Đồ án thay dao tự động

TRƯỜNGĐẠIHỌCBÁCHKHOAHÀNỘI
VIỆNCƠKHÍ

BỘ MƠN GIA CƠNG VẬT LIỆU VÀ DỤNG CỤ CƠNG NGHIỆP

HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG DÙNG CHO MÁY CNC

Họ và tên
:
Lớp
:
MSSV
:
Mã học phần
:
Giáo viên hướng dẫn :

Nguyễn Đắc Minh
ME-NUT17
20187474
ME4099Q
Nguyễn Thị Phương Giang

Hà Nội 6/2021

1


Tóm tắt
I.Nhiệm vụ thiết kế
Tính tốn, thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy phay CNC 3 trục

II.Số liệu cho trước
1.Hệ thống thay dao cho máy phay đứng
2.Hệ thống tháo và kẹp dao: dùng xi lanh chuyển đổi khí nén – thủy lực
3.Loại thay dao (TP): KTM (Khơng tay máy)
4.Nguồn lực di chuyển cụm chứa dao chạy đến trục chính (PO1): khí nén
5.Nguồn lực quay cụm chứa dao(PO2): Động cơ điện
6.Số lượng ổ chứa dao : N = 16
7.Loại côn gắn chuôi dao : BT30
8.Khối lượng một con dao: M=5 Kg
9.Đường kính lớn nhất của một con dao : Dmax = 120 mm
10.Thời gian thay dao gần nhất : T1 = 3s
11.Thời gian thay dao xa nhất : T 2 = 7s
III. Nội dung
1. Thiết kế động học và ngun lý hoạt động của hệ thống
2. Tính tốn động học và nguyên lý hoạt động của hệ thống
3. Tính tốn động lực học: cơ cấu Man, chọn xy lanh khí nén, tính chọn động cơ
điện, thiết kế hộp giảm tốc, tính chọn vịng bi cho tấm đỡ.
4. Các bản vẽ: Bản vẽ lắp toàn hệ thống, bản vẽ nguyên lý hoạt động của hệ thốngdẫn
động bằng khí nén.
HàNội,ngày…..tháng…..năm2021
Giáoviênhướngdẫn
NguyễnThịPhươngGiang

2


MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU............................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU............................................................................................7

1. Sơ đồ động của hệ thống thiết kế............................................................................7
2. Nguyên lý hoạt động..............................................................................................7
3. Bản vẽ lắp của ổ tích dao dạng đĩa yêu cầu thiết kế................................................8
CHƯƠNG 2. KẾT CẤU CỦA MÁY PHAY CNC 3 TRỤC VMC65...........................9
2.1. Kết cấu chung của máy phay CNC 3 trục............................................................9
2.2. Hệ thống thay dao tự động của máy VMC65......................................................9
CHƯƠNG 3. CÁC HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG DÙNG CHO MÁY CÔNG
CỤ CNC ..................................................................................................................... 11
3.1. Giới thiệu chung về các loại hệ thống thay dao tự động....................................11
3.1.1. Chức năng và nhiệm vụ...............................................................................11
a. Nhiệm vụ của hệ thống thay dao.......................................................................11
b. Ưu nhược điểm của thay dao tự động so với thao tác bằng tay.........................11
c. Các yêu cầu đối với hệ thống thay dao tự động.................................................11
3.1.2. Cơ cấu tích dụng cụ của hệ thống thay dao tự động....................................12
3.1.2.1. Chức năng................................................................................................12
3.1.2.2. Phân loại cơ cấu tích dụng cụ...................................................................13
3.1.2.3. Đặc điểm của các cơ cấu tích dụng cụ......................................................13
a. Đầu Rêvonve.....................................................................................................13
b. Các loại đầu Revonve:......................................................................................14
c. Các loại ổ tích dao.............................................................................................15
3.1.2.4. Cơ Cấu Thay Dao Tự Động.....................................................................16
3.2. Hệ Thống Dụng Cụ Trên Máy công cụ CNC....................................................22
3.2.1. Các bộ phận khác........................................................................................23
3


3.2.2. Phần tử dụng cụ...........................................................................................24
3.3. Chức năng của hệ thống quản lý dụng cụ..........................................................25
3.3.1. Danh mục dụng cụ......................................................................................25
3.3.2. Nhận dạng dụng cụ......................................................................................26

3.3.3. Điều chỉnh dụng cụ trước khi gia công........................................................28
3.3.4. Quản trị dụng cụ trong hệ CNC...................................................................29
CHƯƠNG 4. TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG CHO
MÁY PHAY CNC – VMC65......................................................................................31
4.1. Quy trình thay dao tự động................................................................................31
4.2. Tính tốn kết cấu cơ chí của hệ thống thay dao tự động....................................32
4.2.1. Tính tốn, thiết kế đài gá dao của hệ thống.................................................32
a. Các thơng số đầu vào để tính tốn kết cấu cơ khí của hệ thống thay dao tự động
.............................................................................................................................. 32
b. Tính kích thước tang của đài chứa dao..............................................................34
c. Tính tốn cơ cấu Maltese...................................................................................39
d. Tính tốn chọn ổ đài dao...................................................................................44
1) Tính tốn sơ bộ ổ {3}........................................................................................44
2) Kiểm nghiệm lại ổ.............................................................................................47
3) Lựa chọn ổ bi đỡ - 1 dãy...................................................................................47
e. Tính tốn trục đỡ tang.......................................................................................48
1) Tính chọn bu lơng lắp ghép trên trục đỡ tang...................................................48
2) Tính tốn đường kính trục đỡ tang....................................................................49
3) Chọn kiểu lắp ghép của ổ [4]............................................................................50
4.2.2. Tính tốn động học cho đài dao..................................................................51
a. Động học dẫn động quay đài dao [3].................................................................51
1) Sơ đồ................................................................................................................. 51
2) Lựa chọn động cơ dẫn động quay đài dao.........................................................53
4


3) Chọn hộp giảm tốc............................................................................................54
4) Tính tốn ly hợp ma sát.....................................................................................55
5) Mối ghép then trên trục nối động cơ với đĩa O1 của cơ cấu Maltese................56
b. Động học dẫn động di chuyển đài dao..............................................................57

1) Tính tốn và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao [8]...........57
2) Nguyên lý hoạt động của hệ thống....................................................................58
3) Tính tốn hệ dẫn động khí nén..........................................................................59
4) Tính tốn trục dẫn hướng đài dao.....................................................................62
KẾT LUẬN.................................................................................................................64
PHỤ LỤC VÀ KÍ HIỆU..............................................................................................65

5


LỜI NĨI ĐẦU
Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ trong thời gian gần
đây, tự động hóa sản xuất có một vai trị quan trọng. Nhận thức được điều này, trong
chiến lực cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế đất nước, cơng nghệ tự động
được ưu tiên đầu tư và phát triển.
Ở các nước có nền cơng nghiệp phát triển việc tự động hố các ngành kinh tế, kỹ thuật
trong đó có cơ khí chế tạo đã thực hiện từ nhiều thập kỷ trước đây. Một trong những
vấn đề quyết định của tự động hố ngành cơ khí chế tạo là kỹ thuật điều khiển số và
công nghệ trên các máy điều khiển số. Các máy công cụ điều khiển số (NC và CNC)
được dùng phổ biến ở các nước phát triển.
Trong những năm gần đây NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và được sử dụng
rộng rãi tại các viện nghiên cứu và các công ty liên doanh... Máy công cụ điều khiển số
hiện đại (các máy CNC) là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động, đặc trưng cho
ngành cơ khí tự động.
Vậy để làm chủ được công nghệ cần làm chủ được các thiết bị quan trọng và điển
hình.
Trong các máy CNC thì việc sử dụng hệ thống thay dao tự động có tác dụng làm giảm
thời gian thay dao nâng cao hiệu quả kinh tế của nhà máy là một yếu tố quan trọng góp
phần vào q trình tự động hố sản xuất do đó việc đi sâu tìm hiểu hệ thống thay dao
tự động cho phép ta có thể chế tạo hệ thống thay dao tự động riêng cho máy phù hợp

với quá trình sản suất của nhà máy, góp phần làm tăng hiệu quả của việc sử dụng máy
CNC, tăng năng xuất của nhà máy là một nhu cầu cần thiết.
Quyển sách này trình bày về q trình tính tốn, thiết kế hệ thống thay dao tự động
dung cho trung tâm gia cơng đứng. Đây là một bài tốn điển hình giúp sinh viên tích
lũy được những kiến thức cơ bản về máy điều khiển số, sử dụng các kiến thức tổng
hợp từ các mơn học để vào giải một bài tốn kỹ thuật cơ bản.
Quyển sách này được viết dành cho sinh viên nghành Cơ Điện tử làm đồ án môn học
và trang bị những kiến thước cơ bản về hệ thống thay dao tự động cho sinh viên ngành
cơ khí nói chung.
Để cuốn sách ngày càng được hồn thiện hơn, chúng tơi rất mong nhận được sự đóng
góp của độc giả.

Hà Nội, ngày... tháng... năm 2021

6


CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU
1. Sơ đồ động của hệ thống thiết kế

Hình 1:Sơđồđộngcủahệthốngthiếtkế
2. Nguyên lý hoạt động
Hệ thống thay dao tự động được gá trên cột đứng của máy CNC nhờ giá đỡ (8). Xi
lanh khí nén (7) chịu trách nhiệm đưa hệ thống thay dao di chuyên trên các thanh đỡ
(6) đến cùng thay/nạp dao vào cụm trục chính. Các côn dao được gá lắp trên đĩa mante
(5) nhờ các tay kẹp. Để chọn được các côn dao cho trước, động cơ (1) sẽ quay làm cần
man (4) quay và gạt vào các đĩa của man (5) khiến cho cả đĩa dao xoay đưa các cơn
dao vào ví trí sẵn sàng.

7

3. Bản vẽ lắp của ổ tích dao dạng đĩa u cầu thiết kế

Trong đó:
1. giá đỡ
2. xilanh khí nén
3. động cơ dẫn động dài dao
4. chuôi dao
5. chi tiết kẹp dao
6. cơ cấu Man
7. tang của dài chứa dao
Xilanh làm hai nhiệm vụ dịch đài dao qua trái hoặc phải.

8


CHƯƠNG 2. KẾT CẤU CỦA MÁY PHAY CNC 3 TRỤC VMC65
2.1. Kết cấu chung của máy phay CNC 3 trục
Để có được những kiến thức cơ bản về kết cấu máy CNC, Máy phay CNC - VMC65
là loại máy phay cao tốc 3 trục điều khiển số được lấy làm thí dụ điển hình để nghiên
cứu. Đây là một trong những máy CNC đầu tiên được sản xuất trong nước tại cơng ty
BKMECH vào năm 2007. Các bộ phận chính của máy được mơ tả trong.

Kích thước bàn: 770x400 mm
Kích thước rãnh chữ T: 3x18Tx120
Khối lượng phôi lớn nhất: M=300 kg
Vận tốc lớn nhất khi chạy không: V1=20 m/ph
Vận tốc lớn nhất khi gia công : V2= 15 m/ph
2.2.Hệ thống thay dao tự động của máy VMC65

Số dao Z=16( dao), khối lượng trung bình dao 5÷7 (kg), đường kính lớn nhất
của dao D = 120 mm, loại chuôi dao là BT30. Cấu tạo của hệ thống thay dao tự động
được trình bày như:

9


Hình 2-2. Mơ Hình 3D bánh răng nghiêng
1-giá đỡ
2-xilanh khí nén

3-động cơ dẫn động đài dao

4-chuôi dao

5- chi tiết kẹp dao

6-cơ cấu man
7-tang của đài chứa dao
Xilanh 2 làm nhiệm vụ dịch đài dao sang trái hoặc phải.
Động cơ 3 dẫn động đài dao quay tròn để thực hiện thay dao.

10


CHƯƠNG 3. CÁC HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG DÙNG CHO MÁY
CÔNG CỤ CNC .
3.1. Giới thiệu chung về các loại hệ thống thay dao tự động
3.1.1. Chức năng và nhiệm vụ
a. Nhiệm vụ của hệ thống thay dao

Là cất trữ được một số lượng dao cần thiết và đưa nhanh mỗi dao vào vị trí làm
việc khi có u cầu. Các máy CNC hiện đại thường được trang bị hệ thống thay dao tự
động theo chương trình Automatic Tool Changer – ATC.
b. Ưu nhược điểm của thay dao tự động so với thao tác bằng tay
- Ưu điểm :
+ Rút ngắn được thời gian đổi dụng cụ.
+ Tránh được lỗi khi thao tác.
+ Tránh được một số rủi ro tai nạn.
+ Có khả năng tự động hóa ở cấp độ cao.
- Nhược điểm :
+ Vốn đầu tư lớn
+ Tăng chi phí cho lắp đặt ban đầu.
c. Các yêu cầu đối với hệ thống thay dao tự động
+ Ổ chứa phải có dung lượng đủ lớn.
+ Dụng cụ phải được giữ trong ổ với độ tin cậy cao.
+ Dụng cụ phải được giữ chặt trong tay máy khi thay thế tự động.
+ Chuôi dao và đài gá dao phải được định vị chính xác vào vị trí gia cơng.
+ Khoảng cách giữa ổ tích dụng cụ tới vị trí cơng tác là ngắn nhất.
+ Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động phải bố trí sao cho khơng chạm vào phôi khi
thay thế dụng cụ.
+ Hệ thống cấp phát dụng cụ tự động phải có độ tin cậy làm việc cao.
+ Tránh làm bẩn các bề mặt lắp ráp của chuôi vào đài gá dụng cụ.
+ Sử dụng bảo dưỡng tiện lợi, đáp ứng yêu cầu an toàn.
11


+ Quản lý và thay đổi chính xác dao theo chương trình .
+ Thay nhanh để giảm thời gian chờ.

Hình 3-1. Sơ đồ thay thế dụng cụ, cấp phát tự động

3.1.2. Cơ cấu tích dụng cụ của hệ thống thay dao tự động
3.1.2.1. Chức năng
Dùng để chứa nhiều dao phục vụ cho q trình gia cơng. Nhờ có ổ tích dụng cụ
mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên tiếp với
nhiều loại dao khác nhau trong cùng 1 lần gá đặt. Do đó q trình gia cơng nhanh hơn
và mang tính tự động hóa cao.

12


3.1.2.2. Phân loại cơ cấu tích dụng cụ

Hình 3-2. Kết cấu đầu Revonve
a. kiểu đế dao 4 vị trí

b. kiểu sao

3.1.2.3. Đặc điểm của các cơ cấu tích dụng cụ
a. Đầu Rêvonve
Đầu Revonve thường được dùng trên máy tiện, các trung tâm gia công CNC và
đôi khi dung cho máy Phay.
+ Các dao thường được lắp trên mặt đầu hoặc mặt ngoài của đĩa quay.
13


+ Tạo điều kiện thay đổi dao nhanh trực tiếp ( sau một nguyên công, đầu Rêvonve tự
động xoay dần thêm 1 vị trí cho tới khi tìm được dụng cụ u cầu, các vị trí khơng lắp
dụng cụ sẽ được nhảy qua).
+ Có động cơ truyền động riêng và được điều khiển theo chương trình đã lập trình sẵn
+ Kết cấu dầu Rêvonve chứa được ít dao, khoảng từ 6-18 dao để tránh va đập giữa

dụng cụ và phôi, thời gian thay dụng cụ trung bình khoảng 1-4 giây.
+ Máy lớn có thể chứa 2 – 3 đài dao
b. Các loại đầu Revonve:

14


a- Hình dáng tổng thể // b- Phay rãnh cong // c- Khoan lỗ nghiêng // d,e- Cắt ren và
khoan lỗ trên mặt bích // f- Phay rãnh // m- Phay rãnh trên mặt cầu // n- Phay lục giác

c. Các loại ổ tích daoi ổ tích dao tích dao
Ổ tích dao thường được dùng trên máy phay CNC và các
trung tâm gia công phay/khoan.
Cần kết hợp với cơ cấu thay dao tự động khi có yêu cầu
thay dao.
Kết cấu Ổ tích chứa được nhiều dao, có loại lên tới 100 dao
hoặc nhiều hơn.
Các loại ổ tích dao:
+Ổ tích dao dạng dài :
Nhiều dụng cụ được cắm hoặc treo thành một hoặc nhiều
hàng bên cạnh nhau.
Kết cấu chứa được nhiều dao, số lượng dao tùy thuộc vào
số hàng mà ta phân bố.
+Ổ tích dao dạng đĩa trịn:
Nhiều dụng cụ được cắm phân bố trên chu vi của đĩa.
Trục của ổ tích dao dạng đĩa trịn có thể thẳng đứng hoặc
nằm ngang tùy theo kết cấu của máy.
Đây là kết cấu thông dụng rất hay được dùng, sức chứa từ
12 đến 40 dụng cụ.
+Ổ tích dao vịng:

Nhiều dụng cụ được cắm trên nhiều vịng tích dao bố trí
đồng tâm nhau.
Các vịng tích dao có khả năng quay độc lập với nhau.
Sức chứa từ 24 đến 100 dao.
+Ổ tích dao dạng băng xích:
Nhiều dụng cụ được cắm trên chiều dài của băng xích,
15


Băng xích kết cấu đơn hoặc kép, có thể nới rộng tùy theo
yêu cầu sử dụng.
Sức chứa của ổ tích có thể lên tới 140 dao.
-Ổ tích dao nhiều tầng:
Nhiều dụng cụ được cắm trên các hàng xếp thành tầng với nhau.
Các tầng này có khả năng quay độc lập nhau.
Sức chứa trung bình khoảng từ 40 đến 100 dao
-Ổ tích dao dạng cơn :
Các dao được bố trí trên bề mặt của hình cơn.
Kết cấu này cho phép thay dao một cách dễ dàng.
-Ổ tích dao dạng sao :
Các dao được bố trí trên bề mặt trụ của cơ cấu.
Kết cấu này ít được dùng vì khi số lượng dao lớn kéo theo kích thước đường kính lớn,
chiếm khơng gian máy.

16


Hình 3-6. Phân loại ổ tích dao
3.1.2.4. Cơ Cấu Thay Dao Tự Động
Cơ cấu thay dao tự động có chức năng thay đổi dụng cụ kể cả tiếp nhận/gá đặt dụng cụ

giữa vị trí làm việc và ổ tích dụng cụ. Trong đó kết cấu phổ biến dạng tay tóm.

Hình 3-7. Phân loại cơ cấu thay dao tự động
Cùng với ổ tích dao, cơ cấu thay dao tự động giúp cho việc thay dao được thực hiện
chính xác và nhanh gọn, nâng cao tính tự động hóa.
Trong q trình gia công khi cần chuyển sang nguyên công cắt gọt khác cần phải thay
dao thì ta khơng cần dừng máy để thay dao bằng tay mà hệ thống sẽ tự động thay dao
theo chương trình đã lập trình sẵn. Một số cơ cấu thay dao tự động thường dùng trong
các máy CNC :

17


Chu trình thay đổi dụng cụ :
+ Tìm kiếm dụng cụ tiếp theo đã
được lập trình và chuẩn bị vị trí
tương ứng trong ổ tích dao để
lấy dụng cụ ra
+ Ổ tích dao và trục chính máy
chuyển dịch về vị trí HOME
thay đổi dụng cụ.
+ Tay tóm tóm dụng cụ ở trục
chính và ổ tích dao, hãm trong
tay tóm và nhả các thiết bị đỡ và
giữ dao
+ Lấy dụng cụ ra, tay tóm cầm
dụng cụ và lắp dụng cụ mới vào
lỗ con của trục chính máy cũng
như đưa dụng cụ đã dùng vào lỗ
tương ứng ở Ổ tích.

+ Đưa tay máy về vị trí an tồn
Hình 3-8. Cơ cấu thay dao tự động dạng tay máy
+ Đây là kết cấu tay tóm với
Ổ tích dao dạng xích hoặc
nhiều tầng.
+ Vị trí của trục chính máy và
ổ tích dao gần nhau.
+ Đường dịch chuyển của tay
tóm tương đối đơn giản.
+ Tiết kiệm thời gian thay đổi
dụng cụ.

Hình 3-9. Cơ cấu thay dao với ổ tích dao dạng xích
Chu trình thay đổi dụng cụ:
18


+ Trục chính di chuyển về vị trí HOME.
+ Ổ tích xác định vị trí dao và di chuyển đến vị trí cần thay thế.
+ Tay tóm di chuyển vào kẹp dụng cụ ở ổ tích và đầu trục chính.
+ Tay tóm di chuyển ra và quay 180 đổi chỗ 2 dụng cụ.
+ Tay tóm di chuyển vào để lắp dụng cụ vào đầu trục chính và nhả kẹp.
+ Tay tóm di chuyển ra kết thúc q trình thay thế dụng cụ.

Hình 3-10. Kết cấu thay dao với ổ tích dao dạng xích hoặc nhiều tầng
- Kết cấu ổ tích dao dạng xích hoặc nhiều tầng.
- Vị trí của trục chính máy và ổ tích dao tương đối xa.
- Đường dịch chuyển của tay tóm tương đối phức tạp.
Chu trình thay đổi dụng cụ :
+ Trục chính di chuyển về vị trí HOME

+ Ổ tích xác định và di chuyển dụng cụ cần thay thế đến vị trí thay.
+ Tay tóm di chuyển vào kẹp dụng cụ trong ổ tích và di chuyển ra.
+ Tay tóm quay 1 góc 90 độ và di chuyển đến vị trí trung gian.
19


+ Tại vị trí trung gian tay tóm quay 1 góc 90 độ để trục dụng cụ cùng phương với trục
chính.
+ Tay tóm di chuyển vào gá dụng cụ vào đầu trục chính, nhả kẹp và di chuyển ra.
+ Tay tóm chờ ở đó cho đến lần thay thế dụng cụ tiếp theo.
- Kết cấu ổ tích dạng đĩa trịn.
- Vị trí của trục chính và ổ tích
dao khơng thuận tiện cho việc
thay dao.
- Kết cấu tay tóm gồm nhiều khâu
dịch chuyển.
- Quỹ dạo dịch chuyển tương đối
phức tạp.
Chu trình thay thế dụng cụ :
+ Trục chính di chuyển về vị trí
HOME
+ Ổ tích xác định vị trí dao cần
Hình 3-11. Kết cấu thay dao với hệ thay dao dạng
tròn

thay thế và di chuyển dao đến vị
trí thay.
+ Tay kẹp gồm nhiều khâu dịch
chuyển di chuyển đến vị trí dao
cần thay và kẹp dao, di chuyển ra.

+ Tay kẹp di chuyển vị vị trí trung
gian và xoay cho trục của dụng cụ
cùng phương với trục chính.
+ Tay kẹp cầm dụng cụ di chuyển
vào và tiến hành gá đặt dụng cụ
vào đầu trục chính
+ Tay kẹp nhả kẹp và về vị trí ban
đầu kết thúc q trình thay dao.

20