Đồ án thiết kế hệ thống dẫn hướng máy CNC

Mục lục
1 Tổng quan về máy CNC và kết cấu máy CNC
1.1 Khái niệm máy công cụ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Khái niệm máy CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Kết cấu máy CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1 Kết cấu của máy CNC và máy công cụ truyền thống
1.3.2 Hệ thống dẫn hướng trong máy CNC . . . . . . . . .

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

1
1
2
2
2
7

2 Tính toán lựa chọn ray dẫn hướng
2.1 Cơ sở tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Khả năng tải tĩnh (C0 ) . . . . . . . . . . .
2.1.2 Momen tĩnh cho phép M0 . . . . . . . . .
2.1.3 Hệ số an toàn tĩnh fs . . . . . . . . . . . .
2.1.4 Khả năng tải động C . . . . . . . . . . . .
2.1.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa L . . . . .
2.1.6 Tính toán tuổi thọ làm việc theo thời gian
2.1.7 Tính toán tải trọng làm việc . . . . . . . .
2.1.8 Tính toán tải trọng tương đương . . . . .

2.2 Tính chọn ray dẫn hướng bàn X,Y . . . . . . . .
2.2.1 Các thông số ban đầu . . . . . . . . . . .
2.2.2 Tính chọn ray dẫn hướng . . . . . . . . .
2.3 Tính tải tương đương . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Trong chuyển động nhanh dần qua trái . .
2.3.2 Trong chuyển động chậm dần qua trái . .
2.3.3 Trong chuyển động nhanh dần qua phải .
2.3.4 Trong chuyển động chậm dần qua phải . .
2.3.5 Tính hệ số tải tĩnh . . . . . . . . . . . . .
2.4 Tính tải trọng trung bình trên mỗi carriage . . .
2.5 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa . . . . . . . . . .

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

9
10
10
10
12
12
12
14
14
14
15
15
18
20
21
21
21
21
21
22
22

.
.
.
.
.

.
.
.

24
25
25
25
26
27
27
30
32

3 TÍnh toán lựa chọn cụm trục vít me bi
3.1 Trục X . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Thông số đầu vào . . . . . . . .
3.1.2 Bước vít me . . . . . . . . . . .
3.1.3 Tính lực cắt chính của máy . .
3.1.4 Điều kiện làm việc: . . . . . . .
3.1.5 Chọn trục vít . . . . . . . . . .
3.1.6 Chọn ổ lăn . . . . . . . . . . .
3.2 Tính chọn cho trục Y . . . . . . . . . .
1

.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.


3.2.1
3.2.2
3.2.3
3.2.4
3.2.5
3.2.6

Thông số đầu vào . . . . . .
Bước vít me . . . . . . . . .
Tính lực cắt chính của máy

Điều kiện làm việc: . . . . .
Chọn trục vít . . . . . . . .
Chọn ổ lăn . . . . . . . . .

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.

4 Lựa chọn động cơ
4.1 Trục X . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1 Momen quán tính . . . . . . . . . . .
4.1.2 Momen phát động . . . . . . . . . .
4.1.3 Chọn dộng cơ . . . . . . . . . . . . .
4.1.4 Kiểm tra thời gian đạt tốc độ tối đa
4.1.5 Tính toán ứng suất tác dụng lên trục
4.1.6 Mat on dinh . . . . . . . . . . . . . .
4.2 Trục Y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.1 Momen quán tính . . . . . . . . . . .
4.2.2 Momen phát động . . . . . . . . . .
4.2.3 Chọn dộng cơ . . . . . . . . . . . . .
4.2.4 Kiểm tra thời gian đạt tốc độ tối đa
4.2.5 Tính toán ứng suất tác dụng lên trục

2

.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

32
33
33
33
34
37

. .
. .
. .
. .
. .
vít
. .

. .
. .
. .
. .
. .
vít

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

40
40
40
40
41
41
41
42
42
42
42

43
43
43


Tóm tắt nội dung
Hiện nay, khoa học công nghệ ngày càng phát triển, vì vậy việc ứng dụng các kỹ thuật tiên
tiến vào sản xuất nhằm tạo ra những sản phẩm có năng suất, chất lượng cao, mà giá thành
chấp nhận được ngày càng trở nên cần thiết, đặc biệt đối với những nước đang phát triển như
Việt nam. Đóng góp vào sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ trong thời gian
gần đây, tự động hoá sản xuất có vai trò rất quan trọng. Nhận thức được điều này, trong chiến
lược công nghiệp hoá và hiện đại hoá nền kinh tế, công nghệ tự động được ưu tiên đầu tư phát
triển. Ở các nước có nền công nghiệp phát triển, tự động hoá các ngành kinh tế kỹ thuật trong
đó có cơ khí chế tạo đã được thực hiện từ những năm trước đây. Một trong những vấn đề quyết
định của tự động hoá ngành cơ khí chế tạo là kĩ thuật điều khiển số và công nghệ trên các máy
điều khiển số. Các máy công cụ điều khiển số được dùng phổ biến ở nước phát triển như NC
và CNC trong những năm gần đây 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 (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 nghê cần làm chủ được các thiết bị quan trọng và điển hình. Máy pha CNC là
một trong những thành tựu của tiến bộ khoa học kỹ thuật trên thế giới. Nó ngày càng được
ứng dụng rộng rãi trong chế tạo máy, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa.
Sự ra đời của máy CNC đã giải quyết được những nhiệm vụ cấp bách hiện nay là tự động hoá
quá trình sản xuất và nhất là sản xuất hàng loạt nhỏ, sản xuất linh hoạt. Đề tài này đi sâu vào
việc tìm hiểu ,thiết kế và mô phỏng máy phay CNC nhằm ứng dụng vào học tập, giảng dạy và
nghiên cứu. Đồ án được phân thành 5 chương :


Chương 1
Tổng quan về máy CNC và kết cấu

máy CNC
1.1

Khái niệm máy công cụ

Trong lịch sử phát triển của xã hội loài người, để phục vụ cho cuộc sống con người đã phải
sử dụng đôi bàn tay cùng sức khỏe của mình để lao động, tạo ra các công cụ, đồ vật.... Để hỗ
trợ cho đôi bàn tay, con người chê tạo ra công cụ lao động cầm tay thực hiện những quá trình
đơn lẻ rời rậc nhưng vẫn sử dụng sức người, từ các loại đá, rìu thô sơ cho tới các công cụ hiện
đại như búa, tua vít, cưa , đục.... Theo thời gian, yêu cầu công việc ngày càng đòi hỏi nhiều
công sức, tốc độ cũng như độ chính xác dẫn tới hình thành các loại máy thay con người thực
hiện các quá trình công nghệ nặng nhọc mà sức người không làm được, sử dụng nguồn năng
lượng từ bên ngoài, hình thành khái niệm máy công cụ. Các máy công cụ truyền thống chủ
yếu do con người điều khiển như chuyển động, vận tốc, nên thời gian phụ khá lớn, phụ thuộc
vào người thợ vận hành. Để giảm thời gian phụ, các máy công cụ đa có khả năng tự động hóa
bằng các mấu tỳ, cam trên trục phân phối, mặt cam được định hình để điều khiển khối lượng
chuyển động liên kết và tốc độ mà cam quay điều khiển tốc độ cấp dao, hay cơ cấu con cóc
để điều chỉnh bước tiến trong máy bào... tuy nhiên chuẩn bị cho một đợt sản xuất rất phức
tạp, tốn thời gian,chỉ thích hợp với sản xuât loạt lớn và ít có thay đổi theo thời gian, không
đáp ứng được yêu cầu sản xuât cũng như sự thay đổi liên tục về sản phẩm. Chính vì vậy, đặt
ra yêu cầu về máy công cụ có năng suất cao, khả năng điều khiển linh hoạt hơn. Ban đầu các
máy tự động được điều khiển bằng đầu đọc băng từ, động cơ được điều khiển nhờ các chỉ dẫn
xung điện của băng từ phát ra khi đọc vị trí các băng giấy đục lố. Các xung điện được quản lý
đơn giản bời máy tính không có bộ nhớ. Chúng được gọi là các máy NC hay máy điều khiển
số. Máy NC có những nhược điểm như khó sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng giấy dục
lỗ không bền, hệ thống cồng kềnh phức tạp....
Bên cạnh đó sự phát triển của công nghệ bán dẫn khiến vi xử lý máy tính phát triển mạnh,
các máy CNC ra đời khắc phục các khuyết điểm trên nhờ khả năng đọc hàng ngàn các bit nhị
phân lưu trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, chỉnh sửa nhanh chóng chính xác. Vậy máy công
cụ là công cụ phục vụ các quá trình công nghệ dưới dạng máy móc mà sức người không làm

được.

1


Hình 1.1: Băng đục lỗ

1.2

Khái niệm máy CNC

CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control có thể hiểu là điều khiển số bằng máy tính
các máy móc sản xuất. Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất
công nghiệp. Các chi tiết có bề mặt phức tạp được thực hiện dễ dàng, giảm thiểu tối đa các
thao tác của con người. Qua đó, chất lượng cũng như năng suất sản phẩm được nâng cao. Máy
CNC có những đặc điểm vượt trội so với các máy gia công khác:
• Gia công được nhiều chi tiết phức tạp hơn.
• Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao hơn và giảm thời gian phụ.
• Tính tự động hóa. linh hoạt cao hơn.
• Phế phẩm ít.
• Hiệu suất cao
• Giảm số lượng nhân công.
Các loại máy CNC phổ biến ngày nay:
• Máy phay CNC.
• Máy tiện CNC.
• Máy khoan tia lửa điện CNC.

1.3
1.3.1

Kết cấu máy CNC
Kết cấu của máy CNC và máy công cụ truyền thống

Giống nhau
• Cấu trúc tổng thể: Nói chung tương tự nhau,cùng sử dụng bàn máy hình chữ thập nhằm
nâng cao độ cứng vững cho máy.
• Dùng để gia công chế tạo các chi tiết.

2


Sự khác nhau giữa máy CNC và máy công cụ truyền thống.
Các cơ cấu truyền dẫn:
Ở các máy công cụ truyền thống, để tạo các đường chuyển động phức tạp các cơ cấu chấp hành
được liên kết với nhau bằng các cơ cấu cơ khí để tạo mối quan hệ động học, tạo nên nhiều xích
truyền động phức tạp, trong khí đó, các trục của máy CNC có các trục chuyển động hoàn toàn
độc lập có thể lập trình bằng máy tính, qua đó làm đơn giản về mặt kết cấu cơ khí, chỉ còn 2
xích động học: cắt gọt, chạy dao.

Hình 1.2: Sơ đồ kết cấu động học máy phay ren vít

Hình 1.3: Xích động học trong máy CNC

Tiêu chí
Vào chương trình
Kẹp phôi
Thay dao
Độ chính xác
Di chuyển bàn máy

Máy cc truyền thôngs
Không có
Bằng tay
Bằng tay
thấp
Bằng tay quay cơ khí
3

Máy CNC
Từ bán phím
Tự động
Tự động bằng cơ cáu thay dao
Cao
Dùng nút bấm hoặc lập trình.


(a) Sống trượt

(b) Rãnh mang cá

Hình 1.4: Ví dụ hệ dẫn hướng trong máy công cụ truyền thống
Hệ thống dẫn hướng:
Trong các máy công cụ truyền thống như các máy tiện vạn năng, máy bào .. thường sử dụng
sống trượt gắn liền với thân máy hoặc rãnh mang cá trong máy bào.... Đặc điểm chung là hệ
thống dẫn hướng đều gắn với thân máy.
Trong các máy CNC ngày nay, hệ thống đường hướng đã được tiêu chuẩn hóa, được module
thành các cụm riêng sãn xuât với số lượng lớn, qua đó giúp thay đổi sửa chữa dễ dàng, giảm
giá thành.

Hình 1.5: Ray dẫn hướng trong máy CNC

Trong máy công cụ truyền thống thường biến đôi chuyển động bằng cơ cấu vít me đai ốc có
hệ số ma sát lớn nên hiệu suất thấp nên trong các máy CNC cơ cáu vit me bi thường được sử
dụng.
Sự khác nhau của nguồn động lực:
Máy công cụ truyền thống thường sử dụng động cơ 3 pha còn máy CNC ngày này thường sử
dụng động cơ AC servo với hệ thống điều khiển hồi tiếp kín. Tín hiệu ra của động cơ được nối
với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều
khiển này. Nếu có bất kỳ lí do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ
nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch
cho động cơ đạt được điểm chính xác.

4


Hình 1.6: Động cơ servo và mạch điều khiển
Máy CNC gồm 2 khối chính là: Khối chấp hành và khối điều khiển.
∇ Khối điều khiển: các loại động cơ, các hệ thống điều khiển và máy tính trung tâm.
∇ Khối chấp hành: Đế máy, thân máy, bàn máy, bàn xoay, trục vít me bi, ổ tích dụng cụ,
cụm trục chính và băng dẫn hướng.

Hình 1.7: Kết cấu máy CNC

1. Thân máy và đế máy: Bên trong thân máy chứa các bộ phận, hệ thống của máy. Đế máy
có tác dụng đỡ để tạo sự cân bằng, ổn định cho máy. Vì vậy, thân và đế phải có độ cứng
vững cao, có giảm chấn. Mục đích đảm bảo độ chính xác cho máy
2. Bàn máy: là nơi gá đặt chi tiết, phải có độ cứng vững cao và được điều khiển chính xác
để tạo được biên dạng cần thiết.

Hình 1.8: Bàn máy có thể xoay

5


3. Cụm trục chính: là nơi lắp dụng cụ cắt, chuyển động quay sinh ra lực cắt gọt.

Hình 1.9: Cụm trục chính
Các dạng điều khiển trục chính:

Hình 1.10: Các dạng điều khiển trục chính
4. Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển
động của máy.

Hình 1.11: Ray dẫn hướng
5. Trục vít me, đai ốc: có công dụng dẫn động từ động cơ để tạo chuyển động cho máy.
6. Ổ tích dụng cụ: chưa nhiều dao khác nhau phù hợp với từng quá trình gia công.
6


1.3.2

Hệ thống dẫn hướng trong máy CNC

Nguyên lý dẫn động trong máy CNC là biến đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển
động tịnh tiến của bàn máy theo các trục kết hợp với các hệ thống đo lường dịch chuyển để
điều chỉnh chính xác. Vai trò của hệ thống dẫn hướng là dẫn động cho bàn máy theo các trục
x,y và chuyển động lên xuống theo trục z của trục chính, tạo nên quỹ đạo mong muốn. Vì vậy
hệ thống dẫn hướng phải đạt được những yêu cầu sau:
• Phải có khả năng dẫn động chính xác, độ thẳng cao.
• Các trục truyền dẫn không được có khe hở, giảm tối đa hiện tượng stick-slip (hiện tượng

dính - trượt do ma sát).
• Đạt hiệu suất cao, hoạt động êm ái ở tốc độ cao.
• Trong quá trình vận hành, các trục truyền động phải chịu lực cắt, lực quán tính lớn ở tốc
độ cao nên phải đảm bảo đủ bền, cứng vững ổn dịnh trong thời gian yêu cầu.
Chính vì vậy, tính toán lựa chọn hệ thống dẫn hướng cho máy CNC là nhiệm vụ quan trọng,
đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt cũng như tuổi thọ cho máy. Trong đó, hệ thống vít me bi
đáp ứng tốt các yêu cầu trên.
Vít me đai ốc bi là loại và vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn.

Hình 1.12: Chi tiết Vít me bi đai ốc
Hệ thống vít me bi giúp làm giảm ma sát. Nhờ việc 2 nửa đai ốc láp theo chiều dài, giữa chúng
có vòng cách nên có thể khử khe hở dọc trục.

7


Hình 1.13: Cơ cấu chỉnh khe hở.

8


Chương 2
Tính toán lựa chọn ray dẫn hướng

Hình 2.1: Sơ đồ mô hình hệ bàn máy X , Y

Các thiết bị dẫn động có một vai trò quan trọng trong máy CNC, là nhân tố chính đảm bảo
sự vận hành và gia công chính xác của máy. Việc tính toán lựa chọn các thiết bị dẫn động là
một công việc bắt buộc và phức tạp với nhiều công thức cần thiết lập. Vì vậy, để thuận tiện
cho công việc lựa chọ thiết bị dẫn động, trong chương này chúng ta đi xây dựng công thức tính

toán và chương trình tính chọn các thiết bị dẫn động. Nội dung chương này là: tính chọn hệ
thống đường hướng cho bàn máy trục X, Y.
Có rất nhiều các hãng để chúng ta có thể sử dụng cho công việc tính toán và lựa chọn các sản
phẩm phục vụ vào thiết kế, em chọn hãng PMI để lựa chọn cho tính toán của mình. Sơ đồ tính
toán của hãng nhu sau.

9


Hình 2.2: Quy trình tính chọn hệ thống đường hướng

2.1

Cơ sở tính toán

Để chọn được ray dẫn hướng phù hợp nhất với các điều kiện làm việc của hệ thống thì khả
năng chịu tải và tuổi thọ phải được chú trọng nhất.Để kiểm nghiệm khả năng tải trọng tĩnh
danh nghĩa có thể đánh giá qua hệ số an toàn với qua giá trị C0 (khả năng tải tĩnh) của ray
dân hướng . Tuổi thọ có thể thu được bằng cách tính toán trên cơ sở lý thuyết bằng công thức
thực nghiệm dựa trên việc đánh giá thông qua khả năng tải động của ray dẫn hướng.

2.1.1

Khả năng tải tĩnh (C0 )

Khả năng tải tĩnh C0 là tải trọng tĩnh mà tại vùng tiếp xúc với ứng suất lớn nhất mà tổng
biến dạng dư bằng 0.0001 lần giá trị đường kính con lăn. Vì nếu biến dạng vượt quá giá trị cho
phép sẽ làm cản trở chuyển động của hệ thống.

2.1.2

Momen tĩnh cho phép M0

Khi 1 mômen tác dụng vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu áp lực lớn nhất
10


Hình 2.3: Ray dẫn hướng

Hình 2.4

11


giữa các áp lực phân bố trên toàn bộ bi lăn của hệ thống. Moment tĩnh cho phép M0 là moment
tĩnh mà tại vùng tiếp xúc có ứng suất lớn nhất biến dạng dư bằng 0.0001 đường kính con lăn.

2.1.3

Hệ số an toàn tĩnh fs

Do trong quá trình hoạt động, va chạm và rung dộng do chuyển động, quá trình gia tốc hệ
thống dẫn hướng sẽ chịu lực không mong muốn vì vậy cần xét hệ số an toàn. fs là tỉ số giữa
C0 và tải trọng làm việc tính toán P, moment làm việc tính toán M.
fs =

M0
C0
or fs =
P

M

Hình 2.5: Hệ số an toàn của một số máy

2.1.4

Khả năng tải động C

Khả năng tải động C là tải trọng mà nhóm các ray dẫn hướng cùng loại hoạt động với cùng
điều kiện có tuổi thọ là 50 km( với bộ phận lăn là bi) mà chưa xuất hiện tróc mỏi.

2.1.5

Tính toán tuổi thọ danh nghĩa L

Tuổi thọn danh nghĩa của ray dẫn hướng phụ thuộc tải trọng làm việc thực tế . Tuổi thọ danh
nghĩa có thể được tính toán dựa trên khả năng tải động và tải trọng làm việc thực tế . Tuổi
thọ của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn bởi hệ số môi trường như độ cứng vững của đường
ray , nhiệt độ môi trường , điều kiện chuyển động .Vì vậy,những thông số này có trong tính
toán tuổi bền danh nghĩa . Công thức tính toán tương ứng với loại xích bi và xích cuộn.

Ball L =

(fH × fT ) C
×
fW
P

3

× 50 Roller L =

(fH × fT ) C
×
fW
P

10/3

× 100

L :tuổi thọ danh nghĩa (km)
fH : hệ số độ cứng
fT : hệ số nhiệt độ
fw : hệ số tải trọng
C : khả năng tải động động (N)
P : tải trọng làm việc (N)
Hệ số độ cứng fH
Để đạt được khả năng tải tối đa, Độ cứng của ray phải ở khoảng HRC 58 64. Nếu độ cứng của
ray ít hơn khoảng trên, tuổi thọ sẽ giảm. Vì vậy khả năng tải tĩnh, động cần nhân thêm hệ số
độ cứng theo đồ thị dưới đây. Chọn fH = 1 là đảm bảo yêu cầu.

12


Hình 2.6: Mối quan hệ độ cứng và hệ số
Hệ số tải trọng fw Mặc dù tải trọng làm việc của ray đã đước xét trong tính toán, nhưng
tải trọng thực tế hầu hết đều cao hơn khi tính toán. Đó là do rung động và va đập khi máy
chuyển động. Rung động xảy ra khi điều khiển tốc độ cao, va đập xảy ra khi máy khởi động
lại và dừng máy. Vì vậy cần xét tới hệ số tải trọng theo bảng sau:

Hình 2.7: Xác định hệ số tải trọng
Hệ số nhiệt độ fT
Khi nhiệt độ lớn hơn 100 độ C, tuổi thọ danh nghĩa sẽ giảm. Do đó khả năng tải tĩnh, động sẽ
được nhân với hệ số nhiệt độ trong tính toán. Xem hình bên dưới. Nhiều phần của ray được
làm từ nhựa và cao su, nên nhiệt độ phải dưới 100 độ C là tốt nhất. Các yêu cầu đặc biệt phải
liên hệ với nhà sản xuất.

Hình 2.8: Xác định hệ số nhiệt

13


2.1.6

Tính toán tuổi thọ làm việc theo thời gian

Sau khi xác định được tuổi thọ danh nghĩa , tuổi thọ phục vụ theo thời gian có thể được tính
dựa vào chiều dài hành trình và số chu trình là hằng số
Lh =

2.1.7

L × 103
2 × ls × n1 × 60

Tính toán tải trọng làm việc

Trong đồ án này, phương án sử dụng 2 ray dẫn hướng cho mỗi bàn X,Y năm ngang như sau:

Hình 2.9: Sơ đồ

2.1.8

Tính toán tải trọng tương đương

Hệ thống dẫn hướng có thể chịu lực và moment theo 4 hướng đồng thời. Các tải tác dụng đều
có thể phân tích thành tải hướng tâm và tải mặt bên để tính toán hệ số an toàn tĩnh và tuổi
thọ. Nếu sử dụng 2 ray dẫn hướng thì tính tải trọng tương đường PE theo tải hướng kính PR
và tải mặt bên PT là:

Hình 2.10
Tính tải trọng trung bình:
Pm =

e

1
L

n

(Pne Ln )

n=1

Trong đó:
Pm là tải trọng tương đương.
Pn là tải trọng biến thiên
14

L là tổng độ dài (mm)
Ln là độ dài tương ứng với tải Pn (mm)
e hệ số tương ứng với kiểu bi, kiểu đũa.

2.2
2.2.1

Tính chọn ray dẫn hướng bàn X,Y
Các thông số ban đầu

Gia tốc tối đa a = 4 với vận tốc v = 20m/ph ta tính được thời gian đạt vận tốc t1 = t3 = 0.0825s,
quãng đường tăng giảm tốc X1 = X3 = 0.014m, quãng đường chuyển động đều X2 = 572 đối
với bàn X và X2 = 372 đối với bàn Y

Hình 2.11: Đồ thị vận tốc

Các khoảng cách định vị:
Với bàn Y: Các khoảng cách định vị:
- Nếu bàn X nằm chính giữa bàn Y thì sẽ không có các momen lật .Do vậy, trong khi tính toán
nên để bàn X ở vị trí xa nhất so với tâm của bàn Y để được trường hợp hệ thống hoạt động
khắc nghiệt nhất.
- Khi tính cho bàn Y, coi bàn X và phôi là một khối duy nhất có khối lượng bằng tổng hai
thành phần

15


Hình 2.12: Sơ đồ động va kích thước

16


Các thông số đầu vào tương ứng với bàn X,Y:
Thông số
Hành trình
Khối lượng phôi
Khối lượng bàn gá
Vận tốc tối đa
Gia tốc
Chuyển động nhanh dần
Chuyển độn đều
Chuyển động châm dần
l1
l2
l3
l4
l5
l6

Bàn X
600
300
80
20
4
14
572
14
500

320
95
83
79
211

Bàn Y
400
380
150
20
4
14
372
14
200
800
50
383
176
391

17


2.2.2

Tính chọn ray dẫn hướng

Chọn model MSA 20 A cho ray dẫn hướng bàn X : C0 = 29.5kN, C = 19.2kN

Chọn model MSA 25 LA cho ray dẫn hướng bàn Y :C0 = 56.6kN, C = 34.4kN

Hình 2.13: Model ray và con chạy

Trong chuyển động đều, Pn

P1 =
P2 =
P3 =
P4 =

m1 g
4
m1 g
4
m1 g
4
m1 g
4

−
+
+
−

Lực
m1 gl3
+
2l1
m1 gl3

+
2l1
m1 gl3
−
2l1
m1 gl3
−
2l1

m1 gl4
2l2
m1 gl4
2l2
m1 gl4
2l2
m1 gl4
2l2

+
+
+
+

m2 g
4
m2 g
4
m2 g
4
m2 g

4

Bàn X

Bàn Y

1054

2709

1624

1759

846

-59

276

890

18


Trong chuyển động nhanh dần qua trái Pn la1 ,P tn la1
Lực
m1 a1 l6 m2 a1 l5
−
P1 la1 = P1 −

2l1
2l1
m1 a1 l6 m2 al l5
P2 la1 = P2 +
+
2l1
2l1
m1 a1 l6 m2 a1 l5
+
P3 la1 = P3 +
2l1
2l1
m1 a1 l6 m2 a1 l5
P4 la1 = P4 −
−
2l1
2l1
m1 a1 l4
Pt1 la1 = −
2l1
m1 a1 l4
Pt1 2a1 =
2l1
m1 a1 l4
Pt1 3a1 =
2l1
m1 a1 l4
Pt1 4a1 = −
2l1

Bàn X

Bàn Y

776

959

1902

3509

1124

1690

-3

-859

-99.6

-1455

99.6

1455

99.6

1455

-99.6

-1455

Trong chuyển động chậm dần qua trái Pn la3 , Pt la3

P1 la3
P2 la3
P3 la3
P4 la3

Lực
m1 a3 l6 m2 a3 l5
= P1 +
+
2l1
2l1
m1 a3 l6 m2 a3 l5
= P2 −
−
2l1
2l1
m1 a3 l6 m2 a3 l5
= P3 −
−
2l1
2l1
m1 a3 l6 m2 a3 l5

= P4 +
+
2l1
2l1
m1 a3 l4
Pt1 la1 = −
2l1
m1 a3 l4
Pt1 la1 =
2l1
m1 a3 l4
Pt1 la1 =
2l1
m1 a3 l4
Pt1 la1 = −
2l1

Bàn X

Bàn Y

1332

4459

1345

10

567

-1089

554

2640

99.6

1455

-99.6

-1455

99.6

1455

-99.6

-1455

19


Trong chuyển đọng nhanh dần qua phải Pn ra1

P1 la3
P2 la3

P3 la3
P4 la3

Lực
m1 a1 l6 m2 a1 l5
−
= P1 +
2l1
2l1
m1 a1 l6 m2 a1 l5
= P2 −
−
2l1
2l1
m1 a1 l6 m2 a1 l5
−
= P3 −
2l1
2l1
m1 a1 l6 m2 a1 l5
= P4 +
+
2l1
2l1
m1 al l4
Pt1 ra1 = −
2l1
m1 al l4
Pt2 ra1 =
2l1

m1 al l4
Pt3 ra1 =
2l1
m1 al l4
Pt4 ra1 = −
2l1

Bàn X

Bàn Y

1332

4459

1345

10

567

-1089

554

2640

99.6

1455

-99.6

-1455

99.6

-1455

-99.6

1455

Trong chuyển động chậm dần qua phải

P1 ra3
P2 ra3
P3 ra3
P4 ra3

2.3

Lực
m1 a3 l6 m2 a3 l5
= P1 −
−
2l1
2l1
m1 a3 l6 m2 a3 l5
= P2 −

−
2l1
2l1
m1 a3 l6 m2 a3 l5
= P3 −
−
2l1
2l1
m1 a3 l6 m2 a3 l5
= P4 +
+
2l1
2l1
m1 a3 l4
Pt1 ra1 = −
2l1
m1 a3 l4
Pt2 ra1 =
2l1
m1 a3 l4
Pt3 ra1 =
2l1
m1 a3 l4
Pt4 ra1 = −
2l1

Bàn X

Bàn Y

775

959

1902

3509

1124

1690

-3

-859

-99.6

-1455

99.6

1455

99.6

1455

-99.6

-1455

Tính tải tương đương

Trong chuyển động đều
•
PE1 = P1
PE2 = P2
PE3 = P3
PE4 = P4

Bàn X
1054
1624
846
276

Bàn Y
2709
1759
-59
890

20


2.3.1
PE1 la1
PE2 la1
PE1 la1

PE1 la1

2.3.2
PE1 la3
PE2 la3
PE3 la3
PE4 la3

2.3.3
PE1 ra1
PE2 ra1
PE3 ra1
PE4 ra1

2.3.4
PE1 ra3
PE2 ra3
PE3 ra3
PE4 ra3

2.3.5

Trong chuyển động nhanh dần qua trái
•
= |P1 la1 | + |Pt1 la1 |
= |P2 la1 | + |Pt2 la1 |
= |P3 la1 | + |Pt3 la1 |
= |P4 la1 | + |Pt4 la1 |

Bàn X

875
2002
1224
102

Bàn Y
2415
4969
3145
2314

Trong chuyển động chậm dần qua trái
•
= |P2 la3 | + |Pt2 la3 |
= |P2 la3 | + |Pt2 la3 |
= |P3 la3 | + |Pt3 la3 |
= |P4 la3 | + |Pt4 la3 |

Bàn X
1432
1445
667
654

Bàn Y
5914
1465
3264
4095

Trong chuyển động nhanh dần qua phải
•
= |P1 ra1 | + |Pt1 ra1 |
= |P2 ra1 | + |Pt2 ra1 |
= |P3 ra1 | + |Pt3 ra1 |
= |P4 ra1 | + |Pt4 ra1 |

Bàn X
1432
1445
667
654

Bàn Y
5914
1465
3264
4095

Trong chuyển động chậm dần qua phải
•
= |P1 la3 | + |Pt1 la3 |
= |P2 la3 | + |Pt2 la3 |
= |P3 la3 | + |Pt3 la3 |
= |P4 la3 | + |Pt4 la3 |

Bàn X
875
2002
1224

102

Bàn Y
2415
4969
3145
2314

Tính hệ số tải tĩnh

•
Tải tối đa
fs

Bàn X
2002
15

Bàn Y
5914
9.5

21


2.4

Tính tải trọng trung bình trên mỗi carriage
•

Pm1 =

3

Pm2 =

3

Pm3 =

3

Pm4 =

3

2.5

PE1 la31 X1

3
PE1
X2

PE1 la33 X3

PE1 ra31 X1

3
PE1

X2

PE1 ra33 X3

+
+
+
2ls
3
3
PE2 la31 X1 + PE2
X2 + PE2 la33 X3 + PE2 ra31 X1 + PE2
X2 + PE2 ra33 X3
2ls
3
3
PE3 la31 X1 + PE3
X2 + PE3 la33 X3 + PE3 ra31 X1 + PE3
X2 + PE3 ra33 X3
2ls
3
3
3
3
PE4 la1 X1 + PE4 X2 + PE4 la3 X3 + PE4 ra31 X1 + PE4
X2 + PE4 ra33 X3
2ls
+

+

Tính toán tuổi thọ danh nghĩa

Ta chọn fw = 1.5fH = gT = 1
•
Bàn X
3
C
L1 =
× 50 171000 km
fw Pm1
3
C
L2 =
× 50 472000 km
fw Pm2
3
C
L3 =
× 50 328000 km
fw Pm3
3
C
× 50 800000 km
L4 =
fw Pm4

Bàn Y
48800 km
145000 km

765000 km
459000 km

Thời gian phục vụ tính theo giờ là: Lh =

L × 103
.
2 × ls × n1 × 60

Ta lấy L=170000 km thì LH > 20000 h .
Ta lấy L=48800 km thì LH > 20000 h .
Vậy 2 model ray đã chọn đủ điều kiện làm việc theo yeu cầu.

22

Bàn X

Bàn Y

1062

2889

1631

2010

855

1154

298

1368