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

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

S K C 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.

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

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.

 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

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,

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.

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.

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.

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.

(a) Phay mặt

(b) Phay ngón

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 = 𝜅𝑃. 𝐶. 𝑄. 𝑊 (kW) (1.1)

Trong đó,

𝜅𝑃: 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).

2 (1.2)

𝑊: Hệ số hao mòn dụng cụ cắt.

 Hiệu suất truyền: 𝐸 = 𝐸𝑏

Trong đó, 𝐸𝑏: Hiệu suất của một cặp ổ bi.

𝑃𝑒 𝐸

(kW) (1.3)  Công suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃𝑆 =

Trong đó, 𝐸: Hiệu suất truyền.

𝑃𝑒×60000 𝑉𝑐

(N) (1.4)  Lực cắt tiếp tuyến: 𝐹𝑡 =

Trong đó, 𝑉𝑐: Vận tốc cắt (m/phút).

𝑉𝑐×1000 𝜋×𝐷

 Tốc độ quay trục chính: 𝑛 = (vòng/phút) (1.5)

 Lượng chạy dao / Bước tiến của bàn máy: 𝑣𝑓 = 𝑓𝑧 × 𝑧 × 𝑛 (mm/phút) (1.6)

Trong đó,

𝑓𝑧: Lượng chạy dao răng (mm/răng).

𝑧: Số răng cắt của dụng cụ cắt.

𝑎𝑒×𝑎𝑝×𝑣𝑓 60×1000

 Lượng cắt gọt vật liệu: 𝑄 = (cm3/s) (1.7)

Trong đó,

𝑎𝑒: Chiều sâu cắt hướng kính (mm).

𝑎𝑝: Chiều sâu cắt hướng trục (mm).

b. Phay đổ xuống (Plunge milling)

 Lực ép xuống: 𝐹𝑡ℎ = 0,05𝐾𝑑. 𝐹𝑓. 𝐹𝑇. 𝐵. 𝑊 + 0,007𝐾𝑑. 𝐷2. 𝐽. 𝑊 (N) (1.8)

Trong đó,

𝐾𝑑: Hệ số vật liệu chi tiết.

𝐹𝑓: Hệ số chạy dao.

𝐹𝑇: 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.

𝐾𝑑.𝐹𝑓.𝐹𝑀.𝐴.𝑊 40000

 Mômen xoắn: 𝑀 = (N. m) (1.9)

Trong đó,

𝐹𝑀: Hệ số mômen xoắn ứng với đường kính mũi khoan.

𝐴: Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với mômen xoắn.

𝑀.𝑛

9950

(kW) (1.10)  Công suất khi phay đổ xuống: 𝑃𝑝 =

Trong đó,

𝑀: Mômen xoắn (N.m).

𝑛: Tốc độ quay trục chính (vòng/phút).

𝑃𝑝 𝐸

(kW) (1.11)  Công suất cần thiết để chọn động cơ trục chính: 𝑃𝑆 =

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.

Tiêu chí thiết kế dựa trên nhiều loại lực tác dụng lên trục chính như được nghiên cứu

ở tài liệu [3] dành cho thiết kế bulông mà được giải thích như sau:

Trường hợp 1: Khi cắt dọc trục Y (Tải tác động song song với trục bulông)

Hình 1.8. Sơ đồ lực khi cắt dọc trục Y

 Lực quán tính: Fiy = masm1. ay (N) (1.12)  Hợp lực: Wy = Fiy + Py (N) (1.13)

Trong đó, masm1: Khối lượng của Spindle và Bracket (kg).

ay: Gia tốc của động cơ trục Y (m/s2).

′ =

 Lực kéo trên mỗi Bu-long:

(N) (1.14) Fy Wy Nb

Trong đó, Nb: Số lượng bu-long

 Khoảng cách từ hàng Bu-long thứ i đến cạnh lật: Lyi (m).  Độ lệch tâm của lực Py: ey (m).  Lực kéo trên mỗi Bu-long thứ i theo khuynh hướng lật của thân đỡ dưới tác dụng

của tải Py và độ lệch tâm:

′′ =

2 (N) (1.15)

′′ (N) (1.16)

Fyi Wy. ey. Lyi (∑ Lvi)

 Hợp lực tác dụng lên mỗi Bu-long thứ i: ′ + Fyi

Fyi = Fy  Lực kéo lớn nhất Fymax được chọn từ phương trình (1.16).  Ứng suất kéo cho phép:

(N/mm2) (1.17) [σt] = σyt fs

Trong đó,

σyt: Điểm tới hạn của ứng suất kéo Bu-long (N/mm2).

fs: Hệ số an toàn

 Ứng suất kéo tính toán:

(N/mm2)(1.18) σcal =

Wmtb π 2 . dc 4

Trong đó, dc: Đường kính chân ren (mm).

 Khi điều kiện σcal ≤ [σt] thõa mãn, Đường kính ngoài bu-lông là:

(mm) (1.19) dbolt = dc 0.8

Trường hợp 2: Khi cắt dọc trục X (Tải tác động lên mặt phẳng chứa bulông)

Hình 1.9. Sơ đồ lực tác dụng theo phương x.

 Lực quán tính: Fix = masm1. ax (N) (1.20)

Trong đó,

masm1: Khối lượng của Spindle và Bracket (kg).

ax: Gia tốc của motor trục x (m/s2).

′ =

 Hợp lực: Wx = Fix + Px (N) (1.21)  Lực cắt trên mỗi bu-lông thứ i:

(N) (1.22) Fxi Wx Nb

Trong đó, Nb: Số lượng Bu-long.

 Mô-men xoắn tạo bởi Wx và độ lệch tâm: Mex = Wx. ex (N. m) (1.23)

Trong đó, ex: Độ lệch tâm của Wx(m).

 Khoảng cách của khối tâm G đén Bu-lông thứ i: Lxi (m).  Lực cắt thứ cấp trên mỗi bu-lông thứ i:

′′ =

Fxi

Mex. Lxi (∑ Lxi)2 (N) (1.24)  Góc giữa lực cắt sơ cấp và thứ cấp (bu-lông) 1 và 3:

α = 90° + θ (1.25)

Trong đó, θ: Góc giữa Lxi và phương ngang

 Góc giữa lực cắt sơ cấp và thứ cấp (bu-lông) 2 và 4:

β = 90° − θ (1.26)

′′ . cos α (N) (1.27)

 Hợp lực cắt (trượt) tại bu-lông 1 và 3:

′2 + Fx1,3

′′2 + 2. Fx1,3

′. Fx1,3

Fx1,3 = √Fx1,3

′′ . cos β (N) (1.28)

 Hợp lực cắt (trượt) tại bu-lông 2 và 4:

′2 + Fx2,4

′′2 + 2. Fx2,4

′. Fx2,4

Fx2,4 = √Fx2,4

 Lực cắt lớn nhất sẽ được chọn từ phương trình (1.27) và (1.28).

 Giới hạn bền cắt của vật liệu bu-lông:

(N/mm2) (1.29) τys =

σyt 2 Trong đó, σyt: Giới hạn bền kéo của vật liệu bu-lông (N/mm2).

 Ứng suất cắt cho phép:

(N/mm2) (1.30) [τs] = τys fs

Trong đó, fs: Hệ số an toàn.

 Ứng suất cắt tính toán:

(N/m2) (1.31) τcal = RS . dc π 4

Trong đó, dc: Đường kính chân ren (mm).

 Khi điều kiênh τcal ≤ [τs] thỏa mãn, đường kính thân bu-lông là:

(mm) (1.32) dbolt = dc 0.8

Trường hợp 3. Khi cắt dọc trục Z thẳng đứng hướng xuống

(Tải cắt tác động vuông góc với bulông của thân đỡ)

Hình 1.10. Sơ đồ lực tác dụng theo phương Z.

 Lực quán tính: Fiz = masm1. (az + g) (N) (1.33)

Trong đó,

masm1: Khối lượng của cụm lắp trục Z-B-C (kg).

az: Gia tốc động cơ trục Z (m/s2).

g: Gia tốc trọng trường (m/s2).

 Hợp lực: Wz = Fiz + Pz (N) (1.34)  Lực cắt (trượt) trực tiếp lên mỗi bu-lông:

(N) (1.35) Wds = Wz Nb

 Khoảng cách từ hàng bu-lông thứ I đến cạnh lật: Lzi (m).

 Mô-men xoắn tạo bởi lực Wz và độ lệch tâm: Mez = Wz. ez (Nm) (1.36)

Trong đó, ez: Độ lệch tâm của Wz (m).

 Lực kéo trên mỗi bu-lông hàng thứ i tạo ra bởi mô-men xoắn và khoảng cách Lzi:

Wt = Mez. Lzi 2(∑ Lzi)2 (N) (1.37)

 Tải kéo tương đương (Wte)

(1.38)

 Tải cắt tương đương (Wse)

(1.39)

(N/mm2) (1.40) τys =  Ứng suất cắt của vật liệu bu-lông: σyt 2

 Ứng suất cắt (trượt) cho phép bao gồm hệ số an toàn:

(N/mm2) (1.41) [τs] = τys fs

Trong đó:

σyt: Ứng suất kéo tới hạn của vật liệu bu-lông (N/mm2).

fs: Hệ số an toàn

 Lực kéo tính toán:

(N/mm2) (1.42) σcal = Wte . dct π 4

Trong đó, dct: Đường kính chân ren (mm).

 Ứng suất cắt tính toán (trượt):

(N/mm2) (1.43) τcal = Wse . dcs π 4

Trong đó, dcs: Đường kính chân ren (slip) (mm).

 Khi điều kiện σcal ≤ [σt], τcal ≤ [τs] thỏa mãn, dc sẽ là đường chính chân ren lớn

nhất trong 2 điều kiện trên và đường kính thân bu-lông được tính như sau:

(mm) (.44) dbolt = dc 0.8

Trường hợp 4. Kiểm tra chống xé tấm đỡ

 Tấm đỡ có thể bị xé do đường kính của bulông và bề dày của tấm đỡ.

𝐹𝑚 𝑑𝑏×𝐵𝑡

(N/m2) (1.45)  Ứng suất chịu lực cho phép của tấm đỡ: 𝜎𝑏𝑐𝑎𝑙𝑐𝑢𝑙𝑎𝑡𝑒𝑑 =

Trong đó,

𝐹𝑚: Lực cắt tối đa theo tiếp tuyến và đổ xuống (N).

𝑑𝑏: Đường kính của bulông đã chọn từ ba trường hợp trên (m).

𝐵𝑡: Bề dày của tấm đỡ (m)

1.2.1.4. Lựa chọn vít-me bi.

Một vít-me bi là một thành phần của máy công cụ dùng để truyền chuyển động quay

từ động cơ dẫn động thành chuyển động tịnh tiến theo ray trượt.

 Vít-me bi chịu tác dụng của lực ép xuống hay lực dọc trục do tải của chi tiết gia

công, lực cắt, ma sát của ray trượt và lực quán tính.

 Lực cắt (trượt) để vượt qua các lực này.

Khi bản chất của ứng suất không phải theo một hướng và kết hợp nhiều ứng suất tác

động lên một bộ phận, nó sẽ được tính toán theo công thức ứng suất Von-mises. Ứng suất Von-mises tương đương bao gồm ứng suất dọc trục và ứng suất cắt (trượt), trong trường

hợp của vít-me bi có thể được tính toán bởi mối quan hệ được cho dưới đây:

 Ứng suất dọc trục:

2 (N/m2) (1.46)

σaxial = Fa π × rb

Trong đó,

Fa: Lực dọc trục trên trục vít-me bi (N).

rb: Đường kính chân ren của trục vit-me bi (m).

 Ứng suất xoắn:

3 (N/m2) (1.47)

τtorsional = 2 × Tt π × rb

Trong đó, Tt: Mô-men dẫn động tạo lực cắt (N.m).

2 (N/m2) (1.48)

 Ứng suất tương đươngVon-mises :

2 + 3τtorsional

σeq = √σaxial

Công thức tính lực dọc trục và mô-men xoắn dẫn:

 Lực dọc trục vít-me bi:

a) Lực tác dụng dọc theo phương Z:

Fa1 = (m × g) + FfR + (m × a) − Fp (N) (1.49)

Fa2 = (m × g) + FfR − Fp (N) (1.50)

Fa3 = (m × g) + FfR − (m × a) − Fp (N)(1.51)

Fa4 = (m × g) − FfR − (m × a) (N) (1.53)

Fa5 = (m × g) − FfR (N) (1.54)

Fa6 = (m × g) − FfR + (m × a) (N) (1.55)

b) Lực tác dụng dọc theo phương X:

Fa1 = (m × g) + FfR + (m × a) + Ft (N) (1.56)

Fa2 = (m × g) + FfR + Ft (N) (1.57)

Fa3 = (m × g) + FfR − (m × a) + Ft (N) (1.58)

Fa4 = (m × g) − FfR − (m × a) + Ft (N) (1.59)

Fa5 = (m × g) − FfR + Ft (N) (1.60)

Fa6 = (m × g) − FfR + (m × a) + Ft (N) (1.61)

c) Lực dọc trục tác dụng theo phương Y:

Fa1 = μ × (m × g) + FfR + (m × a) + Ft (N) (1.62)

Fa2 = μ × (m × g) + FfR + Ft (N) (1.63)

Fa3 = μ × (m × g) + FfR − (m × a) + Ft (N) (1.64)

Fa4 = μ × (m × g) − FfR − (m × a) + Ft (N) (1.65)

Fa5 = μ × (m × g) − FfR + Ft (N) (1.66)

Fa6 = μ × (m × g) − FfR + (m × a) + Ft (N) (1.67)

Trong đó,

Fa1: Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước (N).

Fa2: Lực dọc trục chuyển động đề về phía trước (N).

Fa3: Lực dọc trung trong quá trình giảm tốc về phía trước (N).

Fa4: Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía sau (N).

Fa5: Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía sau ( N).

Fa6: Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc về phía sau (N).

m: Khối lượng chuyển đổi (kg).

FfR: Lực cản bề mặt dẫn hướng (N).

Fp: Lực đổ xuống (N).

μ: Hệ số ma sát bề mặt dẫn hướng.

Giá trị lực dọc trục lớn nhất được chọn ra từ 3 trường hợp trên

1.2.1.5. Lựa chọn động cơ dẫn động trục X,Y và Z.

Giả sử hệ thống truyền động của một bàn máy CNC có cấu tạo như Hình 1.10 với đặc điểm chuyển động được cho trên Hình 1.11. Hệ thống có khối lượng tải của bộ phận di động là M chịu lực tác động F. Động cơ servo truyền động cho trục vít-me (bước ren PB, đường kính trục vítme DB) thông qua cặp bánh răng Z1, Z2 với tỉ số giảm tốc 1/i=Z1/Z2. Hệ

thống có hiệu suất truyền động cơ khí là η và hệ số ma sát là . Đặc điểm của hệ thống này

là có thời gian tăng tốc ta bằng thời gian giảm tốc td và vận tốc tải lớn nhất là VL

Trục vítme bi

M (kg):khối lượng tải của bộ phận di động thẳng

Vl (m/ph): tốc độ tải

F (N): ngoại lực tác động Hình 1.10. Sơ đồ truyền động PB (m): bước ren của hệ thống. DB (m): đường kính trục vítme bi

LB (m): chiều dài trục vítme bi

1/i: tỉ số giảm tốc (i=Z2/Z1)

η: hiệu suất truyền động cơ khí

: hệ số ma sát

V L

VL: vận tốc tải ổn định.

ta: thời gian tăng tốc đến vận tốc VL.

td: thời gian giảm tốc.

Hình 1.11. Sơ đồ vận tốc và thời gian vận hành của hệ thống. 22

- Lượng dịch chuyển Ls:

(1.73)

Nếu ta = td:

(m) (1.74)

- Tốc độ vòng của trục động cơ NM:

(rpm) (1.75)

- Mô-men xoắn tải TL:

(N.m) (1.76)

- Mô-men quán tính tải JL:

(Kg.m2) (1.77)

Trong đó: JW là mô-men quán tính bộ phận di động thẳng

JG là mô-men của khớp nối.

JB Mô-men quán tính của vít-me bi.

(Kg.m2) (1.78)

(Kg.m2) (1.79)

Trong đó:

MB (kg) khối lượng của vit-me bi.

ρ (kg/m3) khối lượng riêng của vật liệu làm vit-me.

(Kg.m2) (1.80)

- Thời gian tăng tốc nhỏ nhất: (1.81)

Where:

JM là mômen quán tính của động cơ.

TPM là mômen xoắn lớn nhất của động cơ.

- Thời gian giảm tốc nhỏ nhất:

(s) (1.82)

- Công suất vận hành tải P0 (W):

(kW) (1.83)

- Công suất gia tốc tải Pa (W) :

(kW) (1.84)

(ta ≤ tdm)

1.2.1.6. Kết luận về phương pháp luận

Từ phương pháp luận đã được thảo luận trong chương này, quy trình thiết kế bao gồm những điều sau:

 Lực cắt được tính theo vật liệu hợp kim nhôm cứng nhất và các thông số cắt.

 Công suất phù hợp của trục chính đang được chọn với thiết kế của thân đỡ để gá trục

chính.

 Ảnh hưởng của độ lớn và chiều lực cắt sẽ chỉ được xem xét phân tích.

 Việc lựa chọn vít-me bi và động cơ cho các truyền động khác nhau thì xem xét về

gia tốc và ma sát bề mặt dẫn hướng khác nhau.

1.3. THIẾT KẾ CỤM TRỤC XOAY B-C

1.3.1. Hộp số Harmonic.

1.3.1.1. Giới thiệu chung

Hộp giảm tốc harmonic được phát minh bởi C. Walton Musser năm 1955 hay còn gọi

là hộp giảm tốc bánh răng sóng là một loại hộp giảm tốc rất đặc biệt được phát triển bởi hãng Harmonic driver. Hộp giảm tốc này có độ rơ cực kì nhỏ (có thể gọi là không rơ, độ rơ

< 1 arcmin) và có tỉ số truyền cực lớn (50, 100, 160 lần ...) trong khi kích thước lại nhỏ gọn.

Được sử dụng rộng rãi trong kĩ thuật công nghiệp đặc biệt là sử dụng làm khớp vai

trong hệ thống robot và hệ thống máy móc yêu cầu độ chính xác cao như máy CNC…

1.3.1.2 Cấu tạo.

Bộ tạo sóng Bánh răng mềm Bánh răng ngoài

Bộ tạo sóng: Là một vòng bi mỏng, chạy trên một tâm hình elip. Điều này phục vụ như một bộ chuyển đổi mô-men xoắn hiệu suất cao và thường được gắn vào đầu vào hoặc trục động cơ.

Bánh răng mềm: Là chi tiết dạng cốc thành mỏng có răng ở thành ngoài và được gắn

với Bộ tạo song. Thường được sử dụng làm đầu ra của hộp số.

Bánh răng ngoài: Là một vòng tròn cứng có răng trong ăn khớp với răng của bánh

răng mềm. Bánh răng này thương có nhiều hơn 2 răng so với bán răng mềm và được gắn vào bích động cơ.

1.3.1.3 Một số kích thước cơ bản của hộp số Harmonic.

Hình 1.12. Kích thước tiêu chuẩn CSG và CSF (Đơn vị: mm)

1.3.2. Hộp số hành tinh (Planetary Gearbox)

1.3.2.1. Giới thiệu chung.

Trong các xe lắp hộp số tự động, bộ truyền bánh răng hành tinh điều khiển việc

giảm tốc, đảo chiều, nối trực tiếp và tăng tốc.

Bộ truyền bánh răng hành tinh gồm các bánh răng hành tinh, các li hợp và phanh.

Bộ truyền bánh răng hành tinh trước và bộ truyền bánh răng hành tinh sau được nối với các li hợp và phanh, là các bộ phận nối và ngắt công suất. Những cụm bánh răng này chuyển đổi vị trí của phần sơ cấp và các phần tử cố định để tạo ra các tỷ số truyền bánh răng khác nhau và vị trí số trung gian.

Hình 1.13. Hộp số hành tinh (Planetary gearbox)

1.3.2.2. Cấu tạo.

Các bánh răng trong bộ truyền bánh răng hành tinh có 3 loại: bánh răng bao, bánh

răng hành tinh và bánh răng mặt trời và cần dẫn. Cần dẫn nối với trục trung tâm của mỗi bánh răng hành tinh và làm cho các bánh răng hành tinh xoay chung quanh.

Với bộ các bánh răng nối với nhau kiểu này thì các bánh răng hành tinh giống như các

hành tinh quay xung quanh mặt trời, và do đó chúng được gọi là các bánh răng hành tinh.

Thông thường nhiều bánh răng hành tinh được phối hợp với nhau trong bộ truyền

bánh răng hành tinh.

Hình 1.14. Cấu tạo của hộp số hành tình.

1.3.2.3 Một số kích thước cơ bản của hộp số hành tinh.

Hình 1.15. Bản vẽ của 1 hộp số hành tinh.

1.3.3. Tính toán, lựa chọn động cơ cho cụm trục xoay B-C.

- Công suất cắt khi phay:

𝑃𝑐 = 𝐾𝑝. 𝑊. 𝐶. 𝑄 (3.1)

Trong đó:

Kp: Hằng số công suất riêng

W: Hệ số mòn dụng cụ cắt

C: Hệ số chạy dao

Q: Lượng cắt gọt vật liệu (cm3/s)

- Mô-men tải cắt:

(𝑁. 𝑚) (3.2) 𝑀𝑐 = 𝑃𝑐. 30. 103 𝜋. 𝑛

- Vận tốc spindle:

(rpm) (3.3) 𝑛𝑠𝑝𝑖𝑛 = 𝑉𝑐 × 1000 𝜋 × 𝐷

Trong đó D đường kính dụng cụ cắt.

- Bước tiến :

𝑣𝑓 = 𝑓𝑧 × 𝑧 × 𝑛 (mm/min) (3.4)

Trong đó,

𝑓𝑧: Lượng ăn dao răng (mm/tooth).

𝑧: Số lượng răng dao

Hình 1.16. Sơ đồ động của cụm trục xoay B-C.

- Lượng cắt gọt vật liệu:

𝑄 = (cm3/s) (3.5) 𝑎𝑒 × 𝑎𝑝 × 𝑣𝑓 60 × 1000

Trong đó, 𝑎𝑒: Chiều sâu cắt hướng kính (mm).

𝑎𝑝: Chiều sâu cắt hướng trục (mm).

- Vận tốc đầu ra của hộp số :

𝑛 = (𝑟𝑝𝑚) (3.7) 𝑉𝑓 𝐶𝑠𝑝𝑖𝑛

- Chu vi quĩ đạo chuyển động khi cắt gọt:

𝐶𝑠𝑝𝑖𝑛 = 2𝜋. ℎ (𝑚𝑚) (3.8)

Trong đó: h (mm): chiều dài từ tâm quay trục B đối với đỉnh dao.

- Lực cắt cần thiết:

𝐹𝑡 = (𝑃𝑐. 60000)/𝑉𝑐 (𝑁) (3.9)

- Mô-ment do lực cắt tạo ra quanh trục quay B:

𝑀 = 𝐹𝑡. ℎ (𝑁. 𝑚) (3.10)

- Công suất trục ra của hộp số :

𝑀. 𝑛 𝑃2 = 9.55. 103 (𝑘𝑊) (3.11)

- Công suất trục động cơ:

(𝑘𝑊) (3.12) 𝑃1 = 𝑃2 ɳ

CHƯƠNG II. THIẾT KẾ MÁY

2.1. XÂY DỰNG CÁC MÔ HÌNH ĐIỆN TỬ TRÊN MÁY TÍNH (CAD).

2.1.1. Cơ sở thiết kế và xây dựng

Mô hình CAD được xây dựng dựa trên sơ đồ tuyền động và các bộ phận dẫn hướng. Cụ

thể như sau:

Động cơ bước

Khớp nối mềm

Bộ truyền vít me bi

Bộ phận làm việc

 Các cụm trục chuyển động tịnh tiến X, Y, Z:

Ngoài ra, bộ phận dẫn hướng của X, Z là ray trượt và trục Y là ty trượt.

Động cơ bước

Hộp số giảm tốc mômen xoắn cao, độ rơ thấp

Bộ phận làm việc

 Các cụm trục xoay B, C:

2.1.2. Kế thừa mô hình thiết kế ban đầu

Mô hình thiết kế ban đầu được kế thừa đã có 03 trục cơ bản X, Y và Z vận hành ổn

định, tuy nhiên khả năng cứng vững còn hạn chế. Với phạm vi của đề tài, việc thiết kế 02

trục xoay B và C sẽ được lên phương án tiến hành và hơn nữa, sẽ xem xét lại kết cấu 03

trục cơ bản của máy về phương diện tính toán thiết kế.

Hình 2.1. Mô hình máy CNC 3 trục được kế thừa

Hình 2.2. Mô hình được cải tiến.

2.1.2.1. Cụm trục X.

Cụm trục X ở phần trên cùng của máy, thanh trượt được lắp đặt cố định trên khung

máy. Bộ truyền vít-me bi đặt nằm giữa hai thanh trượt. Hai ổ bi đỡ gắn ở hai đầu khung máy.

Thông số của cụm trục X: Chiều dài trục vít-me 1185mm; Bước ren 5mm; Hành trình

di chuyển cho phép 720mm; Động cơ dẫn động: Cỡ 86, 1.8°, 6A.

Hình 2.3. Thiết kế trục X

2.1.2.1. Cụm trục Y.

Trục Y nằm khuất dưới bàn máy, hai thanh trươt được lắp vào bàn máy bằng hai thanh

thép hộp mới mối ghép hàn. Bàn máy lắp vào con trượt bằng 4 tấm nhôm với mối ghép bắt bulong đai ốc. Vít-me nằm giữa hai thanh trượt cố định bằng 2 ổ đỡ 2 đầu gắn trên khung

máy dưới.

Thông số của trục Y: vít-me dài 883mm, bước ren 10mm, hành trình cho

phép chuyển động là 350mm. Động cơ bước: 1.8°, 6A.

Hình 2.4. Thiết kế trục Y

2.1.2.1. Cụm trục Z.

Trục Z được thiết kế thằng đứng, vuông góc với bàn máy. Bộ phần truyền động gồm

vít-me, thanh trượt, con trượt đước lắp kín phía trong. Bao quanh là các chi tiết (vật liệu

nhôm) được thiết kế lắp ghép với trục X với kết cấu như hình vẽ. Các chi tiết được lắp ghép

với nhau bằng bulong.

Thông số của trục Z: vít-me dài 883mm, bước ren 5mm, hành trình cho phép chuyển

động là 350mm. Động cơ bước: 1.8°, 3A.

Hình 2.5. Thiết kế trục Z

2.1.3. Thiết kế mô hình CAD trục xoay C.

 Trục C có chuyển động xoay quanh trục Z, được cố định trên phần chuyển động của

trục Z. Khi trục C quay kéo theo chuyển động của trục B.

 Trục C được dẫn động bởi một động cơ bước size 86 thông qua một hộp số bánh răng hành tinh có đầu vào là cốt âm, đầu ra là mặt bích. Với kết cấu của hộp số như thế này

rất phù hợp để tạo ra momen xoay lớn cho trục C và thuận tiện cho việc thiết kế.

 Động cơ dùng cho trục C là động cơ bước size 86, chiều dài 78mm, trục động cơ có

đường kính 14mm.

 Hộp số bánh răng hành tinh có tỷ số truyền 1:50, đường kính mặt bích để cố định 145mm, đường kính mặt bích đầu ra 80mm, đường kính cốt âm đầu vào 11mm.

Motor

Gear box

Connector plate

Hình 2.6. Mô hình CAD 3D của trục xoay C.

Yêu cầu:

 Thiết kế kết cấu phải đảm bảo độ cứng vững của hệ thống, giảm tối đa sự chuyển vị.

 Do được kế thừa phần cứng từ mô hình có sẵn nên việc thiết kế phải được đảm bảo tương thích với kết cấu cũ, đảm bảo hành trình di chuyển tốt nhất. Cụ thể phải giảm

tối đa kích thước chiều cao (tính theo phương Z) để đảm bảo hành trình Z không bị

rút ngắn quá nhiều.

 Thiết kế phải thuận tiện cho việc gia công chính xác trên máy CNC.

 Do bích lắp động cơ của hộp số không phù hợp với động cơ mới nên phải thiết kế

thêm một mặt bích khác để kết nối động cơ và hộp số với nhau.

Thông số thiết kế:

 Kích thước: 180x160x265 mm

 Khối lượng: 9.5 Kg  Góc xoay tối đa: 360o

2.1.4. Thiết kế mô hình CAD trục xoay B.

Motor

Gearbox

Backplate

Hình 2.7. Mô hình CAD 3D trục xoay B

 Trục B có chuyển động xoay quanh trục Y, các chi tiết của trục B được cố định trên

tấm xoay của trục C.

 Trục B được dẫn động bởi động cơ bước size 57 thông qua hộp số Harmonic có đầu

vào là cốt âm, đầu ra là mặt bích tương tự như hộp số của trục C.

 Động cơ trục B là động cơ bước size 57, chiều dài 112mm, đường kính trục động cơ

8mm.

 Hộp số cho trục B là hộp số Harmonic có tỷ số truyền 1:180, hộp số được cố định bằng một mặt bích vuông 108x108mm, đường kích mặt bích đầu ra 70mm, đường

kính cốt âm đầu vào 11mm.

Yêu cầu:

 Thiết kế kết cấu phải đảm bảo độ cứng vững của hệ thống, giảm tối đa sự chuyển vị.

 Thiết kế phải thuận tiện cho việc gia công chính xác trên máy CNC.

 Do bích lắp động cơ của hộp số không phù hợp với động cơ mới nên phải thiết kế

thêm một mặt bích khác để kết nối động cơ và hộp số với nhau.

 Cần thiết kế thêm một chi tiết để kết nối đầu ra hộp số với gá ôm spindle do gá ôm

spindle là một chi tiết tiêu chuẩn k thể lắp với bích đầu ra của hộp số.

Thông số thiết kế:

 Kích thước: 170x147x80 mm

 Khối lượng: 6.4 Kg  Góc xoay tối đa: 180o

2.1.5. Thiết kế mô hình CAD cụm lắp Z-B-C.

Cụm lắp Z-B-C được lắp lại với nhau từ 3 cụm nhỏ Z, B, C bằng bulong.

Thông số cụm lắp:

* Kích thước bao: 380x350x1262.5 mm

* Khối lượng: 32.4 Kg

Hình 2.8. Mô hình CAD 3D của cụm trục Z-B-C

2.1.6. Mô hình máy hoàn thiện.

Kích thước bao: 1700x1000x2000 mm.

Phạm vi gia công: 700x440x230 mm.

Hình 2.9. Mô hình CAD 3D hoàn thiện của máy.

2.1.7. Bản vẽ kĩ thuật.

Hình 2.10. Bản vẽ chi tiết cho mặt bích của động cơ bước 57.

2.2. THIẾT KẾ CƠ KHÍ.

2.2.1. Thiết kế kết cấu 03 trục cơ bản

2.2.1.1. Phương pháp gia công phay

a. Phay mặt - Phay ngón

Bảng 2.1. Thông số phay mặt và phay ngón

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Thông số vật liệu

Vật liệu gia công Hợp kim nhôm

Hằng số công suất riêng 1,36 kW/cm3/s 𝜅𝑝

Thông số dụng cụ cắt

Thép gió (HSS) Vật liệu dao

Đường kính dao 6,00 mm 𝐷

Số răng cắt 4,00 𝑧

Thông số cắt

Chiều sâu cắt hướng kính 6,00 mm

Chiều sâu cắt hướng trục 6,800 mm

Lượng chạy dao răng 0,02 mm

Tốc độ cắt 180 m/phút

Tốc độ quay trục chính 9554,14 vòng/phút 𝑎𝑒 𝑎𝑝 𝑓𝑧 𝑉𝑐 𝑛

Lượng chạy dao 764,33 mm/phút 𝑣𝑓 Bước tiến của bàn máy

Hệ số mòn dụng cụ cắt 1,10 𝑊

Lượng cắt gọt vật liệu 0,52 cm3/s 𝑄

Công suất cần thiết

Hiệu suất của một cặp ổ 0,995 𝐸𝑏 bi

Hiệu suất của bộ truyền 0,99 𝐸

Hệ số chạy dao 1,70

Công suất làm việc/cắt 1,32 kW

Công suất động cơ 1,34 kW 𝐶 𝑃𝑒 𝑃𝑆

Lực cắt

N Lực (cắt) tiếp tuyến 440,61 𝐹𝑡 𝑃𝑥, 𝑃𝑦

b. Phay đổ xuống

Bảng 2.2. Thông số phay đổ xuống.

Parameter Symbol Value Unit

Material parameters

Workpeice material factor 7000,00 𝐾𝑑

Cutting tool parameters

Tool diameter Number of cutting teeth Chisel edge length Thrust factor for drill diameter Torque factor for drill diameter Chisel edge factor for thrust

Chisel edge factor for torque 6,00 2,00 1,20 4,195 25,24 1,380 0,04 1,105 mm mm D 𝑧 𝑐 𝐹𝑇 𝐹𝑀 𝐵 𝐽 𝐴

Cutting parameters

0,05 130,00 6900,21 345,01 mm/rev m/min rpm mm/min 𝑓𝑛 𝑉𝑐 𝑛 𝑣𝑓

Feed per revolution Cutting speed Spindle speed Feed rate Table feed Feed factor 0,091

Tool wear factor 1,30 𝐹𝑓 𝑊

Power Requirement

Cutting power 0,42 kW

Spindle power 0,42 kW 𝑃𝑝 𝑃𝑆

Cutting Force

Thurst force 440,61 N

Torque 0,58 N.m 𝐹𝑡ℎ 𝑃𝑧 𝑀

2.2.2. Thiết kế thân đỡ trục chính

Bảng 2.3. Thống số thiết kế thân đỡ

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Vật liệu thân đỡ

Vật liệu Gang xám

Khối lượng riêng 1,20

Giới hạn bền kéo 250,00 mm N/mm2 𝑑𝑒𝑛 𝜎𝑡

25,24 𝐹𝑀 Hệ số mômen xoắn ứng với đường kính mũi khoan

1,380 𝐵

Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với lực ép xuống 0,04 𝐽

1,105 𝐴 Hệ số lưỡi cắt ngang ứng với mômen xoắn

Vật liệu bulông

Thép cacbon thường Vật liệu

Cấp bền 8.8

Tốc độ cắt 130,00

Giới hạn chảy khi kéo 640,00 m/phút N/mm2

Giới hạn bền kéo 800,00 N/mm2 𝑉𝑐 𝜎𝑦𝑡 𝜎𝑡

Vật liệu tấm sau

Vật liệu Nhôm A6061

Khối lượng riêng 0,42 kW 𝑑𝑒𝑛

Trường hợp 1: Khi cắt dọc trục Y (Tải tác động song song với trục bulông)

Bảng 2.4. Lực cắt dọc trục Y

Giá trị Đơn vị Thông số

7,0 Khối lượng cụm-trục-chính

0,8 kg m/s2 Gia tốc động cơ dẫn trục Y

5,6 N Lực quán tính

440,61 N Lực (cắt) tiếp tuyến Ký hiệu 𝑚𝑠𝑎 𝑎𝑦 𝐹𝑖𝑦 𝑃𝑦

446,21 N 𝑊𝑦 Tổng tải tác động lên cụm-trục- chính

4,00 Số lượng bulông

111,55 m/phút Lực kéo trực tiếp trên mỗi bulông

0,019 mm

Khoảng cách từ hàng bulông 𝑖 đến cạnh lật 0,059 mm

0,239 mm Độ lệch tâm của tải 𝑁𝑏 𝐹𝑦′ 𝐿𝑦1 𝐿𝑦2 𝑒𝑦

527,39 N

Lực kéo của bulông 𝑖 do khuynh hướng thân đỡ lật quanh điểm C 1637,69 N

638,94 N Hợp lực kéo tác động lên bu lông

𝑖 1749,24 N

Lực kéo lớn nhất 1749,24 N

Hệ số an toàn 6,00

Ứng suất kéo cho phép 106,67 N/mm2

Đường kính chân ren 4,80

Ứng suất kéo tính toán 96,72 mm N/mm2

Đường kính bulông 6 mm 𝐹𝑦1′′ 𝐹𝑦2′′ 𝐹𝑦1 𝐹𝑦2 𝐹𝑦𝑚𝑎𝑥 𝑓𝑠 [𝜎𝑡] 𝑑𝑐 𝜎𝑐𝑎𝑙 𝑑𝑏𝑜𝑙𝑡

Trường hợp 2: Khi cắt dọc trục X (Tải tác động lên mặt phẳng chứa bulông)

Bảng 2.5. Lực cắt tác dọc trục X

Thông số Giá trị

Gia tốc động cơ dẫn trục X 0,8 Đơn vị m/s2

Lực (cắt) tiếp tuyến 440,61 N Ký hiệu 𝑎𝑥 𝑃𝑥

Tổng tải tác động lên cụm-trục- 446,21 N 𝑊𝑥 chính

Lực cắt (trượt) trực tiếp trên mỗi 111,55 m/phút 𝐹𝑥𝑖′ bulông 𝑖

Độ lệch tâm của tải 0,20 mm 𝑒𝑥

89,24 N.m 𝑀𝑒𝑥 Mômen quay tạo ra bởi tải do độ lệch tâm

0,068 m 𝐿𝑥𝑖 Khoảng cách từ khối tâm cụm- trục-chính đến bulông thứ i

328,10 N 𝐹𝑥𝑖′′

23 𝜃 ° Lực cắt (trượt) thứ cấp trên bulông i Góc hợp giữa 𝐿𝑥𝑖 và phương ngang

Lực kéo lớn nhất 1749,24 N

Hệ số an toàn 6,00

Ứng suất kéo cho phép 106,67 N/mm2

Đường kính chân ren 4,80 mm

𝐹𝑦𝑚𝑎𝑥 𝑓𝑠 [𝜎𝑡] 𝑑𝑐 45

Ứng suất kéo tính toán 96,72 N/mm2

Đường kính bulông 6 mm 𝜎𝑐𝑎𝑙 𝑑𝑏𝑜𝑙𝑡

2.2.3. Lựa chọn Vít-me bi

2.2.3.1. Các trường hợp lực dọc trục.

Bảng 2.6. Các trường hợp lực dọc trục có thể xảy ra.

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Trục Z

Lực dọc trục trong quá trình 731.51 Fa1z tăng tốc về phía trước

Lực dọc trục trong quá trình 651.51 Fa2z chuyển động đều về phía trước

Lực dọc trục trong quá trình 568.57 Fa3z giảm tốc tốc về phía trước

897.06 Fa4z N Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía sau

Lực dọc trục trong quá trình 977.06 Fa5 chuyển động đều về phía sau

Lực dọc trục trong quá trình 1057.06 Fa6z giảm tốc về phía sau

Sức cản bề mặt dẫn hướng 2.94 FfR

Lực ép xuống 331.43 Fp

Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng. 0.003 𝜇

Khối lượng chuyển đổi m 100

Gia tốc trọng trường g 9.8

Gia tốc di chuyển bàn máy a 0.80 Kg m/s2 mm/s2

Trục X

1503.55 Fa1x Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước.

N 1423.55 Fa2x Lực dọc trục trong quá trình chuyển động đều về phía trước

Lực dọc trục trong quá trình 1343.55 Fa3x

giảm tốc tốc về phía trước

Lực dọc trục trong quá trình 1337.67 Fa4x tăng tốc về phía sau

Lực dọc trục trong quá trình 1417.67 Fa5x chuyển động đều về phía sau

Lực dọc trục trong quá trình 1497.67 Fa6x giảm tốc về phía sau

Sức cản bề mặt dẫn hướng 2.94 FfR

Lực cắt tiếp tuyến 440.61 Ft

Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng. 0.003 𝜇

Khối lượng chuyển đổi m 100

Gia tốc trọng trường g 9.8 kg m/s2

Gia tốc di chuyển bàn máy a 0.8 mm/s2

Trục Y

526.49 Fa1y Lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước

Lực dọc trục trong quá trình 446.49 Fa2y chuyển động đều về phía trước

Lực dọc trục trong quá trình 366.49 Fa3y giảm tốc tốc về phía trước

Lực dọc trục trong quá trình 360.61 Fa4y N tăng tốc về phía sau

Lực dọc trục trong quá trình 440.61 Fa5y chuyển động đều về phía sau

520.61 Fa6y Lực dọc trục trong quá trình giảm tốc về phía sau

Sức cản bề mặt dẫn hướng 2.94 FfR

Lực cắt tiếp tuyến 440.61 Ft

Hệ số ma sát của bề mặt dẫn hướng 0.003 𝜇

Khối lượng chuyển đổi m 100

Gia tốc trọng trường g 9.8

Gia tốc di chuyển bàn máy a 0.8 kg m/s2 mm/s2

Lực dọc trục sinh ra lớn nhất là lực dọc trục trong quá trình tăng tốc về phía trước

của trục X: Fa1x = 1504 (N).

2.2.3.2. Thông số vít-me bi đã chọn Bảng 2.7. Thông số của vít-me bi đã chọn.

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Đường kính trục vít-me 0.0095 rb

Bước ren l 0.005 m

Hiệu suất 0.96 ɳ

2.2.3.3. Tính toán bền Bảng 2.8. Toán toán bền

Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị

Ứng suất dọc trục 5305680 σaxial

Ứng suất xoắn 926374 τtorsional

Ứng suất tương đương 891635785 N/mm2

Ứng suất lớn nhất của thép không rỉ σmax

Moment xoắn 2070.106 1.25 Tt

2.2.3.4. Kết luận

Ứng suất tương đương nhỏ hơn ứng suất cho phép: . Vậy trục vít-me

bi đã chọn thỏa yêu cầu làm việc của máy.

2.3. MÔ PHỎNG BỀN KẾT CẤU MÁY (CAE)

2.3.1. Giới thiệu

TMA – 94 XIX là tên của máy CNC 5 trục được đề cập ở phần phía trên của thuyết mình. Nhiệm vụ của đề tài là cải tiến máy nên phần kết cấu của máy nên để cho phần tính toán thêm tin cậy, chương mô phỏng này là phần rất cần thiết.

Máy được làm với kết cấu H và được kế thừa từ một nhóm sinh viên đã thực hiện từ

trước. Và lần này kết cấu máy đã có sự thay đổi lớn. Để thấy được sự hiệu quả của sự thay đổi lần này phần mô phỏng sẽ làm rõ vấn đề trên.

2.3.1.1. Hệ thống đánh giá quá trình mô phỏng.

Hình 2.11. Quy trình mô phỏng.

2.3.2. Tiêu chuẩn kết cấu tĩnh của cụm trục Z-B-C.

2.3.2.1. Vật liệu

Vật liệu quyết định rất nhiều đến sức bền của máy, nên việc chọn vật liệu là vô cùng quan trọng , nhất là đối với việc cải tiến lại máy để làm máy tốt hơn. Dưới đây la bảng vật liệu được dùng trong máy TMA – 94XIX.

Bảng 2.9. Bảng thông số vật liệu.

Độ bền kéo Tỉ trọng Vật liệu (MPa) (g/cm3)

Thép CT3 250 7.85

Nhôm 290 2.71

Gang xám 240 7.2

2.3.2.2. Phương pháp chia lưới

Để việc chia lưới không trở nên quá khó khăn thì đơn giản hóa mô hình là việc cần

làm.

Mô hình máy khi đơn giản được sử dụng phương pháp Multiple Method, đây là phương pháp đưa ra kết quả đáng tin cậy. Trong trường hợp này chúng ta sẽ sử dụng định dạng chia lưới Hexa/Prism và loại lưới tự do (free mesh type) là Tetra/Pyramid. Lý do chọn những định dạng này là vì các bộ phận liên kết với nhau thông qua định dạng connection, nên với lựa chọn này sẽ xử lý được những liên kết một cách khả thi, cũng như làm nhỏ nhân tố chia lưới tại những điểm liên kết.

2.3.2.3. Mô hình phần tử hữu hạn

Constraints:

Bước tiếp theo chính là định dạng những connection.

 Đế máy sẽ được fixed xuống mặt đất.  Thanh trượt và các con trượt phương X sẽ được cố định.  Thanh trượt và các con trượt phương Z sẽ được cố định .  Các bề mặt còn lại sẽ được định dạng bounded.  Đối với cụm spindle ta cũng phân tích tương tự.

Loading conditions

 Gia trốc trọng trường: 9.8 m/s2 được đặt lên khối tâm của Z

Lực cắt đã được tính toán. Lực cắt lớn nhất theo phương X và Y là 492N; Lực cắt

lớn nhất theo phương Z là 819N.

2.3.2.4. Mô phỏng kết cấu khi gia công.

Mô phỏng cụm Spindle

Cụm spindle sẽ được mô phỏng trước để xem độ cứng vững của kết cấu. Sau đó mới đến những cụm thành phần phía trên, vì khi mô phỏng cụm X-Z , spindle sẽ chuyển động

tương đối với cả cụm khi bị lực tác dụng. Mục đích của việc mô phỏng cụm spindle trước là để xem chuyển vị có quá tầm kiểm soát khi mà phần phía trên được cho là tuyệt đối cứng vững.

Hình 2.12. Kết quả thu được qua Ansys.

Giá trị lực kẹp bu lông (Bolt Pretension) là 498N chia đều cho 4 bu lông ở tấm The bracket bolts

Bảng 2.10. Ảnh hưởng của lực cắt lên cụm spindle.

Ứng suất (N)

Chuyển vị (mm)

TH

0.004

Px

0.001

Py

0.002

Pz

Chuyển vị rất nhỏ và đạt yêu cầu gia công và bước tiếp theo là mô phỏng cụm trục X- Z.

 Phiên bản 1

Mô phỏng cụm X-Z

Hình 2.13. CAD model của phiên bản 1

Bảng 2.11. Thông số của phiên bản 1 khi chịu tác dụng của lực cắt

Tần số bắt đầu dao động Chuyển vị Ứng suất Hệ số an toàn tự nhiên (Hz) (mm) (MPa)

0.259 20 15.6 Px #1 : 15.606 Py 1.086 10.4 #2 : 37.397 24

#3 : 98.911

Pz 0.014 62.5 4

(Px) (Pz) (Py)

Hình 2.14. Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 1

(Px) (Py) (Pz)

Hình 2.15. Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của

phiên bản 1

 Phiên bản 2

Hình 2.16. CAD model của phiên bản 2

Bảng 2.12. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt

Tần số bắt đầu dao Hệ số Chuyển vị (mm) Ứng suất (MPa) động tự nhiên (Hz) an toàn

1.142 7.8 32 Px

Rất thấp, khoảng Py 0.522 9.6 26 2.32e-008 Hz

Pz 0.078 41.7 6

(Px) (Py) (Pz)

Hình 2.17. Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 2

(Px) (Py) (Pz)

Hình 2.18. Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 2

 Phiên bản 3

Hình 2.19. CAD model của phiên bản 3

Bảng 2.13. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt

Tần số bắt đầu dao Hệ số an Chuyển vị (mm) Ứng suất (MPa) động tự nhiên (Hz) toàn

0.124 11 22.7 Px #1 : 37.766 Py 0.32 14.7 #2 : 60.157 17

#3 : 67.136

Pz 0.017 50 5

(Px) (Py) (Pz)

Hình 2.20. Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 3

(Px) (Py) (Pz)

Hình 2.21. Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của

phiên bản 3

 Phiên bản 4

Hình 2.22. CAD model của phiên bản 4

Bảng 2.14. Thông số của phiên bản 2 khi chịu tác dụng của lực cắt

Tần số bắt đầu dao Chuyển vị Hệ số an Ứng suất (MPa) động tự nhiên (Hz) (mm) toàn

0.072 41.7 6 Px #1 : 53.781 Py 0.175 20.8 #2 : 89.578 12

#3 : 124.97

Pz 0.01 83.3 3

(Px) (Py) (Pz)

Hình 2.23. Hình mô tả chuyển vị khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 4

(Px) (Py) (Pz)

Hình 2.24. Hình mô tả ứng suất tập trung của kết cấu khi chịu tác dụng của các lực của phiên bản 4

2.3.2.5. Kết quả phân tích tĩnh

Bảng 2.15. Bảng tổng kết thông số của các phiên bản

Hệ số an

TH Chuyển vị (mm) toàn Equivalent Stress (MPa) Phiên bản

15.6 Px 0.259 20

10.4 Py 1.086 24 #1

62.5 Pz 0.014 4

7.8 Px 1.142 32

9.6 Py 0.522 26 #2

41.7 Pz 0.078 6

22.7 Px 0.124 11

14.7 Py 0.32 17 #3

50 Pz 0.017 5

41.7 Px 0.072 6

20.8 Py 0.175 12 #4

83.3 Pz 0.01 3

1.2

)

m m

0.8

0.6

0.4

( ị v n ể y u h C

0.2

Version #1

Version #2

Version #3

Version #4

Đồ thị 2.1. Biểu đồ mô tả chuyển vị của các phiên bản

Thông qua thông số được thể hiện ở đồ thị 6.1 , phiên bản 4 là phiên bản thể hiện rõ nhất

được sự đổi mới để khiến cho cấu trúc trở nên tố hơn. Các chuyển vị đều nhỏ hơn 0.2 mm.

Để có được kết quả này là nhờ 2 ý tưởng được thêm vào dưới đây.

Hình 2.25. Cấu trúc của phiên bản 4.

Sự kết hợp của hai phát kiến này đã làm chuyển vị của máy giảm đi đang kể khi chịu

tác động của lực cắt, giảm tới 72% chuyển vị khi bị lực tác dụng theo phương X, giảm 84% theo phương Y và 26% theo phương Z

) a P M

( t ấ u s g n Ứ

Version #1

Version #2

Version #3

Version #4

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Version #1

Version #2

Version #3

Version #4

Đồ thị 2.2. Biểu đồ mô tả ứng suất của các phiên bản

Biểu đồ 2.3. Hệ số an toàn của các phiên bản.

2.3.2.6. Kết quả phân tích rung động của kết cấu.

Dưới đây là các hình minh họa cho các trường hợp dao động với tần số dao động tự

nhiên của phiên bản 4.

Hình 2.26. Kết quả phân tích dao động trên phần mềm Ansys.

Bảng 2.16. Tần số dao động tự nhiên và các vị trí xảy ra dao động theo phần mềm Ansys

TH Tần số dao Chuyển vị Vị trí Compliance ( m/N )

động

( mm ) Px, Py Pz ( Hz )

#1 53.781 6.217 1.263E-5 7.591E-6 Spindle head

#2 89.578 6.4 1.300E-5 7.175E-6 Spindle head

#3 124.97 12.68 2.577E-5 1.548E-5 Z – axis sub assembly

#4 172.51 21.456 4.361E-5 2.620E-6 Z – axis sub assembly

#5 198.14 7.301 1.484E-5 8.915E-6 Frame

#6 206.69 8.432 1.714E-5 1.030E-5 Frame

#7 242.66 7.509 1.526E-5 9.168E-6 Frame

5.00E-05

4.50E-05

4.00E-05

#8 262.74 8.809 1.790E-5 1.076E-5 Frame

)

3.50E-05

3.00E-05

2.50E-05

N / m  ( e c n a

i l

2.00E-05

1.50E-05

p m o C

1.00E-05

5.00E-06

0.00E+00

53.781

89.578

124.97

172.51

198.14

206.69

242.66

262.74

Tần số (Hz)

Px, Py

Đồ thị 2.4. Biên độ dao động ứng với các tần số

Biểu đồ 2.4. Đã thể hiện biên độ dao động lớn nhất là 4.361E-5 m/N theo 2 hướng x và

y, ở tần số 172.51Hz.

Xu hướng dao độn của trục Z có phần ổn định hơn 2 trục X và Y.

Để cụ thể hóa hơn số liệu này, ta có thêm số liệu và số vòng trên phút.

Số vòng trên phút: ; f là tần số dao động riêng (Hz) and z là số răng của dao,

z được cho là 4.

Bảng 2.17. Mối quan hệ giữa chuyển vị, tần số dao động riêng và số vòng trên phút.

Mode Natural Frequency (Hz) Revolutions per minute Deformation ( mm )

#1 53.781 806.72 6.217

#2 89.578 1343.67 6.4

#3 124.97 1874.55 12.68

#4 172.51 2587.65 21.456

#5 198.14 2972.1 7.301

#6 206.69 3100.35 8.432

7.509 3639.9 #7 242.66

21.456

)

m m

12.68

8.809

8.432

7.509

6.4

6.217

7.301

( ị v n ể y u h C

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

V/ph

8.809 3941.1 #8 262.74

Đồ thị 6.5. Đồ thị thể hiện ảnh hướng của tần số với số vòng trên phút

CHƯƠNG III: CHẾ TẠO MÁY VÀ LẮP RÁP

3.1. KHỞI TẠO QUI TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT MÁY

Ngay từ đầu, trước khi gia công một chi tiết cơ khí, một quá trình gia công phải

được tạo ra để đạt được các tiêu chuẩn đã thiết lập của bản vẽ chi tiết.

Do là phiên bản cũ chưa hoàn thiện nên máy TMA - 94XIX có nhiều bộ phận cần

gia công theo như thiết kế hiện tại.

Trong chương này, quy trình gia công của giá đỡ mặt bích cho động cơ bước 57 sẽ

được trình bày để làm rõ mọi thứ về phương pháp của nhóm.

Kế hoạch làm việc cho phần này được chỉ ra trong Hình 3.2

Hình 3.1. Quá trình gia công chi tiết mặt bích động cơ bước 57.

Hình 3.2. Kế hoặc gia công cho chi tiết bích động cơ bước 57.

3.2. TIẾN HÀNH GIA CÔNG

Trong hình 3.3, đây là các dạng hoàn chỉnh của các bộ phận này. Có nhiều bộ phận

cần phải làm, nhưng tất cả đều được làm ở cùng một nơi, nhờ máy ở xưởng CAD / CAM / CNC ở Trường Đại học Sư phạm Công nghệ TP.HCM.

Hình 3.3. Một số sản phẩm hoàn thiện sau gia công.

Phương pháp kế hoạch làm việc, được chỉ ra trong chương 7, được áp dụng cho tất cả các bộ phận.

3.3. KIỂM TRA CHẤT LƯỢNG

Kiểm tra các thông số sau khi gia công là một giai đoạn thực sự quan trọng để đảm bảo rằng lỗi trong tầm kiểm soát. Theo hình vẽ (Hình 3.4), dung sai yêu cầu đã được xác

định trong mỗi thông số. Dựa trên những con số đó, cần có một báo cáo kiểm tra để đánh

giá xem bộ phận đó có được hoàn thiện và đủ yêu cầu hay không.

Hình 3.4. Bích động cơ bước 57.

Hình 3.5. Phiếu đánh giá chất lượng bích động cơ bước 57.

CHƯƠNG IV: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN – ĐIỀU KHIỂN

4.1. THIẾT BỊ ĐIỆN

4.1.1. Mạch Mach3 LPT

Hiện nay trên thị trường, có rất nhiều loại mạch điều khiển. Tuy nhiên, xét trên nhiều khía

cạnh như dễ vận hành, dễ tìm nguồn, dễ điều khiển, giá thành,… BOB Mach3 LPT là một

trong những mạch phù hợp, được ưu tiên áp dụng cho dự án này.

Hình 4.1. Mạch Mach3 LPT

Thiết kế của mạch Mach3 :

 Nguồn : 12 – 24 VDC

 Chế độ hỗ trợ : 5 Axis ( X, Y, Z, B, C)

 Hỗ trợ 01 Pulse-Width Modulation (PWD) Port cho điều khiển nhiều trục.

 01 Output Relay Port 220V – 10A chuyển qua NO/NC

 05 Input Ports có thể kết nối với các thiết bị ngoại vi như công tắc giới hạn, cảm biến,

xi-lanh…

Ứng dụng chính của mạch Mach 3 là thu nhận và phân tích tín hiệu để giúp con người tương tác với chương trình điều khiển và máy CNC.

4.1.2. Stepper Driver LeadShine DMA860H

 Điện áp : 24 – 80 VDC  Chức năng: Điều khiển động cơ bước bằng cách thay đổi tốc độ và hướng quay  Tác dụng:

 Giúp động cơ hoạt động ổn định,  Cung cấp đủ điện áp cho động cơ khi ở trạng thái công suất cực đại.

Hệ thống bảo vệ

Hình 4.2.. Driver Leadshine DMA860H

Nhược điểm: vi bước nhỏ, kích thước lớn

Thiết kế của Driver Leadshine DMA860H :

 Chân điều khiển  Công tắc điều khiển chuyển động của động cơ và cường độ dòng điện  Đèn báo động khi xảy ra sự cố

4.1.3. Động cơ bước

Chức năng: Tạo chuyển động cho trục được gắn từ nhiều tín hiệu mô tả, được điều

khiển bằng xung

Tác dụng: Giá trị Moment cao khi quay ở tốc độ thấp

Nhược điểm: Độ chính xác giảm khi quay ở tốc độ cao.

Hình 4.3. Stepper Motor 8

4.1.4. Biến tần.

Biến tần Sunfar E300 là thiết bị thay đổi tần số của dòng điện trong cuộn dây bên

trong động cơ của trục chính. Từ đó điều khiển tốc độ động cơ một cách vô cấp, không cần

hộp số cơ khí. Biến tần sử dụng các mạch bán dẫn để đóng mở tuần tự các cuộn dây của

động cơ trục chính như mong muốn.

Hình 4.4. Biến tần Sunfar E300

4.1.5. Củ đục vi tính.

Trục chính tạo ra chuyển động quay cho dụng cụ cắt, được sử dụng để gia công vật

liệu. Trục chính có thể được làm mát bằng nước chuyên dụng.

Hình 4.5. Củ đục vi tính

4.2. PHẦN MỀM CHƯƠNG TRÌNH MACH3MILL

4.2.1. Giới thiệu.

Hình 4.6. Phần mềm Mach3Mill

4.2.2. Nguồn gốc và chức năng.

Phần mềm Mach3 CNC là một phần mềm điều khiển CNC của ArtSoft USA, Mach 3

ban đầu được thiết kế dành cho các nhà thiết kế máy CNC, rất may là nó đã được cải tiến

rất nhiều nên đã trở thành một phần mềm điều khiển đa dạng và linh hoạt cho máy CNC Đặc điểm của phần mềm Mach3 CNC:

 Biến PC cá nhân thành bộ điều khiển CNC 6 trục đầy đủ tính năng.

 Nhập trực tiếp các tệp dxf, bmp, jpg và hpgl qua phần mềm Lazycam

 Gcode trực quan

 Khởi tạo Gcode via LazyCam hay Wizards.

 Tùy biến giao diện theo sở thích của người dùng

 Tùy chỉnh mã M và Macro bằng cách sử dụng VBscript.

 Kiểm soát nhiều vai trò đóng

 Khả năng tạo xung điều khiển tốc độ động cơ bằng tay

Mach3 Milling là một mô-đun của gói phần mềm điều khiển máy CNC Mach3. Mach3 CNC thời kỳ đầu được coi là phần mềm mã nguồn mở, vì lý do đó Mach3 CNC đang phát

triển nhanh chóng với giao diện chức năng, nhiều tính năng, chuẩn CAD / CAM. Mỗi ngày

trôi qua, Mach3 CNC đang trở thành phần mềm thương mại hiện đại hơn, rẻ hơn và được

sử dụng nhiều nhất.

Yêu cầu cấu hình máy tính:

 Máy tính hoạt động trên hệ điều hành 32-bit Windows 2000, Windows XP, Windows

Vista.

 Tần số CPU tối thiểu 1Ghz

 Độ phân giải màn hình 1024x768

4.2.3. Những vấn đề khi sử dụng Mach3.

I/O bị hạn chế, vì vậy nếu một hệ thống lớn đang sử dụng có thể cần nhiều tín hiệu

I/O, thì kỹ thuật ModBus là giải pháp.

Việc sử dụng tín hiệu Step / Dir chỉ phù hợp với các hệ thống sử dụng Step Motor,

còn các hệ thống sử dụng Servo thì phải thông qua thẻ chuyển đổi Step / Dir sang tín hiệu

Analog 0-10V hoặc -10V, + 10V để tương thích với trình điều khiển. servo. Mach3 điều

khiển ở dạng mở khi ứng dụng trong các hệ thống cần độ chính xác cao thì phải thiết kế

theo dạng vòng kín. trên.

Ưu điểm của Mach3 là chức năng đa dạng, giao diện đẹp và dễ sử dụng. Mô phỏng

quy trình làm việc rõ ràng. Khai báo các thông số VB… Tùy theo góc độ người dùng

nhưng qua đánh giá cho thấy Mach3 là phần mềm phù hợp nhất nên quyết định chọn

Mach3 là phần mềm điều chỉnh.

4.3. HỆ THỐNG ĐIỆN

Cài đặt thông số kĩ thuật trên Mach3

Hình 4.7. Giao diện Mach3Mill

Thiết lập đơn vị:

Từ màn hình giao diện của Mach3, vào Config / Select Native Units. Chọn mm.

Hình 4.8. Lựa chọn đơn vị

Thiết lập các thông số cho phần cứng:

- Chọn cổng LPT và Tốc độ hạt nhân:

Hình 4.9. Lựa chọn cổng LPT

Đặt chân điều khiển động cơ:

Vào Config / Port and Pins sau đó màn hình sẽ xuất hiện một cửa sổ mới,

Chọn Đầu ra Động cơ và đặt các chân điều khiển.

Cài đặt tín hiệu đầu vào: Phần Tín hiệu đầu vào đặt tín hiệu đầu vào (nút Estop, các

công tắc hành trình ...) Phần Tín hiệu đầu ra dùng để đặt các tín hiệu đầu ra như:

Tín hiệu điều khiển Bật / Tắt chính, máy bơm nước lạnh ...

Hình 4.10. Cài đặt tín hiệu ra cho động cơ.

Hình 4.11. Cài đặt giới hạn hành trình.

Hình 4.12. Cài đặt tính hiệu ra cho cổng LPT

Khai báo thông số động cơ

Khai báo các thông số cho động cơ X, Y, Z, B, C

Để khai báo các thông số cho động cơ, vào Config / Motor Tuning.

Hình 4.13. Cài đặt xung cho động cơ trục X.

Khai báo các thông số động cơ trục X:

Các bước trên một tấm: Dựa vào động cơ, bước 1.8 độ / xung => 1 vòng = 360 độ =

200 xung. Toàn bước = 200 xung / chu kỳ nên 1/5 bước = 1000 xung / chu kỳ.

Truyền động trục vít đang sử dụng bước 5 => động cơ quay 1 lần, bàn tịnh tiến

5mm. Suy ra 1mm = 200.

Bảng vận tốc: Đặt tốc độ gia tốc của máy phụ thuộc vào độ cứng của chi tiết cơ khí.

Sau đó nhấp vào LƯU CÀI ĐẶT TRỤC

* Khai báo động cơ của trục khác với các bước trên

Cài đặt thông số Mach3 Mill để điều khiển tốc độ thông qua biến tần Sunfar E300:

Trên phần mềm Mach3, chuyển đến Config / Ports and Pins, chuyển đến tab Motor

Outputs. Khai báo như hình. Sau đó nhấp vào Áp dụng. Tiếp theo vào tab Spindle setup

để tiến hành khai báo điều khiển và chạy đầu ra trục chính, khai báo như hình. Nhấp vào

Áp dụng và OK để lưu. Tiếp theo chúng ta vào Menu Config / Spindle pulleys để khai

báo tốc độ trục chính để có thể chạy. Ta nhập 24000 vòng / phút ở đây tốc độ động cơ cao

nhất là 24000 vòng / phút.

Hình 4.14. Khai báo các cổng

Hình 4.15. Cài đặt củ đục vi tính.

Hình 4.16. Cài đặt thông số cho Spindle.

Hình 4.17. Mạch điều khiển điện áp cao

Hình 4.18. Mạch điều khiển điện áp thấp

Mạch Mach3 trên có nhiều cổng ra trong đó có cổng xung PWM là một trong những

cổng ra để cung cấp xung cho các thiết bị khác hoạt động như: Biến tần dùng để điều khiển tốc độ trục chính thông qua điện áp cổng. Điều này cũng có thể kiểm soát sức mạnh

của điểm đánh dấu laser được sử dụng trong máy khắc laser bằng cách cung cấp xung

điện áp để kiểm soát cường độ và tín hiệu cho khắc laser, tăng khả năng chế tạo đa năng

của máy. hơn. Đồng thời, để tăng tính đa chế tạo cho máy của chúng tôi, các đầu phun nhựa có thể được tích hợp để in 3D .... Tất cả các tính năng này đều có chung một mạch

Mach3 rất đa dạng và dễ thay đổi.

Hình 4.19. Tủ điện 1

Hình 4.20. Tủ điện 2

4.4. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ POST-PROCESSOR

4.4.1. Định nghĩa.

Bộ xử lý bài viết là một phần của “quá trình xuất code”, là quá trình chuyển đổi dữ

liệu đường dẫn công cụ Mastercam thành mã máy cho CNC, cụ thể:

Hình 4.21. Qui trình xuất code.

Đối với hầu hết người dùng, “Xuất code” thường được coi là tệp .PST. Tệp PST là

một tập lệnh cấu hình có thể được sửa đổi để định dạng đầu ra của mã NC.

4.4.2. Qui trình hoạt động của Post-processor

- Người dùng chọn định nghĩa máy. Định nghĩa Máy liên kết tệp Định nghĩa Điều khiển và Bộ xử lý ‘’xuất code’’ (PST) với nhau.

- Người dùng tạo một số thao tác trên đường chạy dao.

- Sau khi lập trình xong trong Mastercam, người dùng nhấn nút “G1” để bắt đầu quá xuất code

- Sau khi quá trình xuất code đã tạo tệp mã NC, tệp được mở trong trình soạn thảo văn bản để người dùng có thể kiểm tra mã NC.

4.4.3. Định nghĩa khoảng cách Pivot.

Trước tiên, hãy đảm bảo rằng đầu máy nằm ở hướng thẳng đứng hoàn hảo bằng cách

chạm vào bàn máy có chỉ báo quay số, sau đó xoay chỉ báo. Chỉ báo phải đọc số 0 xung

quanh toàn bộ vòng tròn như thể hiện trong Hình 4.22

Hình 4.22. Chỉ ra vị trí thẳng đứng

Thứ hai, đặt chốt có đường kính 1.000 vào giá đỡ công cụ chính với Chiều dài Gage

Length (GL) đã biết.

Thứ ba, chạm vào pít tông chỉ báo quay số như trong Hình 8.22. Một tệp đính kèm phẳng giúp ích ở đây. Đặt chỉ báo thành 0 và ghi lại giá trị Z trên màn hình của bộ điều

khiển. Hãy gọi giá trị này là Z cực đại

Hình 4.23. Rà đồng hồ so

Không di chuyển máy trên trục X. Chỉ di chuyển trên trục Y và Z. Di chuyển đến

một điểm an toàn trên trục Z và xoay trục A qua 90 độ theo hướng nằm ngang. Tiếp theo,

di chuyển trên trục Y theo hướng cộng và trên trục Z theo hướng trừ cho đến khi đầu trục

chính đến vị trí như trong Hình 4.23

Hình 4.24. Z minimum position

* Lưu ý: Ghi lại giá trị Z này trên màn hình của bộ điều khiển người dùng và chúng ta hãy

gọi đây là Z

Z maximum

Z minimum

GL – Gage Length

R – Dowel pin radius = .5000

Công thức để tính khoảng Pivot Distance:

PD = Zmax – Zmin – GL + R

Khoảng cách này (PD). sẽ được qui trình xuất code sử dụng. Hầu hết các hệ thống CAM

sẽ điều khiển Pivot Point và chúng sẽ phải tính toán vị trí đầu dao cho mọi vị trí được lập

trình. Vị trí mũi dao là Khoảng cách xoay cộng với Chiều dài Gage từ Điểm xoay vào mọi

lúc và phải được phân chia tam giác dựa trên các góc quay / xoay. Ngay cả những sai lệch

nhỏ trong Khoảng cách Pivot cũng sẽ được phóng đại thành lỗi vị trí dao lớn trong chương trình cuối cùng.

4.4.4. Định nghĩa máy trong Mastercam

Các tính năng Định nghĩa máy trong Mastercam được tạo ra với khả năng tùy chỉnh các tính năng này, định nghĩa này là khuôn khổ để tùy chỉnh và điều khiển các máy phức tạp.

Hầu hết các chức năng tồn tại dưới dạng khuôn khổ để người thiết kế hoặc Post-processor tận dụng. Các tùy chọn MD có cũng có chức năng, nhưng rất ít tùy chọn được "nối" theo mặc định.

Trong hầu hết các trường hợp, một tệp MD, liên kết đến một tệp CD, liên kết một trình xuất code với cài đặt của nó và cho phép người dùng dễ dàng tùy chỉnh đầu ra NC.

Định nghĩa Máy là bước đầu tiên trong lập trình phần người dùng. Lập trình viên có thể sử dụng điều này để lắp ráp các thành phần máy. Bước tiếp theo là thiết lập các thuộc tính của máy và thành phần, sau đó chọn định nghĩa điều khiển và chọn bộ xử lý bài. Khi định nghĩa máy đã được tạo và chọn, người dùng có thể bắt đầu vận hành đường chạy dao cho máy

Kiểm soát định nghĩa và bộ xử lí xuất code:

Định nghĩa máy được tích hợp chặt chẽ với định nghĩa điều khiển và bộ xử lý xuất code

Định nghĩa điều khiển cho quá trình xuất code về khả năng và yêu cầu của điều khiển. Nó khởi tạo nhiều cài đặt NC và các biến Post.

Định nghĩa điều khiển cho Mastercam biết Post-Processor nào đã được cấu hình cho máy này (Hầu hết máy và Điều khiển).

CHƯƠNG V: SẢN PHẨM GIA CÔNG CỦA MÁY

5.1. SẢN PHẨM GIA CÔNG 2D TRÊN 3 TRỤC X, Y VÀ Z.

Hình 5.1. Phay một biên dạng hình chữ nhật.

- Kích thước danh nghĩa: 86x51x10 (Đơn vị: mm)

- Kích thước thật: 86.02x50.9x10.02 (Đơn vị: mm)

- Độ chính xác khi gia công của các trục X,Y và Z:

• ∆X = |86 – 86.02| = 0.02 (mm)

Độ chính xác của trục X là 0.02 trên mỗi 86 mm.

• ∆Y = |51 − 50.95| = 0.05 (mm)

Độ chính xác của trục Y là 0.05 trên mỗi 51 mm.

• ∆Z = |10 − 10.02| = 0.02 (mm)

Độ chính xác của trục Z là 0.02 trên mỗi 10 mm.

5.2. SẢN PHẨM GIA CÔNG 3D TRÊN 3 TRỤC X, Y VÀ Z.

Hình 5.2. Phích cắm điện có biên dạng surface.

5.3. SẢN PHẨM GỖ GIA CÔNG 3 + 2 TRÊN 5 TRỤC

Hình 5.3. Gia công 3+2 trên một chi tiết gỗ.

5.4. SẢN PHẨM GIA CÔNG 5 TRỤC ĐỒNG THỜI.

Hình 5.4. Cánh quạt impeller

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

6.1. KẾT LUẬN.

 Thời gian 1 năm thực hiện đề tài Máy phay CNC 5 trục này là khoảng thời gian đòi hỏi nhóm tác giả phải học tập, nghiên cứu, trang bị những kiến thức cần thiết để giải

quyết các vấn đề kỹ thuật. Bên cạnh đó là quá trình tìm kiếm công nghệ phù hợp với

dự án và phương pháp gia công tối ưu để giảm thiểu công sức và chi phí.

 Qua quá trình thực hiện dự án không tránh khỏi những khó khăn, vướng mắc. Sự hạn chế về kinh phí, thời gian cũng như thiếu trang thiết bị, máy móc cũng là một

vấn đề lớn. Tuy nhiên, nhóm tác giả đã nỗ lực cho ra đời chiếc máy phay CNC 5

trục được thực hiện bằng chính ý tưởng, tính toán, thiết kế, mô phỏng, chế tạo, lắp

ráp và vận hành của các kỹ sư. Đó là những kỹ sư tương lai đến từ Đại học Sư phạm

Công nghệ.

 Thông qua việc tìm hiểu nhu cầu thương mại của ngành CNC gỗ 5 trục, và đánh giá từ các chuyên gia, chúng tôi hiểu sản phẩm của mình tốt như thế nào. Và hơn thế

nữa, qua việc so sánh các sản phẩm máy CNC 5 trục của chúng tôi với các thương

hiệu đã có trên thị trường, chúng tôi hiểu được những gì mình đã làm được và những

hạn chế mà chúng tôi sẽ cần cải thiện hơn nữa. Tuy nhiên, nhìn chung đề tài về máy

phay CNC 5 trục này vẫn đang đi đúng hướng và sứ mệnh của nó là tạo ra những

sản phẩm trung tâm gia công mang thương hiệu ‘’ Made in Vietnam ’’. Bước đầu tiên đã thành công.

6.2. KIẾN NGHỊ.

Mặc dù nghiên cứu đã trả lại kết quả tốt như mong đợi. Tuy nhiên, cần so sánh máy

phay CNC 5 trục này với các hãng và công nghệ hiện đại ngày nay. Qua đó, nhóm chúng

tôi có một số gợi ý cho tương lai đối với dự án máy phay CNC 5 trục này:

 Đầu tiên, qua toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành sản phẩm, nhóm chúng tôi nhận thấy rằng khung máy có độ chính xác và đủ cứng là điều kiện tiên quyết để quyết định chất lượng gia công của máy. Tuy nhiên, do hạn chế về kinh phí, thời gian và thiết bị nên việc có được một bộ khung hoàn chỉnh vào lúc này là điều gần như không thể. Vì vậy, bản vẽ thiết kế là điều đầu tiên nhóm tác giả cần xây dựng trong thời gian tới. Chương tiếp theo là một phần của quá trình đó.

 Thứ hai là khả năng thay dao tự động của máy. Mặc dù nhu cầu ngày càng cao của thị trường và xu hướng tự động hóa hoàn toàn, việc thay dao tự động là công nghệ cần thiết của máy móc để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

 Thứ ba là ứng dụng IoT vào quản lý và vận hành máy móc. Như đã nói ở trên, tự động hóa đang là xu hướng chung trên thế giới. Do đó, việc tìm ra giải pháp quản lý thay vì con người là điều sống còn trong tương lai. Công nghệ này cho phép một kỹ

sư quản lý 1 máy, 10 máy hoặc toàn bộ nhà máy nhanh hơn, chính xác hơn và tốn ít

công sức hơn và hầu như mọi lúc, mọi nơi. Đây hứa hẹn sẽ là thử thách lớn nhất của

máy trong thời gian tới trước khi mang lại giá trị cho cộng đồng.

CHƯƠNG VII: HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI

7.1. Cấu trúc

Mặc dù phiên bản 4 đã cải tiến rất tốt, nhưng để có một phiên bản tốt hơn nữa, một phiên bản để phát triển là vô cùng cần thiết. Điều này thể hiện tính cập nhật và kiến thức cũng như tính hội nhập trong thời đại công nghệ hiện nay. .

Hình 7.1. CAD model của phiên bản mới

7.2. Mô phỏng 7.2.1. Các tiêu chí để mô phỏng tĩnh.

 Vật liệu đã được đề cập ở bảng 6.2.1 của chương 6.  Phương pháp chia lưới được đề cập ở phần 6.2.2 của chương 6.  Lực tác dụng sẽ được sử dụng lại, mục đích là để thấy được sự cải tiến.

7.2.2. Phản ứng về động học.

Trong cùng một điều kiện nếu phiên bản này thể hiện tốt hơn phiên bản 4 thì phiên bản cải tiến này sẽ thành công.

Hình 7.2. Mô hình chia lưới trên phần mềm Ansys

7.2.3. Mô phỏng tĩnh.

Hình 7.3. Mô hình phiên bản mới

Chuyển vị (mm)

Ứng suất (MPa)

Hệ số an toàn

0.017

35.7

31.3

0.044

0.012

Bảng 7.1. Thông số của phiên bản mới khi chịu tác dụng của lực cắt

(Px) (Py) (Pz)

Hình 7.4. Chuyển vị

(Px) (Py) (Pz)

 So sánh

Hình 7.5. Ứng suất tập trung

Bảng 7.2. Thông số của phiên bản 4 và phiên bản tương lai

TH Phiên bản Chuyển vị (mm) Ứng suất (MPa) Hệ số an toàn

Px 0.072 6 41.7

TMA- 94XIX Py 0.175 12 20.8

Pz 0.01 3 83.3

Px 0.017 7 35.7

Phiên bản tương lai Py 0.044 8 31.3

Pz 0.012 5 50

Phiên bản mới hoàn toàn vượt trội hơn phiên bản hiện tại của máy

Hình 7.6.. Tần số dao động riêng của phiên bản tương lai

100

Bảng 7.3. Tần số dao động riêng và biên độ dao động

Compliance( m/N ) Chuyển vị ( mm ) TH Px, Py Pz

#1 #2 Tần số dao động riêng ( Hz ) 82.63 119.54 3.77 3.8 7.66E-06 7.72E-06 4.6E-06 4.64E-06

#3 175.88 9.16 1.86E-05 1.12E-05

#4 193.57 5.82 1.18E-05 7.11E-06

#5 284.47 5.32 1.08E-05 6.5E-06

#6 291.02 32.22 6.55E-05 3.93E-05

#7 242.66 22.7 4.61E-05 2.77E-05

#8 262.74 23.1 4.7E-05 2.82E-05

#9 341.82 9.24 1.88E-05 1.13E-05

#10 360.33 5.09 1.03E-05 6.21E-06

0.00007

#11 375.98 7.95 1.62E-05 9.71E-06

)

0.00006

/

0.00005

0.00004

N m  ( e c n a

0.00003

i l

0.00002

p m o C

0.00001

82.63 119.54 175.88 193.57 284.47 291.02 242.66 262.74 341.82 360.33 375.98 Tân số dao động riêng (Hz)

Px, Py

Biểu đồ 7.1. Biên độ dao động của tần số dao động riêng khi bị tác dụng của lực cắt

101

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Dae-Hyuk Chung, Ian Stroud, Seong-Kyoon Kang, Suk-Hwan Suh, Theory and

Design of CNC Systems.

[2]. ECG-Savebase, User Manual of 5-Axis Breakout Board. [3]. E. Oberg, F. D. Jones, H. L. Horton, H. H. Ryffel, C. J. McCauley, Machinery's

Handbook (30th Edition).

[4]. Europa Lerhmittel, Nhất Nghệ Tinh Chuyên ngành Cơ khí. [5]. HarmornicDrive, Speed Reducer for Precision Motion Control. [6].

Isamu Nishida, Ryuta Sato, Keiichi Shirase (2016). “Process planning system of 5-axis machining center considering constraint condition”. 2016 International Symposium on Flexible Automation (ISFA). INSPEC Accession Number 16544284.

[7]. Li Susan X. and Jerard Robert B. (1994). “5-axis machining of sculptured surfaces with a flat-end cutter”. Computer-Aided Design. Volume 26, Issue 3, March 1994, Pages 165-178.

[8]. Lösung für die CNC (Fräsen). [9]. Mach3, Using Mach3Mill. [10]. Nguyen Duc Loc et al. Sổ tay công nghệ chế tạo máy tập 2 [11]. Park Chul-Woo, Hyun-Jin Choi và Jung-Hee Lim (2018). “Structure design of 5- axis cutting system for machining of automobile’s light-weight material”. Proceedings of the International Conference of Manufacturing Technology Engineers (ICMTE) 2018. 2018.10, 37-37 (1 page).

[12]. Sashank Thapa, Structural Design of 3-Axis CNC Machine Tool for Wood

Carving.

[13]. Sanvik coromant, Training Handbook - Metal Cutting Technology. [14]. Sanvik coromant, Rotating tools. [15]. Thomas Glaser, Technische Zeichnungen (Grundlagen). [16]. Y. L. Mane, B. B. Deshmukh, A Review on Retrofit Design and Static Analysis

of 3-Axis Gantry System.

102