC 5 trục đầu - đầu kết cấu khung H. Sản phẩm này được cải tiến từ mô hình máy 3 trục cũ. 3. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI  Hoàn thiện một mô hình máy phay CNC 5 trục.  Máy có giá thành hợp lí.  Công nghệ gia công 5 trục đồng thời. 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 4.1. Đối tượng nghiên cứu  5-axis machining options through CAD / CAM-CNC technology.  Công nghệ gia công 5 trục thông máy CAD/CAM-CNC  Optimization of the toolpath creates 3D surfaces.  Tối ưu hóa đường chạy dao để tạo bề mặt 3D 4.2. Phạm vi nghiên cứu  Chế tạo thành công mô hình và kiểm tra chất lượng sản phẩm để đánh giá mục tiêu ba đầu.  Mô hình được phát triển thông qua việc kế thừa phiên bản máy 3 trục x,y,z và phát triển thêm 2 cụm trục xoay B-C. . 5. CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5.1. Cách tiếp cận  Một mô hình máy được xây dựng dựa trên cơ sở kế thừa thiết kế máy phay gỗ CNC 5 trục, mô hình thực tế 3 trục và cải tiến các khuyết điểm trong thiết kế đã được công bố. 3
 Tối ưu hóa thiết kế mô hình đã được xây dựng theo hàm mục tiêu đề ra. Hình 1.2. Mô hình máy thực tế ban đầu 5.2. Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp nghiên cứu, tham khảo lý thuyết  Phương pháp kế thừa các công trình nghiên cứu đã thực hiện.  Phương pháp kiểm tra, đánh giá.  Phương pháp thực nghiệm.  Tính toán, thiết kế máy trên các phần mềm CAD/CAE.  Lập trình, mô phỏng gia công trên các phần mềm CAD/CAM/CNC/CAE 4
CHƯƠNG 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 1.1. ĐIỀU KHIỂN SỐ, LÝ THUYẾT MÁY VÀ CÁC CÔNG CỤ CNC 1.1.1. Giới thiệu. Máy điều khiển số (NC machine), một sản phẩm điển hình của ngành cơ điện tử, là sự kết hợp của ngành cơ khí là một máy công cụ và ngành điện là hệ thống điều khiển số. Máy công cụ có thể hiểu là một máy có khả năng chế tạo ra các máy khác. Sự cải tiến công nghệ từ máy công cụ thủ công sang máy công cụ NC, độ chính xác và tốc độ gia công đã được cải thiện rõ rệt. Khi tiến hành phát triển máy NC, mục đích của nó là để gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp một cách chính xác. Vì thế, bộ điều khiển số được dùng chủ yếu cho máy phay và máy doa. Tuy nhiên, việc ứng dụng NC đã dần trở nên phổ biến để làm tăng năng suất nên nhiều loại máy NC được phát triển như máy tiện, trung tâm gia công, máy khoan/tarô… Đặc biệt, ứng dụng của NC được mở rộng cho các máy công cụ không truyền thống như máy cắt dây EDM, máy cắt laser, máy in 3D… v.v. Vì vậy, việc tự động hóa nhà máy cũng được tiến hành, công nghệ máy NC cho phép xây dựng FA (Flexible Automation - Tự động hóa linh hoạt) hay FMS (Flexible Manufacturing Systems - Hệ thống sản xuất linh hoạt) bằng cách kết nối các máy với thiết bị sản xuất như robot, AGV (Autonomous Guided Vehicles - Xe tự hành), nhà kho hay máy tính được tự động hóa. Hệ thống NC được sử dụng không chỉ cho máy công cụ mà tất cả các máy cần chuyển động bởi hệ thống servo, như là máy cắt gọt, khí cụ vẽ, máy gia công gỗ, CMM (Coordinate Measurement Machines - Máy đo tọa độ) và máy thêu dệt, và NC là công nghệ cơ bản cho tự động hóa nhà máy 1.1.2. Hệ thống dẫn động CNC. Hệ thống mà biến đổi các lệnh từ NC đến chuyển động của máy được thể hiện ở Hình 1.1a. Hình 1.1b mô tả cơ cấu dẫn động bằng servo bao gồm một động cơ servo và một thiết bị truyền công suất. Servo, có từ gốc theo Latin là “servue”, là thiết bị thực hiện chính xác với lệnh được đưa ra. Lệnh từ NC làm cho động cơ servo quay, chuyển động quay của servo được truyền đến vít-me bi thông qua một khớp nối, sự quay của vít-me bi được biến đổi thành chuyển động tịnh tiến của đai ốc bi, và cuối cùng bàn máy với chi tiết di chuyển tuyến tính. Tóm lại, cơ cấu dẫn động bằng servo điều khiển vận tốc và mômen xoắn của bàn máy thông qua thiết bị driver cho servo của từng trục dựa trên các lệnh vận tốc từ NC. Gần đây, 5
PMSMs (Permanent Magnet Synchronous Motors - Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu) được sử dụng như là động cơ servo trong máy công cụ. (a) Cơ cấu dẫn động bằng servo (b) Cơ cấu dẫn động bằng trục chính Hình 1.3. Cơ cấu dẫn động của máy công cụ Hình 1.3b mô tả đơn vị trục chính bao gồm một động cơ trục chính và thiết bị truyền công suất. Sự quay của động cơ trục chính được truyền đến thân trục chính thông qua một đai và tỷ lệ vận tốc phụ thuộc vào tỷ lệ của kích cỡ puly giữa động cơ và thân trục chính. Gần đây, động cơ cảm ứng được sử dụng rộng rãi để làm động cơ trục chính cho máy công cụ, vì động cơ cảm ứng không có chổi than, tốt hơn động cơ DC về kích thước, trọng lượng, quán tính, hiệu suất, tốc độ tối đa, và việc bảo trì. Một vài máy công cụ sử dụng bánh răng để truyền công suất thay vì dùng đai. Tuy nhiên, truyền công suất bởi bánh răng không phù hợp cho gia công cao tốc. Gần đây, một bộ truyền trực tiếp, mà động cơ trục chính và thân trục chính (đầu máy) được kết nối trực tiếp với một thiết bị truyền công suất, được dùng để quay tốc độ cao hơn 10.000 vòng/phút. 1.1.2.1. Phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính (Linear Movement Guide) Một vít-me bi được sử dụng để di chuyển vị trí dụng cụ cắt hay bàn máy và đóng vai trò thay đổi chuyển động quay của động cơ servo thành di chuyển tuyến tính. Một phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính (Linear Movement - LM) được sử dụng để làm tăng độ chính xác và sự mượt mà của di chuyển tuyến tính. 6
Hình 1.4. Các phần dẫn hướng di chuyển tuyến tính 1.1.2.2. Khớp nối (Coupling) Khớp nối mềm (Flexible coupling) thường được sử dụng trong các bộ phận máy, là một chi tiết máy kết nối trục động cơ servo với vít-me bi. Khi vít-me bi và động cơ servo được liên kết, các trục của chúng nên đồng tâm nhau. Tuy nhiên, trong thực tế, điều này rất khó đạt được. Vì lý do này, một khớp nối nên được thiết kế để không bị ảnh hưởng bởi sự lệch tâm quay. Khớp nối mềm được thể hiện ở Hình 1.5 đáp ứng được yêu cầu đề cập ở trên và làm cho việc kết nối động cơ servo và vít-me bi trở nên dễ dàng. 1.1.3. Vòng điều khiển CNC (CNC Control Loop) Hệ thống vòng hở và kín mô tả 2 loại cơ bản của hệ thống điều khiển CNC. Vòng kín và mở mô tả qui trình điều khiển của hệ thống. Vòng mở thiên về hệ thống mà ở đó sự giao tiếp giữa hệ thống điều khiển và động cơ là 1 chiều. Khác với vòng điều khiển kín, vòng điều khiển mở không có khả năng hồi tiếp. Vòng mở có thể ứng dụng trong trường hợp khi đồ chính xác điều khiển là không cao và động cơ bước được dùng khi đó. Vì vòng điều khiển hở không cần bộ dò và mạch hồi tiếp cho nên cấu trúc khá đơn giản. Thêm vào đó, độ chính xác của hệ thống dẫn động trực tiếp tác động lên độ chính xác thông qua động cơ bước, vít-me bi và hệ thống truyền động. 7
Động cơ bước thì có khả năng khởi động 1 hệ thống vòng hở trong khi động cơ servo thì không thể, ít nhất là trong ứng dụng CNC. Bởi vì động cơ bước không yêu cầu phần cứng hồi tiếp, giá thành cho 1 hệ thống vòng hở cũng rẻ hơn đáng kể để xây dựng 1 máy CNC 5 trục. 1.1.4. Các thành phần của hệ thống CNC Hệ thống CNC bao gồm ba đơn vị; đơn vị NC cung cấp giao diện người dùng và thực hiện điều khiển vị trí, đơn vị động cơ và đơn vị driver. Theo nghĩa hẹp, chỉ có đơn vị NC được gọi là hệ thống CNC. Phần nội dung này chỉ tập trung vào cấu tạo và chức năng của NC và không bao gồm đơn vị động cơ và driver. Hình 1.5. Cấu trúc của CNC Xét về quan điểm chức năng, hệ thống CNC bao gồm bộ MMI, bộ NCK và bộ PLC, Hình 1.12. Bộ MMI (Man Machine Interface - Giao diện người và máy) cung cấp giao diện giữa NC và người dùng, thực thi các lệnh vận hành máy, hiển thị trạng thái máy, và cung cấp các chức năng để chỉnh sửa chương trình gia công và giao tiếp. Bộ NCK (Numerical Control Kernel - Điều khiển số Kernel), là bộ phận cốt lõi của hệ thống CNC, biên dịch chương trình gia công và thực thi việc nội suy, điều khiển vị trí, và bù trừ lỗi sai dựa trên chương trình gia công đã được biên dịch. Cuối cùng, bộ này điều khiển hệ thống servo và làm cho chi tiết được gia công. PLC (Programmable Logic Control - Điều khiển logic khả trình) điều khiển tuần tự việc thay dao, tốc độ trục chính, thay phôi, xử lý tín hiệu vào/ra và đóng vai trò điều khiển hành vi của máy ngoại trừ điều khiển servo. 8
1.2. THIẾT KẾ KẾT CẤU 3 TRỤC ĐƠN GIẢN 1.2.1. Cơ sở tính toán thiết kế. Hình 1.6. Sơ đồ thiết kế 3 trục cơ bản. 1.2.1.1. Phương pháp gia công phay. Phay là một phương pháp gia công mà vật liệu sẽ được cắt gọt bởi một dụng cụ cắt xoay quanh trục tâm của nó, phương pháp này khác với khoan ngoài việc di chuyển tịnh tiến dọc theo trục tâm của dao, dao phay cũng có thể di chuyển vuông góc với trục tâm. 9
(a) Phay mặt (b) Phay ngón (c) Phay đổ xuống Hình 1.7. Phương pháp phay cơ bản a. Phay mặt - Phay ngón (Face milling - End milling)  Công suất khi phay mặt - phay ngón: 𝑃𝑒 = 𝜅 𝑃 . 𝐶. 𝑄. 𝑊 (kW) (1.1) Trong đó, 𝜅 𝑃 : Hằng số công suất cắt riêng (kW/cm3/s). 𝐶: Hệ số chạy dao ứng với hằng số công suất cắt riêng. 𝑄: Lượng cắt gọt vật liệu (cm3/s). 𝑊: Hệ số hao mòn dụng cụ cắt.  Hiệu suất truyền: 𝐸 = 𝐸 𝑏 2 (1.2) Trong đó, 𝐸 𝑏 : Hiệu suất của một cặp ổ bi. 𝑃𝑒  Công suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃 𝑆 = (kW) (1.3) 𝐸 Trong đó, 𝐸: Hiệu suất truyền. 𝑃 𝑒 ×60000  Lực cắt tiếp tuyến: 𝐹 𝑡 = (N) (1.4) 𝑉𝑐 Trong đó, 𝑉𝑐 : Vận tốc cắt (m/phút). 𝑉 𝑐 ×1000  Tốc độ quay trục chính: 𝑛 = (vòng/phút) (1.5) 𝜋×𝐷 10
 Lượng chạy dao / Bước tiến của bàn máy: 𝑣 𝑓 = 𝑓𝑧 × 𝑧 × 𝑛 (mm/phút) (1.6) Trong đó, 𝑓𝑧 : Lượng chạy dao răng (mm/răng). 𝑧: Số răng cắt của dụng cụ cắt. 𝑎 𝑒 ×𝑎 𝑝 ×𝑣 𝑓  Lượng cắt gọt vật liệu: 𝑄 = (cm3 /s) (1.7) 60×1000 Trong đó, 𝑎 𝑒 : Chiều sâu cắt hướng kính (mm). 𝑎 𝑝 : Chiều sâu cắt hướng trục (mm). b. Phay đổ xuống (Plunge milling)  Lực ép xuống: 𝐹 𝑡ℎ = 0,05𝐾 𝑑 . 𝐹 𝑓 . 𝐹 𝑇 . 𝐵. 𝑊 + 0,007𝐾 𝑑 . 𝐷 2 . 𝐽. 𝑊 (N) (1.8) Trong đó, 𝐾 𝑑 : Hệ số vật liệu chi tiết. 𝐹 𝑓 : Hệ số chạy dao. 𝐹 𝑇 : Hệ số lực ép xuống ứng với đường kính mũi khoan. 𝐵: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống. 𝑊: Hệ số hao mòn dụng cụ cắt. 𝐷: Đường kính mũi khoan (m). 𝐽: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống. 𝐾 𝑑 .𝐹 𝑓 .𝐹 𝑀 .𝐴.𝑊  Mômen xoắn: 𝑀 = (N. m) (1.9) 40000 Trong đó, 𝐹 𝑀 : Hệ số mômen xoắn ứng với đường kính mũi khoan. 𝐴: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với mômen xoắn. 11
𝑀.𝑛  Công suất khi phay đổ xuống: 𝑃𝑝 = (kW) (1.10) 9950 Trong đó, 𝑀: Mômen xoắn (N.m). 𝑛: Tốc độ quay trục chính (vòng/phút). 𝑃𝑝  Công suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃 𝑆 = (kW) (1.11) 𝐸 1.2.1.2. Lựa chọn động cơ trục chính (Spindle). Dựa trên các điểm cần xem xét khi lựa chọn động cơ trục chính cho máy:  Động cơ nên có tốc độ quay cao để cắt vật liệu dễ bể vụn như nhôm, gỗ…  Nên được làm mát bằng khí thay vì bằng nước để tránh các hiện tượng hóa học xảy ra khi gia công.  Chiều sâu cắt và bề rộng phay nên được xác định.  Lượng chạy dao.  Đường kính của dụng cụ cắt. Việc lựa chọn công suất của trục chính được dựa trên phương trình của lực tiếp tuyến và dọc trục tác dụng lên chi tiết cần thiết để gia công. Trong phương pháp phay đứng, hai loại lực tiếp tuyến và dọc trục xảy ra do nguyên công phay đơn giản và phay đổ xuống tương ứng. 1.2.1.3. Thiết kế thân đỡ trục chính. Thân đỡ được yêu cầu để giữ trục chính mà khi tất cả các lực cắt đang thực thi. Vì vậy những điều sau đây được yêu cầu chọn lựa và thiết kế:  Vật liệu của tấm đỡ.  Số bulông cần thiết để giữ thân đỡ và trục chính.  Bước ren của bulông và tai bulông so với cường độ chịu lực (xé) (bề dày của tấm đỡ).  Đường kính của bulông.  Vật liệu của bulông và đai ốc. 12