ĐỒ án THIẾT kế hệ THỐNG cơ KHÍ đề tài thiết kế hê ̣dẫn hướng cho bàn máy cho máy CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CƠ KHÍ
BỘ MƠN : CƠ ĐIỆN TỬ




ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Đề tài: Thiết kế hệ dẫn hướng cho bàn máy cho máy CNC

Giáo viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:

TS. Nguyễn Thành Đông
Phạm Mạnh Cường

Lớp:
MSSV:

CK. Cơ điện tử 07 – K62
20170674

Hà Nội, tháng 10 năm 2021

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

SME.EDU - Mẫu 6.a

Học kỳ: 1
VIỆN CƠ KHÍ

Năm học: 2021 - 2022

Đơn vị chuyên mơn: Nhóm Cơ điện tử
Mã HP: ME4505
ĐỒ ÁN MƠN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ


Thời gian thực hiện: 15 tuần;
Ngày giao nhiệm vụ: …/…/20…;
Họ và tên sv: Phạm Mạnh Cường

Mã đề: VCK04-…;
Ngày hoàn thành: …/…/20…;

MSSV: 20170674

Mã lớp:

Chữ ký sv: Cường

Ngày …/…/20…

Ngày …/…/20…

Ngày …/…/20…

ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN

NGƯỜI RA ĐỀ

CB Hướng dẫn

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

I. Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ dẫn hướng bàn cho máy CNC
II. Số liệu cho trước :

1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.

Ray dẫn hướng trục Z
Cột đứng máy phay

Gối đỡ vít me bi kèm gá động
cơ trục X
Ray dẫn hướng trục X
Thân máy
Vít me bi trục X
Gối đỡ vít me bi trục Y
Ray dẫn hướng trục Y
Bàn Y
Bàn X ( đặt chi tiết gia công)
Cụm trục chính
Cụm trục Z
Vít me bi trục Z

1. Loại máy phay : Phay đứng
2. Chế độ cắt thử nghiệm tối đa:
3. Khối lượng lớn nhất của chi tiết M : 300Kg
4. Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công V1 :
5. Vận tớc chạy lớn nhất khi gia cơng có lực V2 :
6. Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a
7. Thời gian hoạt động từ 05 đến 07 năm : chọn 25000h
8. Cho trước các kết cấu của cụm bàn máy X và Y để gắn vít me bi và ray dẫn
hướng.
9. Cho trước tài liệu của hãng sản xuất vít me bi và ray dẫn hướng
10. Cho trước tài liệu của hãng sản xuất động cơ
III. Nội dung thực hiện
1. Phân tích nguyên lí và thông số kỹ thuật


- Tổng quan hệ thống
-Nguyên lý hoạt động

- Xác định các thành phần cơ bản và yêu cầu thông số/kỹ thuật của hệ thống
2. Thiết kế hệ thống truyền động
- Thiết kế hệ thống dẫn động
- Thiết kế các bộ phận chính : khớp nối, dẫn hướng, các kết nối để lắp và điều chỉnh
- Tính chọn động cơ
3. Xây dựng bản vẽ thiết kế
-Xây dựng bản vẽ lắp 2D/3D
- Xây dựng các bản vẽ chế tạo các chi tiết chính


BẢNG SỐ LIỆU CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ:
Đề số

VCK02-1

SVT
Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt,
D=80mm,
JIS, S45C, Grade 4040,
v=100m/ph, t=1,2mm,

M

V1

V2

a

300

18

15

0.4

F=900mm/ph
VCK02-2

nt

500

18

15

0,4

VCK02-3

nt

700

18

15

0,4

VCK02-4

nt

300

20

15

0,4

VCK02-5

nt

500

20

15

0,4

VCK02-6

Nt

700

20

15

0,4

VCK02-7

Nt

300

18

12

0,5

VCK02-8

Nt

500

18

12

0,5

VCK02-9

Nt

700

18

12

0,5

VCK02-10

Nt

300

20

12

0,5

VCK02-11

Nt

500

20

12

0,5

VCK02-12

Nt
Phay mặt đầu, 8 lưỡi cắt,
D=80mm,

700

20

12

0,5

300

25

15

0,4

VCK02-13

JIS, SUS440C, Grade 4040,
v=100m/ph, t=0,8mm,
F=900mm/ph

VCK02-14

Nt

500

25

10

0,4

VCK02-15

Nt

700

25

10

0,4

VCK02-16

Nt

300

25

10

0,5

VCK02-17

Nt

500

25

10

0,5

VCK02-18

Nt

700

25

10

0,5

VCK02-19

Nt

300

18

15

0,4

VCK02-20

Nt

500

18

15

0,4

VCK02-21

nt

700

18

15

0,4

VCK02-22

Nt

300

20

10

0,4

VCK02-23

Nt

500

20

10

0,4

VCK02-24

nt

700

20

10

0,4

Ghi chu


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 7
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT.....................8
1.1 Khái niệm về máy điều khiển số.................................................................................8
1.2 Nguyên lý hoạt động...................................................................................................9
1.3 Kết cấu và hệ thống dẫn động máy CNC....................................................................9
1.4 Thành phần cơ bản......................................................................................................10
1.4.1 Trục vít me - đai ốc bi..........................................................................................10
1.4.2 Ray dẫn hướng.....................................................................................................11

1.4.3 Động cơ...............................................................................................................11
1.4.4 Các chi tiết của hệ trục.........................................................................................12
1.5. Hệ thống đo...............................................................................................................13
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT....................................15
2.1. Tính chọn ray dẫn hướng......................................................................................... 15
2.1.1 Quy trình tính toán............................................................................................. 15
2.1.2 Hệ số tải tĩnh (C0).............................................................................................. 16
2.1.3 Mô men tĩnh cho phép M0.................................................................................. 16
2.1.4 Hệ sớ an tồn tĩnh fs........................................................................................... 16
2.1.5 Hệ số tải trọng động C....................................................................................... 17
2.1.6 Tính tuổi bền danh nghĩa L................................................................................ 17
2.1.7 Tính toán tuổi thọ làm việc theo thời gian.......................................................... 18
2.1.8. Hệ số ma sát...................................................................................................... 19
2.1.9 Tính toán tải trọng làm việc............................................................................... 19
2.1.10 Tính toán tải trọng tương đương...................................................................... 19
2.1.11 Tính tải trọng trung bình.................................................................................. 20
2.1.12 Tính toán chi tiết.............................................................................................. 20
2.2. Tính chọn trục vitme................................................................................................ 30
2.2.1. Kết cấu bộ truyền vitme đai ốc bi..................................................................... 30
2.2.2. Tính chọn trục vítme bi.....................................................................................31
2.2.3. Tính toán chi tiết............................................................................................... 36
2.3. Tính và chọn động cơ............................................................................................... 51


2.3.1 Tính chọn động cơ bàn X................................................................................... 51
2.3.2 Tính chọn động cơ cho trục Y............................................................................ 55
KẾT LUẬN...................................................................................................................... 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................60

Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
LỜI MỞ ĐẦU
Trong sự nghiệp cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật là vấn đề
quan trọng và cần sự quan tâm lớn. Mỗi ngành như cơ khí, điện tử, tin học đều có nền tảng khoa
học vững chắc và tạo ra các sản phẩm đặc trưng riêng. Tuy nhiên, yêu cầu của thời đại đặt ra
yêu cầu cao hơn về cách hoạt đợng của máy móc, u cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh
động hơn, uyển chuyển hơn và thông minh hơn. Việc sử dụng máy móc để thay thế sức lao động
của con người là một xu hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm chất
lượng cao. Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp. Sự xuất hiện của
máy CNC đã nhanh chóng làm thay đởi quá trình sản x́t cơng nghiệp. Các đường cong được
thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu truc phức tạp 3 chiều cũng được dễ dàng thực hiện
và một lượng lớn các thao tác của con người được giảm thiểu. Việc gia tăng tự đợng hóa trong
quá trình sản x́t tạo nên sự chính xác và chất lượng ngày càng cao. Máy CNC phổ biến hiện
nay như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC... Sự tiến bộ của kỹ
thuật, trí thông minh nhân tạo, điều khiển sớ tạo ra những máy CNC có nhiều trục chính như 3,
6 trục chính chuyển động ngày càng linh hoạt và khéo léo.
Đồ án thiết kế cơ khí này, em sẽ tìm hiểu về quá trình tính toán và thiết kế hệ thống dẫn
hướng máy phay CNC. Nhiệm vụ chính là tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống vít me bi, hệ
thống ray dẫn hướng, ổ bi và động cơ điều khiển cho các trục X, Y.
Thơng qua quá trình làm và hồn thiện đồ án em sẽ cố gắng đạt được một số kỹ năng như
kỹ năng giải quyết một vấn đề được đặt ra u cầu trước, tìm kiếm thơng tin phù hợp, mợt số kỹ
năng chuyên ngành như kỹ năng vẽ,tính toán chi tiết ...vv . Qua đó có thể tự tin giải quyết bất kì
vấn đề nào gặp phải sau khi ra trường. Đó là mợt kỹ năng mà bất kì kỹ sư Bách Khoa nào cũng
cần đạt được.
Do kiến thức còn hạn hẹp và lần đầu tìm hiểu đồ án, bản báo cáo này khó tránh khỏi những
thiếu sót nên em rất mong ḿn có được sự góp ý của thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn.


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH NGUN LÝ VÀ THƠNG SỐ KỸ THUẬT

1.1 Khái niệm về máy điều khiển số
Điều khiển số ra đời cách đây trên 30 năm đã tác động mạnh mẽ đến ngành cơ khí chế, đã tạo ra
những máy mới và công cụ tự động hoá kết cấu cơ khí mới. Máy điều khiển số CNC-Computer
Numerical Control là máy cơng cụ điều khiển theo chương trình sớ, quá trình gia cơng được
thực hiện mợt cách tự động. Trước khi gia công người ta đưa vào hệ thớng điều khiển mợt
chương trình gia cơng dưới dạng mợt chuỗi các lệnh điều khiển. Hệ thống điều khiển số cho khả
năng thực hiện các lệnh này và kiểm tra chung nhờ một hệ thống đo lường dịch chuyển của các
bàn trượt của máy.
- Các loại máy CNC phổ biến hiện nay gồm có:
+ Máy tiện CNC
+ Máy phay CNC
+ Máy gia công tia lửa điện CNC
+ Máy cắt dây CNC
-

Ưu điểm của máy CNC So với các máy công cụ truyền thớng, máy CNC có nhiều nét
ưu việt hơn, thể hiện ở các điểm sau:
+ Gia công được các chi tiết phức tạp hơn.
+ Quy hoạch thời gian sản xuất tốt hơn.
+ Thời gian lưu thông ngắn hơn do tập trung nguyên công cao và giảm thời gian
phụ.
+ Tính linh hoạt cao hơn.
+ Độ lớn loạt tối ưu nhỏ hơn.
+ Độ chính xác gia công cao và ổn định đều.
+ Chi phí kiểm tra giảm.
+ Chi phí do phế phẩm giảm.
+ Hoạt động liên tục nhiều ca sản xuất.
+ Giảm số nhân công.
+ Hiệu suất cao.
+ Tăng năng lực sản x́t.

+ Có khả năng tích hợp trong hệ thớng gia công linh hoạt.


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
1.2 Ngun lý hoạt đợng

Hình 1.1: Ngun lý dịch chuyển của bàn máy
-

-

Thông thường các bàn máy được gắn chặt với các gối trượt, dịch chuyển nhờ lực đẩy
của vít me và trượt trên hai thanh dẫn hướng. Khi động cơ hoạt động hệ thống vít me
di chuyển tạo lực đẩy các bàn máy di chuyển theo các phương được lập trình sẵn.
Cùng với đó là các sensor được gắn ở đầu động cơ để đo vận tốc và độ chính xác vị trí
của bàn máy báo về trung tâm hệ thống điều khiển.
Trong máy CNC, đặc biệt là máy phay cao tốc, việc đảm bảo điều kiện bền của các
thiết bị dẫn động là một phần rất quan trong trong quá trình tính toán và lựa chọn thiết
bị.

1.3 Kết cấu và hệ thống dẫn động máy CNC
- Kết cấu:
+ Bệ máy
+ Các bàn máy theo các trục X, Y, Z
+ Các hệ thống dẫn động như vít me bi, các hệ thống đường dẫn hướng tương ứng
theo các trục X, Y, Z
+ Các bộ điều khiển, động cơ bớ trí ở mỗi bàn máy,…

Hình 1.2: Sơ đồ chức năng của trung tâm gia công CNC 3 trục điều khiển số.
-

Thông thường, bàn máy gắn chặt với các gối trượt, dịch chuyển nhờ lực đẩy của vít
me và trượt trên hai thanh ray dẫn hướng. Trong các máy CNC, đặc biệt là máy phay
cao tốc, việc đảm bảo điều kiện bền của các thiết bị dẫn động là mợt phần rất quan
trọng trong quá trình tính toán và lựa chọn thiết bị.


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
1.4 Thành phần cơ bản.
1.4.1 Trục vít me - đai ốc bi.
Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến.

Hình 1.3 : Vitme đai ớc bi

Cấu tạo bợ truyền vít me - đai ớc bi hình trên bao gồm :
-

Trục vít me
Đai ớc
Dịng bi chủn đợng trong vít me - đai ớc
Ống hồi bi đảm bảo dịng bi tuần hồn liên tục.
Chủn đợng chạy dao tịnh tiến thường được dẫn động bằng các động cơ servo quay
thông qua cơ cấu biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến là : trục vit
me –

đai ốc bi.
-

Trục vit me – đai ốc bi đảm bảo truyền lực và chuyển động không khe hở, độ nhạy
cao.

Mỗi trục chuyển động có hệ thớng đo, khi đo gián tiếp thì đầu đo lắp ngay trên trục vit
me.
Đai ốc bi trên máy CNC thường được lắp ghép từ hai phần độc lập với nhau

Ưu điểm:
-

-

-

Khắc phục độ rơ khớp ren, chịu lực kéo với kết cấu đảm bảo độ cứng vững chiều trục
cao.
Độ tin cậy cao: kiểm soát chặt chẽ từ quá trình thiết kế, chuẩn bị, gia cơng, xử lý nhiệt,
mài, lắp ráp, kiểm tra, đóng gói.
Đợ chính xác cao: Tồn bợ quá trình chế tạo, lắp ráp và kiểm tra chất lượng vit me đai
ốc bị được kiểm soát ở nhiệt đọ ổn định (20℃) nhằm đảm bảo độ chính xác của trục
vit me đai ốc bi.
Tuổi thọ cao: Vật liệu chế tạo trục vít me đai ốc bị trải qua quá trình xử lý nhiệt, tơi,
phủ bề mặt nhằm tăng tuổi thọ của cơ cấu.
Hiệu suất làm việc cao: Cơ cấu vit me đai ốc thườn sử dụng ma sát lăn trong khi vit
me đai ốc bị sử dụng ma sát trượt, giảm 2/3 momen dẫn động.
Truyền dẫn không khe hở, độ cứng vững cao: Sử dụng dạng profin đặc biệt (đường
Gothic) nhằm tạo mối tiếp xuc tốt nhất giữa bi và rãnh trượt, có cơ cấu khử khe hở
giữa đai ốc và bi, giảm biến dạng đàn hồi, tăng cường cứng vững và độ chính xác
truyền động.


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
-

Tổn thất do ma sát bé, hiệu suất bộ truyền đạt tới 0,9 so với vít me đai ốc trượt là 0,2 ÷
0,4.

Nhược điểm:
-

Do đặc điểm cấu tạo mà trục vitme đai ớc bi có khẳ năng chịu tải kém hơn so với
vitme thường
Giá thành trục vitme đai ốc bi khá đắt, gây tốn kém

1.4.2 Ray dẫn hướng
- Ray dẫn hướng cùng với con trượt định hướng tịnh tiến của bàn máy thông qua
chuyển
động trượt của con trượt trên ray.
- Ray dẫn hướng được làm bằng hợp kim có đợ bền cao, bề mắt chịu mài mịn tớt.
- Yêu cầu thanh trượt phải thẳng, khả năng tải cao, đợ cứng vững tớt, khơng có hiện
tượng trơn, dính khi di chuyển

Hình 1.4: Ray dẫn hướng

Ray dẫn hướng ma sát trượt bôi trơn ướt
Hệ số ma sát nhỏ, tổn hao thấp, độ ổn định cao.
+ Độ cứng vững cao, giảm dao động, tăng tuổi thọ.
+ Đáp ứng được yêu cầu gia tốc của chuyển động chạy dao.
+ Đảm bảo được các dịch chuyển nhỏ tới 0.001mm
Đường dẫn hướng ma sát lăn
+

+ Tổn

hao ma sát nhỏ, độ nhạy cao, không khe hở.
+ Được tiêu chuẩn hóa, modul hóa, nâng cao chất lượng (vật liệu, các biện phát nâng cao
chất lượng bề mặt), nâng cao độ chính xác chế tạo lắp ráp .
+ Bôi trơn: phun sương dầu hoặc nhỏ giọt trực tiếp theo thời gian điều khiển
+ Đáp ứng được yêu cầu gia tốc lớn, dịch chuyển nhỏ, gián đoạn, tránh được ma sát trượt
kiểu bước nhảy khi ma sát giới hạn.
+ Khả năng chống quá tải, chống rung kém .

1.4.3 Động cơ
Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vịng lặp kín, bằng cơng nghệ sớ để tạo ra tốc
độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
Hệ thớng điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để
tang momen xoắn và gia tốc nhanh. Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có
thể tăng tớc đợ của trục chính lên rất nhanh.

Hình 1.5: Đợng cơ

Các loại động cơ trên máy CNC:
- Động cơ một chiều:
Ưu điểm: Momen khởi động lớn, dễ điều khiên tốc độ và chiều, giá thành rẻ.
Nhược điểm: Dải tốc độ điều khiển hẹp và phải có mạch nguồn riêng.
-Đợng cơ xoay chiều:
Ưu điểm:
+ Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều.
+ Đa dạng và phong phu về chủng loại, giá thành rẻ.
Nhược điểm:

+ Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an tồn,
momen khởi đợng nhỏ.
+ Mạch điểu khiển tớc đợ phức tạp.
-Động cơ bước:
Ưu điểm:
+ Điều khiển vị trí, tốc độ chính xác, không cần mạch phản hồi.
+ Thường được sử dụng trong các hệ thống máy CNC
+ Giá thành cao, momen xoắn nhỏ, momen máy nhỏ
- Động cơ servo:
Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Tín hiệu ra của đợng cơ
được nới 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 rachưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch
cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Loại đợng cơ này có một số đặc điểm chung như sau:
+ Momen quán tính nhỏ.
+ Đặc điểm động học tốt.
+ Thường được tích hợp sẵn cảm biến đo tớc đợ hay góc quay.
+ Có dải tần sớ cơng tác rợng 0÷400 Hz.
1.4.4 Các chi tiết của hệ trục
Có 3 phương pháp lắp đặt
- 2 đầu đỡ chặn : fixed-fixed


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC

Hình 1.6: Phương pháp lắp fixed-fixed

-

1 đầu đỡ chặn -1 đầu tùy chỉnh : fixed- supported

Hình 1.7: Phương pháp lắp fixed- supported
-

1 đầu đỡ chặn – 1 đầu để tự do : fixed – free

Hình 1.8: Phương pháp lắp fixed- free

- Ta chọn phương pháp thứ 2: fixed - supported - 1 đầu đỡ và 1 đầu tùy chỉnh
1.5. Hệ thống đo
Tuỳ thuộc vào loại thiết bị đo được sử dụng cũng như thước đo để phân biệt giữa đo vị trí trực
tiếp và gián tiếp cũng như giữa đo vị trí tuyệt đối và tương đối. Thước đo trực tiếp cho giá trị
đo chính xác nhất.
Khi đo vị trí trực tiếp thước đo được gắn trên xe dao hay trên bàn máy, vì vậy đợ khơng chính
xác của trục chính và khớp nối truyền động không ảnh hưởng tới giá trị đo.
Giá trị đo được nhận biết bởi mợt cảm biến quang học trên có chia vạch của thang đo. cảm
biến đo biến đổi các giá trị đo đã xác định sang tín hiệu điện và chuyển tiếp chung cho hệ

điều khiển. Hình 1.9: Đo vị trí gián tiếp
1.Bàn máy 2. Đĩa xung 3. Trục vít me bi 4. Cảm biến đo


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
-

Khi đo vị trí gián tiếp (xem hình 9) chuyển động dịch chuyển đạt được từ chuyển
động quay của trục vít me bi với một đĩa xung như là một thang đo. Chuyển động
quay của đĩa xung được ghi lại nhờ một bộ cảm biến và các tín hiệu này được chuyển
tiếp tới hệ điều khiển. Hệ điều khiển tính toán các chuyển động chính xác của bàn

máy cũng như các vị trí của chung từ các xung quay.

-

Khi đo vị trí tuyệt đới (xem hình 10) mợt thang đo đã mã hoá chỉ trực tiếp vị trí của
bàn máy so với một điểm định hướng cố định trên máy. Điểm này được coi là điểm 0
của máy do nhà chế tạo máy quy định. Với điều kiện, phạm vi đọc của thang đo lớn
như là phạm vi làm việc và mã hoá nhị phân được thực hiện trên thang đo, thì điều
khiển có thể xếp mỗi vị trí đọc được vào mợt giá trị sớ.

Hình 1.10: Đo vị trí tuyệt đới
1.Thang đo được mã hóa nhị phân, 2. Các vị trí tức thời của bàn máy
-

Khi đo vị trí gia sớ (xem hình 11) mợt thang đo được sử dụng với lưới vạch đơn giản
có các vùng sáng tối xen kẽ Khi chuyển động bước tiến ngang qua bợ cảm biến nó sẽ
đến sớ vùng sáng vùng tối và tính toán vị trí tức thời của bàn máy từ độ chênh lệch so
với vị trí bàn máy trước-đó.

Hệ điều khiển phải được nhận biết mợt lần vị trí tuyệt đới, từ đó nó có thể tính vị trí tức thời
của bàn máy với sự giup đỡ của phép đo vị trí tuyệt đới. Do đó, cần thiết phải một lần đưa máy
đến vị trí tuyệt đối này, mà trên máy được coi là điểm tham chiếu, sau khi bật hệ điều khiển.
Mỗi chuyển động của một trục, kể cả khi dịch chuyển bằng tay qua sử dụng bánh tay quay hay
nut bấm đều phải được hệ điều khiển nhận biết.

Hình 1.11: Đo vị trí gia sớ

Vì hệ điều khiển khi tắt máy thì sẽ mất sự kiểm soát qua các chuyển động cơ học, nên khi bật
máy việc đưa về điểm tham chiếu cần được thực hiện lại.

Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN VÀ LỰA CHỌN CÁC CHI TIẾT
Các thiết bị dẫn đợng có mợt vai trị 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 rất nhiều cơng thức cần thiết lập. Vì vậy, để tḥn tiện cho
công việc lựa chọn thiết bị dẫn động, trong chương này chung ta đi xây dựng công thức tính
toán và chương trình tính chọn các thiết bị dẫn đợng.
•
•
•
•
•
+
+
+
+
+
+
+
+
-

Nợi dung chương này gồm có:
Tính toán các thơng sớ cắt và lực cắt
Tính chọn gối trượt, thanh ray dẫn hướng.
Tính chọn vít me.
Tính chọn động cơ.
Tính chọn ổ đỡ
Các thông số đã cho:

Loại máy CNC: Phay
Chế độ cắt thử nghiệm tới đa SVT:
Phay mặt đầu
Dao có 6 lưỡi (z = 6), đường kính D = 80mm
Tiêu chuẩn quốc gia: JIS
Vật liệu S45C
Grade 4040
Vận tốc: v = 100m/ph
Chiều sâu cắt: t = 1,2 mm
Lượng chạy dao phut: F = 900mm/ph
Khối lượng lớn nhất của chi tiết: M = 300KG
Khối lượng bàn X:= 140 KG
Khối lượng bàn Y:= 250 KG
Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V 1 = 20 m/ph
Vận tớc chạy lớn nhất khi gia cơng có lực: V2 = 15 m/ph
Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 4 m/s2
Thời gian hoạt động: 05 đến 07 năm, lấy= 25000ℎ (xấp xỉ 5.7 năm)
2.1. Tính chọn ray dẫn hướng.

-

2.1.1 Quy trình tính tốn
Xác định điều kiện làm việc
Xác định kiểu
Tính toán tải trọng tác dụng
Tính toán tải trọng tương đương
Tính hệ sớ an tồn tĩnh
Kiểm nghiệm hệ sớ an tồn
Tính tải trọng trung bình
Tính t̉i thọ trung bình

Kiểm tra với t̉i thọ u cầu
Xác định độ cứng vững
Xác định độ chính xác
Bôi trơn và chống bụi


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
-

Hoàn thành
2.1.2 Hệ số tải tĩnh (C0)
Tải trọng tĩnh định mức C 0 được đặt theo giới hạn tải trọng tĩnh cho phép. Nó là tải trọng
tĩnh mà tại vùng tiếp xuc 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.
2.1.3 Mô men tĩnh cho phép M0
Mômen tĩnh cho phép M0 được đặt theo giới hạn của mômen tĩnh. Khi 1 mômen tác dụng
vào ray dẫn hướng, các vị trí bi lăn cuối cùng sẽ chịu áp lực lớn nhất giữa các áp lực phân bớ
trên tồn bợ bi lăn của hệ thống. Moment tĩnh cho phép M 0 là moment tĩnh mà tại vùng tiếp
xuc có ứng suất lớn nhất biến dạng dư bằng 0.0001 đường kính con lăn.

Hình 2.1: Momen tác dụng lên thanh ray

2.1.4 Hệ số an toàn tĩnh fs
Cơng thức tính :

hoặc
Trong đó:
+
+

+
+

C0: tải trọng tĩnh định mức (N)
P: tải trọng làm việc tính toán (N)
M0: momen tĩnh cho phép (Nm)
M: momen đã tính toán (Nm)
Các giá trị tham khảo của fs cho các máy công nghiệp thông thường và máy công cụ cho trong
bảng bên dưới:


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
Bảng 2.1: Bảng thông số điều kiện tải trọng
Loại máy
Điều kiện tải
Hệ số an tồn tĩnh (fs)
Máy cơng nghiệp
thơng thường

Normal loading condition

1.0 ~ 1.3

(Điều kiện tải bình thường)
With impact anh vibration

2.0 ~ 3.0

(Tác động và rung động)
Máy công cụ

Normal loading condition

1.0 ~ 1.5

(Điều kiện tải bình thường)
With impact anh vibration

2.5 ~ 7.0

(Tác động và rung động)
2.1.5 Hệ số tải trọng động C
Tải trọng định mức động C được sử dụng để tính toán tuổi bền dịch vụ khi hệ thống ray dẫn
hướng chịu tải. Tải trọng định mức đợng C được xác định như mợt tải trọng có hướng và đợ
lớn khi nhóm các ray dẫn hướng làm việc cùng điều kiện, t̉i bền trung bình cuả ray dẫn
hướng là 50 km (nếu bộ phận lăn là bi).
2.1.6 Tính tuổi bền danh nghĩa L
Tuổi bền danh nghĩa của ray dẫn hướng chịu ảnh hưởng của tải trọng làm việc thực tế. T̉i
bền danh nghĩa có thể được tính toán dựa trên tải trọng động định mức và tải trọng làm việc
thực tế. Tuổi bền của hệ thống ray chịu ảnh hưởng lớn của hệ số môi trường như độ cứng
vững của đường ray, nhiệt độ môi trường, điều kiện chủn đợng. Vì vậy, những thơng sớ
này có trong tính toán tuổi bền danh nghĩa.
Công thức ứng với:
+ Bàn bi lăn :

L

(2.2)

+ Bàn lăn đũa :

L

(2.3)

Trong đó :
+
+
+
+
+

hệ sớ cứng vững
hệ số nhiệt độ
hệ số tải trọng
C : hệ số tải trọng động (N)
P : tải trọng làm việc (N)
Để đảm bảo khả năng tải tối ưu của hệ thống ray, độ cứng vững của đường ray phải trong
khoảng HRC 58 - 64. Nếu đợ cứng dưới khoảng nói trên, tải cho phép và tuổi bền danh
nghĩa sẽ giảm. Vì lí do này, tải trọng đợng định mức và tải trọng tĩnh định mức sẽ được
nhân với hệ số cững vững trong tính toán. Bảng dưới đây là đồ thị độ cứng vững đảm bảo
HRC lớn hơn 58, do đó fH =1,0.
Với hệ sớ nhiệt : Khi nhiệt đợ điều khiển lớn hơn 100 độ C, tuổi bền danh nghĩa sẽ giảm
bớt. Do đó tải trọng đợng và tĩnh định mức sẽ được nhân với hệ số nhiệt độ


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
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
x́t.

Hình 2.2: Xác định hệ sớ nhiệt

Hệ sớ tải trọng : Mặc dù tải trọng làm việc của ray đã được 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. Do đó, xét đến tớc đợ chủn đợng và rung đợng, tải trọng động
định mức phải được chia cho hệ số tải trọng theo bảng ở trên.
Bảng 2.2: 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, đợng sẽ được nhân với hệ sớ nhiệt đợ 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.

+
+
+

2.1.7 Tính toán tuổi thọ làm việc theo thời gian
Sau khi xác định được tuổi thọ danh nghĩa, t̉i thọ phục vụ theo thời gian có thể được tính dựa
vào chiều dài hành trình và sớ chu trình là hằng sớ.
(2.4)
Trong đó:
L : t̉i bền danh nghĩa
: chiều dài hành trình
: tớc đợ (v/ph)

2.1.8. Hệ số ma sát
Ray dẫn hướng được điều khiển nhờ chuyển động của những viên bi lăn giữa ray và phần di

trượt. Lực cản ma sát được tính toán dựa trên tải trọng làm việc và lực cản chớt. Nói chung, hệ
sớ ma sát sẽ khác nhau giữa các sê ri khác nhau. Hệ số ma sát của sêri MSA và MSB trong
khoảng 0,002 tới 0,003.

F=

(2.5)


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
Trong đó :
+
: hệ sớ ma sát đợng
+ P : tải trọng làm việc
+ f : sức chịu vịng đệm
2.1.9 Tính tốn tải trọng làm việc
Trong đồ án này sẽ tính toán phần tải trọng làm việc theo phương án hai thanh ray dẫn hướng
cho mỗi bàn X Y nằm ngang

Hình 2.3: Hệ bàn máy nằm ngang có đặt phơi

2.1.10 Tính tốn tải trọng tương đương
Hệ thớng ray dẫn hướng có thể chịu tải và mơ men theo cả 4 hướng của tải trọng hướng tâm,
tải trọng đảo chiều hướng tâm, tải trọng mặt bên đồng thời. Khi hơn một tải trọng tác dụng lên
hệ thống ray đồng thời, mọi tải trọng khác sẽ hướng vào tâm hoặc mặt bên tương đương, cho
việc tính toán tuổi bền dịch vụ và hệ sớ an tồn tĩnh. Cơng thức tính toán như sau:
(2.6)
Trong đó:
+

: tải trọng tương đương

+

: tải trọng hướng tâm tác dụng mặt trên
: tải trọng tác dụng lên mặt bên

+

Mô men tác dụng được tính theo công thức :
(2.7)
+
+
+

Trong đó:
: tải trọng tĩnh định mức
M : momen tính toán
: momen tĩnh cho phép
2.1.11 Tính tải trọng trung bình
Cơng thức tính tải trọng trung bình:
(2.8)
Trong đó:

+
+
+

: tải trọng biến thiên
: khoảng dịch chuyển dưới tác dụng của Pn

L : tởng chiều dài dịch chủn
2.1.12 Tính tốn chi tiết.


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
Model tính toán:

Bảng 2.3: Model ray và con chạy ( catalog hãng PMI)
/>Tính tốn cho trục X
- Thơng số đầu vào :
Khối lượng:
Khối lượng phôi: m1 = 300 kg
Khối lượng bàn X: m2 = 140 kg
Vận tốc tối đa khi không gia công: v = 20 m/ph = 0,33 m/s
Các giai đoạn :
A.

,


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
Với
Hình 2.4: Sơ đồ phân bớ tải trọng lên ray dẫn hướng

Các đoạn di chuyển:
+ Tổng chiều dài dịch chuyển:= 860 mm
+ Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: = 410 mm
+ Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: = 286 mm
+ Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy theo phương song song với ray dẫn:
=202 mm

+ Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy theo phương vng góc với ray dẫn:
= 59,5 mm
+ Độ cao từ tâm trục vít me tới mặt bàn máy: = 149 mm.
+ Độ cao từ tâm trục vít me tới tâm phôi: = 332 mm.
- Chuyển động đều, lực hướng kính  :( tìm hiểu ý nghĩa của các ký hiệu trong công thức
Chú thích p1,2,3,4, )

- Chuyển động tăng tốc sang trái, lực:

:

- Tải phụ :

= = -80 (N)
= = 80 (N)
=
= 80 (N)
- Chuyển động giảm tốc sang trái

- Tải phụ :

:


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
=
=
=
=

= 80 (N)
= -80 (N)
= -80 (N)
= 80 (N)

=
=
=
=

= 80 (N)
= -80 (N)
= -80 (N)
= 80 (N)

- Chuyển động tăng tốc sang phải :

-Tải phụ :

- Chuyển động giảm tốc sang phải :

Tải phụ :

= = - 80 (N)
= = 80 (N)
= = 80 (N)

= = - 80 (N)
Tính tốn tải tương đương :
- Khi chuyển đơng đều :

-Tăng tốc sang trái :

-Giảm tốc sang trái :

-Tăng tốc sang phải :


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC

-Giảm tốc sang phải :

-Tính tải trọng trung bình :

= 671 (N)
= 2133(N)
= 1563 (N)
= 219(N)

- Tính hệ số an toàn tĩnh :

-Với máy công cụ ta chọn hệ số an toàn cao nhất:
Điều kiện tải trọng tĩnh :
= 2793 =6983 (N) = 7 (kN)
- Tuổi thọ danh nghĩa các băng trượt của ray dẫn hướng :
Bảng hệ số an toàn máy công cụ (chú thích)

Chọn hệ số an tồn = 1.5

Với

Trong đó
- Vậy :
Từ điều kiện về tải trọng tĩnh và tải trọng động ta tra trong catalog của nhà sản xuất PMI
chọn series: MSA 35 A
Với các thông số:
Hệ số tải động: C = 52 (kN); Hệ số tải tĩnh: = 75,5(kN)


Đồ án TKHT Cơ khí – Hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC
B. Tính tốn cho trục Y
- Thơng sớ đầu vào
Khối lượng:
Khối lượng phôi + khối lượng bàn X:  1 = 440 kg
Khối lượng bàn Y: 2 = 250 kg
Vận tốc tối đa khi không gia công:
Các giai đoạn :

,

Với

Hình 2.4: Sơ đồ phân bớ tải trọng lên ray dẫn hướng

Các đoạn di chuyển:
+ Tổng chiều dài dịch chuyển:= 500 mm
- Nếu bàn X nằm chính giữa bàn Y thì sẽ khơng 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 khới duy nhất có khới lượng bằng tởng hai
thành phần (mo+ mx) = 440 kg.

- Coi tâm bàn X, Y, dao cắt nằm trên cùng một đường thẳng.
Với 3 điều kiện trên, ta có các định vị sau :
- Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray : = 270 mm
- Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: = 504 mm
- Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy Y theo phương dọc ray dẫn : = 196 mm
- Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy Y theo phương vng góc ray dẫn : = 388mm
- Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt bàn máy : = 245,5 mm
- Độ cao từ tâm trục vít-me tới tâm phôi : = + chiều cao bàn X + ½ chiều cao phơi +
chiều cao cụm ray dẫn X = (245,5 + 93 + 183 + H) mm với H = 48 mm theo catalog của mã
MSA 35A → 6 = 569,5mm.
Các lực tác dụng trong quá trình gia công :
- Chuyển động đều, lực hướng kính ��: