Tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động cho máy phay CNC

Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Tính toán thiết kế hệ thống thay dao
tự động với 32 đài dao
1.1. Lập quy trình tính toán hệ thống thay dao tự động
1.1.1. Cấu tạo chung của máy CNC_V30
a. Cấu tạo của máy CNC-V30 :

Hình 1. 1. Cấu tạo chung máy CNC-V30
Bảng 1. 1. Các bộ phận của máy
STT

Các bộ phận chính của máy

1

Cột máy

2

ụ trước trục chính

3

Trục chính

4

Bàn máy

5

Băng máy

6

Đế máy
1


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

7

Màn hình điều khiển

8

Thành phần chuyển động của 3 trục và các nắp lồng

9

Tủ điện

Bảng 1. 2. Các thông số kỹ thuật của máy CNC - V30
Kích cỡ máy:
Chiều dài.

2250 mm

Chiều rộng.

2100 mm.

Chiều cao.

2368 mm.

Trọng lượng.

4500 kg.

Bàn máy:
Kích thước bàn.

840 x 400 mm.

Chiều cao bàn.

780 mm.

Tải trọng lớn nhất.

300 kg.

Hành trình:
Hành trình trục X/Y/Z.

760/ 410/ 520.

Khoảng cách từ tâm trục chính

438 mm.

đến cột.
130  540 mm.

Khoảng cách từ đỉnh trục
chính đến mặt bàn.
Trục chính:
Động cơ trục chính.

7.5 kW

Tốc độ trục chính.

80  80000 vòng/phút.

Tỉ số truyền.

1:1

Động cơ chạy dao:
2


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Kiểu động cơ trục X/Y/Z.

AC - 6/ AC - 6 / AC - 12.

Công suất động cơ.

1.0 kW/ 1.0 kW/ 2.1 kW.

Tốc độ chạy dao.
Tốc độ chạy dao ngang.

20000 / 15000 mm/ phút.

Tốc độ cắt.

5000 mm / phút.

Hệ thống thay dao tự động:
Dạng ATC.

Hình tang trống.

Dạng chuôi dao.

BT- 40.

Số lượng dao.

20/24.

Đường kính lớn nhất của dao.

100 mm.

Chiều dài lớn nhất của dao.

250 mm.

Khối lượng lớn nhất của dao.

7..8 kg.

Độ chính xác:
Độ chính xác vị trí.

 0.001 mm/toàn bộ hành trình.

Khả năng lặp chính xác.

 0.005 mm.

Công suất yêu cầu.

25 KVA.

b. Kết cấu của thân máy và trục chính của máy CNC.
Để thiết kế hệ thống thay dao tự động ta cần biết các thông số về đường kính
trục chính trc= 120mm, hành trình thay dao của trục chính máy là Ltrc= 130mm,
khoảng cách giữa đường tâm trục chính tới thân máy là L = 505 mm,kích thước
của thân máy là : a x b = 400 x 360 mm

3


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 1. 2. Hình vẽ 2D của máy
Kết cấu thân máy và trục chính đang ở vị trí kẹp dao

4


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 1. 3a. Hình vẽ 3D của máy
Với kết cấu của thân máy như trên ta sẽ thiết kế hệ thống thay dao tự động
cho máy có dạng tang trống với tâm quay nằm thẳng đứng. Hệ thống thay dao sẽ
được gá trên một giá đỡ được lắp trên thân máy ở phía bên trái của thân máy .
c. Kích thước đài dao với chuôi BT30 [ 5 ].

5


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 1. 4. Bản vẽ đài dao

Hình 1. 5. Mô hình đài dao

6


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Mô hình 3D của đài dao với độ côn 7/24 Taper
Các dụng cụ cắt được lắp ghép lên các đài dao. Với đường kính lớn nhất của
dao là : max= 120 mm. Trọng lượng của dao là 5 kg.
2.1.2. Các bước thay thế dụng cụ trên máy
Quá trình thay thế dụng cụ khi trục chính có chứa dụng cụ.
Sau khi có lệnh gọi thay dao (M06 T01) thì các chuyển động chay dao sẽ
dừng khi dó quá trình thay dao sẽ qua các bước sau :

1.2: Nguyên lý thay dao tự động
Sau khi gọi lệnh Txx-M06 thì hệ thống thay dao sẽ thực hiện các bước để
thay dao sau:
Lưu đồ 8 bước thay dao
Bước 1: Trục chính về mặt phằng thay dao, xoay định hướng góc then.
Bước 2: Ổ chứa dao tự hành đi vào kẹp dao trên trục chính.
Bước 3: Hệ thống khí nén được kích hoạt để thực hiện xy lanh mở chấu kẹp và
đầy dao không mút vào mặt côn của trục chính
Bước 4: Trục chính đi lên hết chiều cao của đài dao

Bước 5: Ổ chứa dao quay phân độ đưa dao cần thay vào miệng trục chính
Bước 6: Trục chính đi xuống về mặt phằng thay dao

7


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Bước 7: Giải phóng khí nén để hồi xy lanh kẹp và kẹp dao bằng lực đàn hồi của
lò xo
Bước 8: Ổ chứa dao hồi về vị trí ban đầu
2.1.3. Xác định gốc tính toán cho hệ thống thay dao
Để đảm bảo cho quá trình thay dao với độ an toàn cao ta cần phải xác định
một điểm chuẩn cho hệ thống thay dao đó là điểm trùng với điểm gốc của trục
chính máy CNC trong quá trình thay dao. Điểm này phải đảm bảo sao cho
đường tâm của trục chính và đường tâm của dụng cụ được gọi ra thay phải trùng
nhau và phải đảm bảo hành trình thay dao của trục chính L trc = 130 mm, và hành
trình dẫn hướng của xylanh Lxl= 250 mm không xảy ra va đập. Vậy điểm điểm
chuẩn đó được xác định:

8


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 2. 6. Sơ đồ biểu diễn điểm chuẩn thay dụng cụ
Sơ đồ phân bố điểm chuẩn thay dao
Để tính toán cho hệ thống thay dao thì ta cần phải xác định một điểm gôc tính
toán cho hệ thống. Từ điểm chuẩn thay dao và hành trình của xylanh là:

9


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Lxl = 250 mm. Vậy điểm gốc tính toán cho hệ thống thay dao cách điểm chuẩn
thay dao là 250 mm.
2.1.4. Lập quy trình tính toán hệ thống thay dao
Với các dư liệu đầu vào
- Số dao đài dao chứa : 32
- Đường kính lớn nhất của dao : 120(mm) Lấy theo đường kính của dao
phay mặt đầu

- Loại chuôi dao : BT30
- Chiều cao chuôi dao : 85(mm)
- Khối lượng dao : 5 kg
- Đường kính lớn nhất của cụm trục chính :max = 120 mm
- Khoảng cách từ tâm trục trính đến thân máy Ltrc = 505 mm
- Kích thước thân máy 360x400mm
- Hành trình dân đài mang dao L = 250 mm
Lập quy trình tính toán:
Từ điểm gốc của hệ thống thay dao cùng với nguyên lý thay dao ta có thể lập
qui trình tính toán như sau:
- Xác định tâm của đường tròn chứa dao và vị trí của các đài dao trên đường
tròn.
- Kết cấu tay kẹp dụng cụ và tấm định vị
- Tính toán Tang chứa dụng cụ
- Tính toán cơ cấu quay phân độ _ cơ cấu Man
- Tính toán và lựa chọn động cơ cho cơ cấu quay phân độ
- Tính toán và lựa chọn ổ lăn
- Tính toán loxo tạo ra lực kẹp dao
- Lựa chọn trục dẫn hướng
10


n

3: Tớnh Toỏn Thit K H Thng Thay Dao T ng

Thit K C Khớ

Cho Mỏy Phay CNC

- Tớnh toỏn v la chn h thng xylanh khớ nộn dn ng i dao
- Kim tra bn cho h thng thay dao
các dữ liệu đầu vào
N : Số lựơng dao của ổ chứa dao N=16
Dmax : đừơng kính lớn nhất của dao D max = 100 mm
BT40 : loại chuôi dao (r bán kính cổ của đài dao)
m : khối lựơng lớn nhất của dao 7..8 kg
Dtrc: đừơng kính trục chính máy CNC D trc = 120mm
Lt : khoảng cách từ tâm trục chính đến thân máy L t = 505 mm
H : hành trình vào lấy dụng cụ của trục chính H = 130 mm
Kết cấu thân máy CNC
Ltd : Hành trình của hệ thống thay dao 250 mm
Cơ cấu kẹp dao ( tay kẹp trái-tay kẹp phải-tấm định vị 'h' )
Ttd : thời gian thay dao T td = 7,5 s

Xác định gốc tính toán cho hệ thống
L1 : khoảng cách từ gốc tính toán đến thân máy
L2 : khoảng cách từ gốc tính toán đến trục chính
Kết cấu của thân đỡ Hệ thống thay dao

Vị trí đừơng tâm của Tang :
l1 : khoảng cách đến thân máy = L 1
l2 : khoảng cách đến tâm trục chính = R
Xác định bán kính Tang :
RT = R - r - h
Xác định chiều cao Tang
HT : lấy bằng chiều cao của đài dao từ cổ

Xác định bán kính vòng tròn chứa dao :
Dmax . N

4.

R

Vị trí các dao có góc phân độ :
2
N



Cơ cấu điều khiển - Cơ cấu Man
R
Lm =
khoảng cách giữa tâm cần và đĩa Man
cos
n : số vòng quay của cần
đ

Kiểm tra độ an toàn về hình học
Kiểm tra đừơng kính trục chính khi vào thay dụng cụ
Kiểm tra lựơng mở của tay kẹp

Kết cấu của bộ phận chứa dao
Kết cấu của Tang
Tính toán cơ cấu kẹp dao

Kết cấu của thân đỡ
hệ thống thay dao

Tính toán và lựa chọn ổ đũa côn để đỡ Tang

Lựa chọn ô bi để giữa trục

Lựa chọn và bố trí trục dẫn hứơng
Kiểm nghiệm độ bền của trục

Tính toán hệ thống dẫn động Tang vào thay dao
( Hệ thống dẫn động bằng xylanh khí nén)
Lxl : Hành trình làm việc của xylanh
D : đừơng kính piston
d : đừơng kính cần

.n
Xác định đ ,đ
30

Tính toán và lựa chọn động cơ quay phân độ Tang chứa dao
nđc : số vòng của động cơ
Nđc : công suất động cơ

Bản vẽ kết cấu của hệ thống
Thay dao tự động

Hỡnh 1. 7. S quỏ trỡnh tớnh toỏn h thng thay dao t ng

11


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

1.2. Tính toán Tang chứa dao
1.2.1. Xác định các thông số hình học của Tang
Các thông số ban đầu:
 Tính toán hệ thống với số lượng dao N = 32 dao
 Đường kính lớn nhất của dao: max= 120 mm {Lấy theo đường kính lớn
nhất của dao phay mặt đầu}
 Chuôi dao BT30
 Đường kính của trục chính: max= 120 mm
 Hành trình của trục chính trong quá trình vào thay đổi dụng cụ L td= 130
mm
Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần tính toán cho cơ cấu sao
cho kết cấu của hệ thống phải gọn nhẹ,phải có độ chính xác cao,không xảy ra va
đập khi trục chính vào thay dụng cụ.
Để Tang chứa dao chứa đủ 32 dao mà vẫn đảm bảo cho quá trình thay dao
không xảy ra sự cố thì trước tiên ta đi tính toán bán kính từ tâm dao đến tâm trục
ổ chứa dao :

12


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 1. 8. Sơ đồ tính toán kích thước hình học của Tang
a_ Bán kính từ tâm của dao đến tâm của Tang chứa dao R0 được xác định :
R0 >

C
2

Trong đó:
C : Chu vi của đa giác chứa dao được xác định:
C = 2.Rmax . N = 2.60.32 = 3840 (mm)
Rmax : bán kính lớn nhất của dao Rmax=

Dmax
2

= 120 = 60 mm
2

N : số dao của ổ chứa N = 36 dao
Vậy :
R0 >

3840
= 611,15 (mm)
2

Để giữa các dao có Rmax có khoảng các ta lấy R0 = 630 (mm).

Khi đó chu vi của vòng tròn chứa dao la:
C = 2..R0 = 2.3,14.630 = 3956,4(mm)
13


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

b_Xác định khoảng cách giữa các dao gần nhau trong Tang :
Khoảng cách giữa hai tâm của dao có thể xác định gần đúng :
L=

C 3956,4
= 123,6 (mm)

N
32

Khoảng cách giữa các dao có đương kính lớn nhất có thể xác định gần
đúng :
L’= L – 2.Rmax = 123,6 – 2.60 = 3,6 (mm)
c_Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao

14

Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 1. 9. Sơ đồ trục chính tham gia vào thay dụng cụ
Để đảm bảo an toàn trong quá trình thay dao ta cần kiểm tra xem khi trục
chính vào thay dao số 1 có bị va chạm với các đài dao số 2 và đài dao số 32 hay
không.
15


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Đường kính lớn nhất của trục chính :max= 120(mm)
Đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT30 là:C = 31,75(mm)
Khoảng cách giữa tâm các đài dao L = 123,6(mm)
Ta đi xác định khoảng cách từ tâm đài dao số 1 đến độ côn của các đài dao
số 2 và đài dao số 32 la LT.
LT= L 

C
2

 123,6 

31,75
 107,7
2

(mm)

Để trục chính không va chạm vào các đài dao xung quanh thì phải thoả
mãn điều kiện sau :
 Trc
 LT
2
120
 107,7
2

 Vậy thoả mãn điều kiện.
d_Lựa chọn cơ cấu kẹp dao trên Tang
Để trục chính tham gia vào thay dao được chính xác thì dao cần có một vị
trí xác định trên Tang chứa dao.Vậy ta cần hạn chế 5 bậc tự do của dao trên
Tang.
Để kẹp dao lên Tang ta có thể dùng hệ thống kẹp dao của hệ thống thay dao
tự động của trung tâm gia công CNC_V30.Hệ thống kẹp dao gồm :Tay kẹp
trái_Tay kẹp phải_Chốt định vị_và một loxo tạo ra lực kẹp dao.
Các thông số hình học của tay kẹp:

16


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 1. 10a. Các thông số của tay kẹp

17


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 2. 11b. Mô hình của tay kẹp

Các thông số hình học của tấm định vị:

Hình 1. 12a. Thông số hình học của tấm định vị

18


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 2. 13b. Mô hình của tấm định vị
Dao sẽ có khoảng cách xác định so với đường tâm của Tang mang dao nhờ
tấm định vị hạn chế 1 bậc tự do theo phương ngang và cơ cấu kẹp tự định tâm.
Quá trình kẹp dao:

19


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC
o

o

1

1

B
A

o

o

2

2

dao tiÕn vµo tay kÑp

VÞ trÝ ban ®Çu

o

1

o

2

VÞ trÝ cuèi

Hình 2. 14. Quy trình kẹp dao

Mô hình 3D kẹp dao

20


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Tính toán khe hở giữa các tay kẹp dao
Ta có thể xác định gần đúng theo công thức hình học
C = N.(2r + 2h + L)
Trong đó :
C : chu vi vòng tròn từ tâm dao đến đường tâm của Tang : C = 3956,4 (mm)
r : bán kính cổ đài dao : r =

 C 31,75

 15,875 (mm)
2
2

h : chiều dày kẹp dao : h = 23 (mm)
L : khe hở cần tính để tránh va đập giữa các tay kẹp

N : số dao kẹp Tang có thể chứa


L

C
3956,4
 2r  2h 
 2.15,875  2.23  48,88 (mm)
N
32

Kiểm tra khi tay kẹp mở
Khi thay dao tay kẹp sẽ xoay quanh điểm O1một góc  = 5o vậy lượng mở
thêm của tay kẹp ứng với bề dầy nhất là :
Lk 83.tg  83.tg5o  7,26 < 48,88 (mm)
Vậy các tay kẹp không bị va chạm vào nhau trong quá trình thay dao.
e_Tính toán các thông số hình học của Tang
 Tính bán kính vòng ngoài của Tang R1:
R1 = R0 – h – Rmaxd
Trong đó :
R0 : bán kính từ tâm dao đến đường tâm Tang R0=630(mm)
h : Lượng nhô ra của tấm định vị so với Tang h = 16 (mm)
Rmaxd: bán kính lớn nhất của đài dao Rmaxd=
R1= 630 – 16 – 23 = 591 (mm)
21



max d  46  23 (mm)

2
2


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Lấy R1= 590 (mm).
 Bán kính vòng trong của Tang R2:
Để có không gian cho tay kẹp di chuyển va lắp ghép lò xo để tạo ra lực kẹp
ta cần phải xác định bán kính vòng trong của Tang R2
R2 < R1 - Lk - L
L : khoảng cách từ chốt tay kẹp đến vòng tròn ngoài của Tang L = 16
(mm)
Lk : Chiều dài chuôi tay kẹp Lk= 58 (mm)
R2 < 590 –58 – 16 = 516 (mm)
Lấy R2= 500 (mm)
 Tính kích thước chiều cao Tang
Chiều cao của đài dao h =75 mm
Với chiều cao của dao ta có thể lấy chiều cao của Tang gần bằng chiều cao
của dao.Ta lấy H = 65 mm
 Vậy kết cấu hình học của đĩa Man :
1.2.2. Tính toán cơ cấu Man cho Tang chứa dao [4,6]
a. Tính toán các thông số hình học của cơ cấu Man
Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Man :

Cơ cấu Mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O2
thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O1. Chuyển động gián đoạn của đĩa
O1 chính là chuyển động quay phân độ các vị trí của các đài dao tham gia vào vị
trí thay dao.Thường số rãnh trên đĩa Man là Z = 4,6,8,...,16,18,20,22,24...
Với hệ thống thay dao gồm có 24 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số
rãnh là : Z = 32
Với kết cấu của đài Tang mang dao ta đi tính toán cơ cấu Man với bán kính
của đĩa là R=520(mm)
22


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Hình 1. 15a. Sơ đồ tính toán cơ cấu Man







Hình 1. 16. Sơ đồ tính toán cơ cấu Man
23

Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Điều kiện bắt buộc để chống va đập là :
 +  = 90o
Trong đó góc  được xác định theo số rãnh của đĩa Man là Z = 32 rãnh:



Z



180 o
 5,625
32

Do đó :




180 o 180 o
  


 84,375
2 Z
2
32

Khi thiết kế góc 2T thực tế nhận được là tích số của góc 2 đã cho trước với
tỷ số truyền động i của cơ cấu Man :
2T = 2..i
ở đây 2T là góc quay thực tế.
Khi quay góc 2T sau một thời gian tT thì thời gian của cơ cấu Man tm sau một
góc 2 có thể tính :

tm 

tT
i

Ta có tỷ số giữa thời gian quay của đĩa Man tm và thời gian không quay của nó
to là :

tm Z  2

to Z  2
Khi cần Man quay với tốc độ đều  = const thì thời gian quay đúng một vòng
là :
T

60
giây

n

Trong đó n : số vòng quay/phút của cần chính là số vòng quay của động cơ
bước.
24


Đồ Án

Đề 3: Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Thay Dao Tự Động

Thiết Kế Cơ Khí

Cho Máy Phay CNC

Ta có :

tm  Z  2
 
T 
2Z
tm 

Z 2
Z  2 60
.T 
.
2Z
2Z n

n

Z  2 30
.
(vòng/phút)
Z tm

Các thông số hình học của cơ cấu Man được xác định :
Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L :
L

R
520

 522,52 (mm)
cos  cos 5,625

Lấy L = 525 (mm)
Chiều dài của rãnh đĩa Man :
h = L(sin + cos - 1) + r
h = 525.(sin5,625o+ cos5,625o- 1) + 18 = 67 (mm)
Lấy h = 70 (mm)
Bán kính quỹ đạo cần :
Rc = L.sin = 525.sin5,625o.
= 51,45(mm).
b. Tính toán động học của cơ cấu Man
Xác định góc  của đĩa Man khi cần quay được một góc  :
tg 

Trong đó :  

.sin 
1   cos

Rc L. sin 

 sin 
L
L

Vậy Tốc độ của đĩa Man có thể viết :
25