Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế mô phỏng hệ thống mâm dao trung tâm gia công CNC (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu, thiết kế mô phỏng hệ thống mâm dao trung tâm gia công CNC (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG S K C 0 0 3 9 5 9 MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC MÃ SỐ: T2014-88 S KC 0 0 5 4 7 1 Tp. Hồ Chí Minh, 2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC. Mã số: T2014-88 Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS. Hồ Ngọc Bốn. TP. HCM, – 11/2014
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC. Mã số: T2014-88 Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS. Hồ Ngọc Bốn. TP. HCM, – 11/2014
4. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG MÂM DAO TRUNG TÂM GIA CÔNG CNC. Mã số: T2014-88 Chủ nhiệm đề tài: GVC- ThS. Hồ Ngọc Bốn. Tp. Hồ Chí Minh – 11/2014
5. MỤC LỤC TỔNG QUAN – MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1 NỘI DUNG 3-39 I. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 5-16 1.1 Thông số kỹ thuật 5 1.2 Nguyên lý hoạt động 5 1.3 Vị trí chức năng 10 II. TÍNH TOÁN KIỂM TRA BỀN 17-36 2.1 Tính mômen quay của mâm dao 17 2.2 Kiểm tra bền bộ truyền động 18 2.3 Tính then 29 2.4 Tính toán ổ lăn 31 2.5 Tính toán lò xo 32 2.6 Kiểm nghiệm bền trục (Vị trí 79) 33 2.7 Thiết kế cam 35 III. MÔ PHỎNG 37 IV. KẾT LUẬN 40 Tài liệu tham khảo 41 Phụ lục 1 42 Phụ lục 2 45
6. TỔNG QUAN Máy gia công đầu tiên kiểu “trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số” xuất hiện vào năm 1958 và từ đó đến nay đã phát triển rộng rãi. Trung tâm gia công cắt gọt có khả năng thực hiện các nguyên công khác nhau cho một sản phẩm. Ví dụ trung tâm gia công cắt gọt kỹ thuật số MC FHC80 và MC FVH80 có thể thực hiện các nguyên công phay, khoan, doa và cắt ren trên các bề mặt đơn giản hoặc phức tạp theo [6]. Đƣợc dùng trong sản xuất các chi tiết bán tự động với chế độ sản xuất hàng loạt nhỏ hoặc đơn chiếc. Nếu đánh giá trung tâm cắt gọt theo quan điểm công nghệ, có thể khẳng định rằng phần lớn các thiết bị này có thể gia công sản phẩm từ nhiều phía với một lần định vị và kẹp chặt, ví dụ các loại dao cắt khác nhau. Điều này cho phép đạt đƣợc độ chính xác kích thƣớc và bề mặt hình học cao hơn, giảm thời gian tổn thất giữa các nguyên công. Trung tâm cắt gọt có thể làm việc trong nhiều chu kỳ khác nhau. Hiện nay hầu hết các trung tâm này đều đƣợc trang bị hệ thống điều khiển cho phép làm việc với các chu kỳ hoàn chỉnh, đồng thời giải quyết việc chuyển động tƣơng đối của dụng cụ cắt và chi tiết theo 3, 4, 5 trục. Tại Việt nam, trang thiết bị và công nghệ gia công tiên tiến xuất hiện ngày càng nhiều, đáp ứng yêu cầu phát triển công nghiệp và hội nhập Quốc tế, trong đó các máy công cụ CNC chiếm vai trò quan trọng. Một số cơ sở công nghiệp, chẳng hạn nhà máy Cơ khí tự động Tiến Tuấn, nhà máy Cơ khí Trung Hậu khu công nghiệp Tân tạo , đang sử dụng các loại máy CNC, hiệu MAZAC nhập từ Nhật Bản, trong đó có cả máy phay CNC đƣợc trang bị mâm dao và tay gắp thay dao tự động. Sự tự động hoá trên máy bao gồm tự động tách phôi, tự động đổi dao, tự động định vị với hệ thống điều khiển riêng. Bộ thay dao tự động đƣợc lắp đặt cùng với bộ chứa dao ( còn gọi là mâm chứa dao) và hệ thống điều khiển, chủ yếu bằng cơ cấu thủy lực, các chuyển động đổi dao thƣờng gồm hai chu kỳ: - Tìm dao theo mã số và chuyển dao đến vị trí thay đổi. - Đổi dao, phải bắt đầu từ việc lắp dao ở hộp dao, đƣa dao đến đầu định vị dao và kẹp chặt dao. 1
7. Hệ thống này cần đƣợc chỉnh sửa và cải tiến nhằm tăng tính linh hoạt, giảm thời gian thay dao. Để đạt đƣợc điều đó cần nghiên cứu thêm về động học, động lực học và mô phỏng sự hoạt động của tay gắp thay dao trên máy tính. Sự phát triển của công nghệ máy tính và các phần mềm ứng dụng trong kỹ thuật đã mở ra nhiều biện pháp giải quyết các bài toán kỹ thuật hoàn chỉnh và đạt hiệu quả cao. đề tài “ Nghiên cứu, thiết kế và mô phỏng mâm chứa dao trong trung tâm gia công CNC” dựa theo ý tƣởng này. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Để thiết kế chế tạo một thiết bị nào đó, việc đầu tiên là phải thực nghiệm nguyên lý, sau đó chế tạo và chạy thử. Các công việc đó có thể mô phỏng trƣớc trên máy tính, tìm ra những chỗ chƣa đạt yêu cầu, sữa chữa ngay trên mô hình. Thông qua việc xây dựng các mô hình mô phỏng có thể cảm nhận trực quan. Trên một đoạn phim mô phỏng có thể xem nhiều lần để phân tích kỹ các quá trình đó, nhằm bỏ bớt công nghệ không cần thiết, bổ sung khiếm khuyết trƣớc khi gia công, rút ngắn thời gian thực hiện. Mâm chứa dao là bộ phận cần thiết để đổi dao tự động trong trung tâm cắt gọt CNC, đã có nhiều dạng ở các máy gia công cắt gọt trên thế giới. Tuy nhiên đề tài chỉ nghiên cứu mâm chứa dao của máy phay CNC hiện có ở Việt nam. Xây dựng mô hình dựa trên thực tế đồng thời thu thập thông tin từ các tài liệu liên quan đến việc nghiên cứu tay gắp trong và ngoài nƣớc. - Nghiên cứu nguyên lý hoạt động bộ chứa dao CNC. - Nghiên cứu đông học và đông lực học một số cơ cấu chính. - Thiết kế và mô phỏng sự hoạt động của bộ chứa dao máy phay CNC trên máy tính. . 2
8. NỘI DUNG Mô hình khái quát của một máy CNC : Máy gồm hai phần chính : a. Phần điều khiển : gồm chƣơng trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển. - Chƣơng trình điều khiển : Là tập hợp các tín hiệu (gọi là lệnh) để điều khiển máy, đƣợc mã hóa dƣới dạng chữ cái, số và một số ký hiệu khác nhƣ dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng Chƣơng trình này đƣợc ghi lên cơ cấu mang chƣơng trình dƣới dạng mã số (cụ thể là mã thập – nhị phân nhƣ băng đục lỗ, mã nhị phân nhƣ bộ nhớ máy tính). - Các cơ cấu điều khiển : Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chƣơng trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có đƣợc tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu đƣợc gửi về từ các cảm biến liên hệ ngƣợc. Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuyếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu. Đây là thiết bị điện – điện tử rất phức tạp, đóng vai trò cốt yếu trong hệ thống điều khiển của máy CNC. b. Phần chấp hành : Gồm máy cắt kim loại và một số cơ cấu phục vụ vấn đề tự động hoá nhƣ các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn, tƣới trơn, hút thổi phoi, cấp phôi 3
9. Cũng nhƣ các loại máy cắt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để tạo hình chi tiết. Tuỳ theo khả năng công nghệ của loại máy mà có các bộ phận: Hộp tốc độ, hộp chạy dao, thân máy, sống trƣợt, bàn máy, trục chính, ổ chứa dao, các tay máy Kết cấu từng bộ phận chính chủ yếu nhƣ máy vạn năng thông thƣờng, nhƣng có vài khác biệt nhỏ để đảm bảo quá trình điều khiển tự động đƣợc ổn định, chính xác, năng suất và đặc biệt là mở rộng khả năng công nghệ của máy. Hộp tốc độ : Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thƣờng là truyền động vô cấp, trong đó sử dụng các ly hợp điện từ để thay đổi tốc độ đƣợc dễ dàng. Hộp chạy dao : Có nguồn dẫn động riêng, thƣờng là các động cơ bƣớc. Trong xích truyền động sử dụng các phƣơng pháp khử khe hở của các bộ truyền nhƣ vitme – đai ốc bi Thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý để dễ thải phoi, tƣới trơn, dễ thay dao tự động. Nhiều máy có ổ chứa dao, tay máy thay dao tự động, có thiết bị tự động hiệu chỉnh khi dao bị mòn Trong các máy CNC có thể sử dụng các dạng điều khiển thích nghi khác nhau đảm bảo một hoặc nhiều thông số tối ƣu nhƣ các thành phần lực cắt, nhiệt độ cắt, độ bóng bề mặt, chế độ cắt tối ƣu, độ ồn, độ rung Các trung tâm gia công CNC với ổ thay dao tự động hiện có trên thị trƣờng Việt Nam Hình 1: Máy Phay CNC với ổ thay dao tự động dạng xích. 4
10. Hình 2: Máy phay CNC với ổ thay dao tự dộng dạng mâm I. NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 1.1 THÔNG SỐ KỸ THUẬT: Số lƣợng ổ dao chứa trên mâm dao: 21, côn dao SA 50, áp suất p = 6Mpa. Đƣờng kính ổ dao: 100mm, đƣờng kính mâm dao: 827mm. Tốc độ chu trình 10s. 1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: 1.2.1. Nguyên lý hoạt động của mâm chứa dao : a. Sơ đồ động: 1: Động cơ thủy lực. 2: Bộ truyền bánh răng trụ cấp nhanh. 3: Bộ truyền bánh rang trụ cấp chậm. 4: Cam hở. 5: Đĩa lệch tâm. 6: Công tắc hành trình. Hình 3: Sơ đồ bộ truyền động mâm dao 5
11. Hình 4: Hình phối cảnh bộ truyền động mâm dao. b. MÔ TẢ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG: Trong quá trình gia công, khi có tín hiệu thay dao và mã số của con dao cần thay, bộ phận điều khiển của máy sẽ nhận biết đƣợc dao cần thay thế đang nằm ở vị trí nào trong mâm dao. Khi đó máy sẽ tự lựa hành trình giữa con dao hiện tại và dao cần thay để điều khiển động cơ thủy lực quay cùng chiều hoặc ngƣợc chiều kim đồng hồ tìm đến vị trí dao cần thay thế là ngắn nhất. Vị trí của con dao đƣợc mã hóa bằng mã Gray, hệ thống nhận biết mã Gray bằng đĩa đột lỗ (có lỗ thể hiện số 0, không lỗ thể hiện số 1) đƣợc lắp cứng trên mâm dao. Tƣơng ứng với vị trí mã hóa dao và có cùng chuyển động quay với mâm dao. Mã Gray sử dụng 5 bit và nhận biết bằng 5 secsor gắn trên đĩa cố định với trục của mâm dao (Hình 5). Bộ phận điều khiển sẽ tác động lên van điều khiển 4/3 R1 ở vị trí Y1 hoặc Y2 (sự lựa chọn này do bộ phận điều khiển của máy chọn). Khi đó động cơ thủy lực(1) sẽ đƣợc cung cấp dầu làm cho động cơ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngƣợc chiều kim đồng hồ. Động cơ thủy lực truyền qua bộ giảm tốc hai cấp(2,3) truyền chuyển động cho trục tải quay làm cam(4) quay. Trên đầu trục tải có gắn bộ phận đĩa lệch tâm(5), bộ phận này có nhiệm vụ tác động vào công tắc hành trình (6) khi cam quay để báo số vòng quay đã thực hiện về bộ phận điều khiển. Khi đã thực hiện đủ số vòng quay cần thiết để đƣa dao vào vị trí chuẩn bị thay dao thì hệ thống sẽ tác động vào van điều khiển 4/3 R1 trở về vị trí ban đầu, động cơ thủy lực ngừng quay. Khi đó, bộ phận điều khiển sẽ tác động vào vị trí Y1 van điều khiển 4/3 R2 để tác động piston chuyển động đi ra. 6
12. Chuyển động quay gián đoạn của mâm dao đƣợc thực hiện thông qua cơ cấu cam hở và con lăn. Các con lăn đƣợc gắn chặt trên mâm dao, vị trí mỗi con lăn tƣơng ứng với một vị trí dao. Có nghĩa là khi cam quay một vòng thì con lăn sẽ lăn không trƣợt trên rãnh cam kéo mâm dao quay đi một góc 0.3 rad (Góc giữa hai vị trí dao liền kề nhau) đến vị trí dao mới. Khi con lăn này gần ra khỏi cam thì con lăn kế tiếp sẽ vào rãnh cam. Khi trung tâm máy ngắt nguồn dầu chảy vào động cơ thì bánh cam sẽ đứng yên, khi đó hai con lăn sẽ khóa mâm dao không cho mâm dao chuyển động do các điều kiện bên ngoài (nếu có) để ngàm kẹp dao có thể thực hiện việc lấy dao ra khỏi mâm dao chính xác. 7
13. 1.2.2. Nguyên lý hoạt động của bộ phận kẹp dao : a. Sơ đồ đơn giản. 1: Xylanh pison. 2: Cơ cấu thanh răng, bánh răng. 3: Má kẹp. 4: Công tắc hành trình. 5: Công tắc hành trình. 6: Hệ thống lò xo kẹp. 7: Trục then. b. Nguyên lý hoạt động. Cơ cấu kẹp dao của hệ thống thay dao tự động thực hiện chuyển động sau: Kẹp ổ dao. Chuyển động thằng 50mm. Chuyển động quay 90 °. Hai má kẹp thực hiện việc kẹp dao nhờ lực nén của lò xo đƣợc lắp nhƣ trong bản vẽ lắp. Với cách lắp lò xo nhƣ vậy thì dƣới tác dụng của lực nén lò xo hai má kẹp có xu hƣớng luôn kẹp chặt vào nhau. Để hai má của ngàm kẹp, kẹp đƣợc ổ dao thì hai má chi tiết này phải chuyển động định tâm đồng thời khi nhả và khi kẹp ổ dao. Nhƣ vậy, khi có một tác động làm cho ngàm kẹp phía trên chuyển động thì ngàm kẹp dƣới cũng chuyển động thông qua hai chốt đẩy gắn với hai thanh răng của cơ cấu bánh răng, thanh răng. Vì vậy, muốn hai má kẹp này nhả ổ dao khi ổ dao đƣợc lắp vào mâm dao phải thông qua lực kéo của piston kéo ngàm kẹp phía trên lên. Khi bộ phận điều khiển tác động van điều khiển 4/3 R2 ở vị trí số 1 tác động piston bắt đầu thực hiện chuyển động đi ra lực kéo ngàm trên bị mất, nhờ đó dƣới tác 8
14. động của lực nén lò xo làm cho hai má của ngàm kẹp chặt ổ dao. Khi hai má kẹp thực hiện xong việc kẹp chặt ổ dao thì piston vẫn tiếp tục chuyển động ra đẩy ngàm đã kẹp ổ dao trƣợt trên trục then hoa, đồng thời lúc này con lăn trên rãnh của giá trƣợt đi đến cuối rãnh này thì bộ phận này ngừng chuyển động thẳng (giá trƣợt này có một đoạn thẳng dài 55mm và nối với một rãnh là cung tròn có góc chắn cung là 900). Khi thực hiện xong quá trình chuyển động thẳng, piston tiếp tục chuyển động đi ra, đẩy cả bộ phận kẹp - bao gồm ngàm kẹp, giá gắn trục then hoa và trục then hoa, giá gắn con lăn và con lăn - quay. Tâm quay của bộ phận này là trục số 47. Để thực hiện quá trình quay này là do con lăn, lăn trên rãnh trƣợt, khi trƣợt hết rãnh này thì ngàm kẹp này đã quay đƣợc một góc 900. Lúc này giá gắn trục then hoa sẽ tác động vào công tắc hành trình 5 (Hình 7) tác động làm cho tay gắp thực hiện việc thay dao. Tay gắp đổi hai con dao trên trục gia công và trên ngàm kẹp, sau đó nó sẽ tác động vào vị trí số 2 của van điều khiển 4/3 R2 tác động làm cho piston chuyển động đi về theo chu trình ngƣợc với chu trình lúc đi ra. Khi ngàm kẹp vừa lắp ổ dao vào mâm dao thì lúc này con lăn vừa thực hiện đoạn thẳng 50mm, đồng thời hai chốt đẩy cũng vừa tiếp xúc với hai đầu của thanh răng. Piston tiếp tục kéo ngàm kẹp phía trên lên và con lăn tiếp tục lăn 5mm của rãnh còn lại, hệ thống thanh răng, bánh răng làm cho ngàm dƣới dịch chuyển theo chiều ngƣợc lại. Đồng thời lúc này má trên cũng tác động lên công tắc hành trình số 4 (Hình 7) báo về trung tâm điều khiển tiếp tục quá trình gia công. 9
15. 1.3. VỊ TRÍ CHỨC NĂNG 1) Vị trí ban đầu. 2) Hai má kẹp chặt ổ dao. 10
16. 3) Ngàm kẹp trượt đoạn thẳng 50mm. 4) Ngàm kẹp quay 900. 11
17. 5) Tay gắp vào vị trí gắp dao. 6) Tay gắp gắp dao. 12
18. 7) Tay gắp quay 1800. 8) Tay gắp thay dao vào trục chính và ổ dao. 13
19. 9) Tay gắp quay 900. 10) Ngàm quay về 900. 14
20. 11) Chuyển động thẳng lên 50mm (lắp ổ dao vào mâm). 12) Hai má kẹp nhả ổ dao ra. 15
21.  Sơ đồ hành trình bước thủy lực. ` Motor S1 Piston Tay gaép Tay gaép S2 s1 s2 R1 R2 Y1 Y2 Y1 Y2 Hình 8: Sơ đồ thủy lực đơn giản 16
22. S K L 0 0 2 1 5 4