Đề tài Tính Toán Thiế Hệ - dulieu.tailieuhoctap.vndulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/co-khi-che-tao-may/... · Tính Toán Thi ết Kế Hệ Thống ... 12

Đề tài 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

1

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



2

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.

Chiều rộng.

Chiều cao.

Trọng lượng.

2250 mm

2100 mm.

2368 mm.

4500 kg.

Bàn máy:

Kích thước bàn.

Chiều cao bàn.

Tải trọng lớn nhất.

840 x 400 mm.

780 mm.

300 kg.

Hành trình:

Hành trình trục X/Y/Z.

Khoảng cách từ tâm trục chính

đến cột.

Khoảng cách từ đỉnh trục

chính đến mặt bàn.

760/ 410/ 520.

438 mm.

130 540 mm.

Trục chính:

Động cơ trục chính.

Tốc độ trục chính.

Tỉ số truyền.

7.5 kW

80 80000 vòng/phút.

1:1

Động cơ chạy dao:



3

Kiểu động cơ trục X/Y/Z.

Công suất động cơ.

Tốc độ chạy dao.

Tốc độ chạy dao ngang.

Tốc độ cắt.

AC - 6/ AC - 6 / AC - 12.

1.0 kW/ 1.0 kW/ 2.1 kW.

20000 / 15000 mm/ phút.

5000 mm / phút.

Hệ thống thay dao tự động:

Dạng ATC.

Dạng chuôi dao.

Số lượng dao.

Đường kính lớn nhất của dao.

Chiều dài lớn nhất của dao.

Khối lượng lớn nhất của dao.

Hình tang trống.

BT- 40.

20/24.

100 mm.

250 mm.

7..8 kg.

Độ chính xác:

Độ chính xác vị trí.

Khả năng lặp chính xác.

Công suất yêu cầu.

0.001 mm/toàn bộ hành trình.

0.005 mm.

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



4

Hình 1. 2. Hình vẽ 2D của máy

Kết cấu thân máy và trục chính đang ở vị trí kẹp dao



5

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 ].



6

Hình 1. 4. Bản vẽ đài dao

Hình 1. 5. Mô hình đài dao



7

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



8

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 Ltrc = 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:



9

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:



10

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



11

- Tính toán và lựa chọn hệ thống xylanh khí nén dẫn động đài dao

- Kiểm tra độ bền cho hệ thống thay dao

Hình 1. 7. Sơ đồ quá trình tính toán hệ thống thay dao tự động

Lùa chän vµ bè trÝ trôc dÉn hø¬ng

KiÓm nghiÖm ®é bÒn cña trôc

B¶n vÏ kÕt cÊu cña hÖ thèng

Thay dao tù ®éng

KiÓm tra ®é an toµn vÒ h×nh häc

KiÓm tra ®õ¬ng kÝnh trôc chÝnh khi vµo thay dông cô

KiÓm tra lù¬ng më cña tay kÑp

TÝnh to¸n hÖ thèng dÉn ®éng Tang vµo thay dao

( HÖ thèng dÉn ®éng b»ng xylanh khÝ nÐn)

Lxl : Hµnh tr×nh lµm viÖc cña xylanh

D : ®õ¬ng kÝnh piston

d : ®õ¬ng kÝnh cÇn

TÝnh to¸n vµ lùa chän æ ®òa c«n ®Ó ®ì Tang

Lùa chän « bi ®Ó gi÷a trôcKÕt cÊu cña th©n ®ì

hÖ thèng thay dao

TÝnh to¸n vµ lùa chän ®éng c¬ quay ph©n ®é Tang chøa dao

n®c : sè vßng cña ®éng c¬

N®c : c«ng suÊt ®éng c¬

KÕt cÊu cña bé phËn chøa dao

KÕt cÊu cña Tang

TÝnh to¸n c¬ cÊu kÑp dao

.n

30

cos

R®

C¬ cÊu ®iÒu khiÓn - C¬ cÊu Man

Lm = kho¶ng çch gi÷a t©m cÇn vµ ®Üa Man

n : sè vßng quay cña cÇn

X¸c ®Þnh ® ,®

VÞ trÝ ®õ¬ng t©m cña Tang :

l1 : kho¶ng çch ®Õn th©n m¸y = L1

l2 : kho¶ng çch ®Õn t©m trôc chÝnh = R

X¸c ®Þnh b¸n kÝnh Tang :

RT = R - r - h

X¸c ®Þnh chiÒu cao Tang

HT : lÊy b»ng chiÒu cao cña ®µi dao tõ cæ 2

N

4 .

Dmax . N

X¸c ®Þnh b¸n kÝnh vßng trßn chøa dao :

R

VÞ trÝ çc dao cã gãc ph©n ®é :

X¸c ®Þnh gèc tÝnh to¸n cho hÖ thèng

L1 : kho¶ng çch tõ gèc tÝnh to¸n ®Õn th©n m¸y

L2 : kho¶ng çch tõ gèc tÝnh to¸n ®Õn trôc chÝnh

KÕt cÊu cña th©n ®ì HÖ thèng thay dao

N : Sè lù¬ng dao cña æ chøa dao N=16

Dmax : ®õ¬ng kÝnh lín nhÊt cña dao Dmax = 100 mm

BT40 : lo¹i chu«i dao (r b¸n kÝnh cæ cña ®µi dao)

m : khèi lù¬ng lín nhÊt cña dao 7..8 kg

Dtrc: ®õ¬ng kÝnh trôc chÝnh m¸y CNC D trc = 120mm

Lt : kho¶ng çch tõ t©m trôc chÝnh ®Õn th©n m¸y L t = 505 mm

H : hµnh tr×nh vµo lÊy dông cô cña trôc chÝnh H = 130 mm

KÕt cÊu th©n m¸y CNC

Ltd : Hµnh tr×nh cña hÖ thèng thay dao 250 mm

C¬ cÊu kÑp dao ( tay kÑp tr¸i-tay kÑp ph¶i-tÊm ®Þnh vÞ 'h' )

Ttd : thêi gian thay dao Ttd = 7,5 s

çc d÷ liÖu ®Çu vµo



12

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 Ltd= 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 :



13

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 > 2

C

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= 2

maxD=

2

120= 60 mm

N : số dao của ổ chứa N = 36 dao

Vậy :

R0 > 2

3840 = 611,15 (mm)

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)



14

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 = 32

4,3956

N

C= 123,6 (mm)

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



15

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.



16

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= 7,1072

75,316,123

2

CL (mm)

Để trục chính không va chạm vào các đài dao xung quanh thì phải thoả

mãn điều kiện sau :

TTrc L

2

7,1072

120

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:



17

Hình 1. 10a. Các thông số của tay kẹp



18

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



19

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:



20

Hình 2. 14. Quy trình kẹp dao

Mô hình 3D kẹp dao

o1

o2

o1

o2

A

B

o2

o1

VÞ trÝ ban ®Çu dao tiÕn vµo tay kÑp

VÞ trÝ cuèi



21

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 = 875,152

75,31

2

C (mm)

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

88,4823.2875,15.232

4,395622 hr

N

CL (mm)

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= 232

46

2

max

d (mm)

R1= 630 – 16 – 23 = 591 (mm)



22

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)



23

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

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



24

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:

625,532

180

o

Z

Do đó :

375,8432

180

2

180

2

oo

Z

Khi thiết kế góc 2T thực tế nhận được là tích số của góc 2 đã cho trước với

tỷ số truyền động i của cơ cấu Man :

2T = 2..i

ở đây 2T là góc quay thực tế.

Khi quay góc 2T sau một thời gian tT thì thời gian của cơ cấu Man tm sau một

góc 2 có thể tính :

i

tt T

m

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

to là :

2

2

Z

Z

t

t

o

m

Khi cần Man quay với tốc độ đều = const thì thời gian quay đúng một vòng

là :

n

T60

giây

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

bước.



25

Ta có :

Z

Z

T

tm

2

2

nZ

ZT

Z

Ztm

60.

2

2.

2

2

mtZ

Zn

30.

2 (vòng/phút)

Các thông số hình học của cơ cấu Man được xác định :

Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L :

52,522625,5cos

520

cos

RL (mm)

Lấy L = 525 (mm)

Chiều dài của rãnh đĩa Man :

h = L(sin + cos - 1) + r

h = 525.(sin5,625o+ cos5,625

o- 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 :

cos1

sin.

tg

Trong đó :

sinsin.

L

L

L

Rc

Vậy Tốc độ của đĩa Man có thể viết :



26

.

cos21

)(cos

cos1

sin2

arctg

dt

d

dt

dd

.

sincossin21

)sin(cossin2

d

Với = 5,625o thì:

.

cos196,001,1

)098,0(cos098,0

d

Gia tốc của đĩa Man :

2

22

2

2

2

.)cos21(

sin)1(

dt

dd

2

22

2

.)sincossin21(

sin.cos.sin

d

Khi bắt đầu và kết thúc thì = /2 - :

đ= 0

tgd ..

)sinsinsin21(

cos.sin 22

22

3

Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi

362,04

12

4

1cos

22

2

= 68,78

Vận tốc góc lớn nhất khi = 0o

sin1

.sin

d (rad/s)

Vậy khi cần Man quay đều với vận tốc góc thì đĩa Man sẽ quay không đều

với vận tốc góc đ và có gia tốc là đ,và có vận tốc lớn nhất khi = 0o và gia tốc

lớn nhất khi = 68,78o khi đó = 5,416

o



27

Với thời gian thay dao hệ thống là : 5/9 (s)

Trong đó :

- T = 5 (s) là thời gian thay dao nhanh nhất của hệ thống khi dao cần thay ở

gần vị trí thay dao nhất.

- T = 9 (s) là thời gian thay dao lâu nhất của hệ thống khi dao cần thay ở xa

vị trí thay dao nhất.

Thời gian thay dao của hệ thống gồm :

T = Txl + Ttrc + Tt + Ttr= 5 (s)

Txl = 2,5 (s) thời gian hành trình xylanh vào thay dụng cụ

Ttr = 0,5 (s) thời gian truyền tín hiệu

Ttrc = 0 (s) thời gian hành trình trục chính vào thay dụng cụ

Tt = tm+to= 0.5 (s) thời gian thay đồi một vị trí của Tang

Ta đi tính gia tốc góc và vận tốc góc cho đĩa Man.

88,0232

232

2

2

Z

Z

t

t

o

m

5.0 mo tt

tm = 0,23(s) ; to = 0,27(s)

Số vòng/phút của cần được xác định :

122,280,23

30.

16

15

t

30.

Z

2Zn

m

(vòng/phút)

Vận tốc góc của cần c :

8,1230

28,122.14,3

30

.

n (rad/s

2)

Vận tốc và gia tốc góc ở vị trí bắt đầu và kết thúc của đĩa Man :

đ= 0

15,1625,11.49,12. 22 o

d tgtg (rad/s2)



28

Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi

326.04

12

4

1cos

22

2

= 68,78 o

84,168,12.)625,5sin78,68cos625,5sin21(

78,68sin.625,5cos.625,5sin 2

22

2

ooo

ooo

d (rad/s2)

Vận tốc góc lớn nhất khi = 0o

39,1625,5sin1

8,12.625,5sin

o

o

d (rad/s)

c. Tính toán động lực học của cơ cấu Man

Khối lượng của Tang chứa dụng cụ :

GT= GĐ+32.GK+32+.GD+G

Trong đó:

GĐ: khối lượng của đĩa man là : 75 (kg)

GK: khối lượng của cơ cấu kẹp dao :GK= 2.GT+GC

GK= 2.0,35 + 0,1 = 0,8 (kg)

GD: khối lượng của một đài dao : 7 (kg)

G : khối lượng của các chi tiết phụ lấy = 10 (kg)

GT= 75 + 32.0,8 + 32.7 + 10 = 334,6 (kg)

Xét các lực tác dụng lên đĩa Man trong quá trình làm việc

Vậy trọng lượng của Tang chứa dụng cụ là :

PT = G.g = 334,6.9,81 = 3282,426 (N)



29

Hình 1. 17. Sơ đồ tính động lực học cơ cấu Man

Sơ đồ phân bố lực trên cơ cấu Man

Trong đó :

Pđ : Lực do cần khi quay tác dụng lên rãnh của đĩa Man

Pms: Lực masát tạ ổ côn do trọng lượng của Tang tạo ra

Pms= PT.f = 3282,426.0,02 = 65,65 N

f = 0,02 Hệ số ma sát của ổ đũa côn đỡ chặn

P : Lực của cần

Ro: Bán kính trung bình của ổ côn = 95 mm

Phương trình cân bằng momen với đĩa Man ứng với lúc đĩa Man có gia tốc

lớn nhất :

J.đmax= Pđ.E – Pms.Ro

Với :

Pms

const

®

P

P®



30

J : Mômen quán tính do khối lượng của một dụng cụ với đường tâm của

Tang

J = Jdc + d2.Gdc = 8,1.10

3 + 670

2.8 = 3150400

(kg.mm

2)

= 3150.10-3

(kg.m2 )

g : gia tốc trọng trường = 9,81 m/s2

d : khoảng cách từ tâm dụng cụ đến tâm của Tang chứa dao là 670

mm

max= 16,84 rad/s2 gia tốc góc lớn nhất của đĩa Man khi = 68,78

o

47,513cos...2 22 rrLLE (mm).

Pđ = 3318,5 (N)

Mômen tác lên trục của cần gạt :

M = Pc.r = 3318,5.29,26 .10 3 = 97099,31 (Nmm)

Công suất lớn nhất trên cần :

24.110.55,9

28,122.31,97099

10.55,9

.66

nM

N (kW) = 1240 W

1.2.3. Tính toán và lựa chọn ổ lăn.

Với kết cấu của hệ thống thay dao ta dùng một ô lăn dạng ổ bi đỡ một dãy và

một ổ lăn dạng ổ đũa côn. ổ bi chỉ chịu tác dụng của lực hướng tâm, còn ổ côn

chịu tác dụng của lực hướng tâm và lực dọc trục. ở đây lực hướng tâm không lớn

lắm so với lực dọc trục nên ta chỉ tính toán cho ổ côn còn ổ bi ta lấy theo kích

thước của ổ côn.



31

Hình 1. 18a. Sơ đồ bố trí ổ lăn trên hệ thống thay dao

a. Lựa chọn loại ổ lăn :

Với kết cấu của cơ cấu chứa dao ta thấy ổ lăn chỉ phải chịu tác dụng của lực

dọc trục, còn lực hướng khá nhỏ nên ta có thể bỏ qua.Vậy ta dùng ổ đũa côn đỡ

chặn.

b. Chọn sơ bộ kích thước ổ :

Với kết câu của Tang chứa dao ta lựa chọn ổ đũa côn cỡ đặc biệt nhẹ 2007114

( theo GOST 333-71 ) với các thông số : đường kính trong d1= 75 mm ; đường

kính ngoài D = 115 mm , khả năng tải động C = 120 kN , khả năng tải tĩnh Co=

108,8 kN

c. Tính kiểm nghiệm khả năng tải của ổ :

ổ chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của Tang và dụng cụ được gá đặt trên

Tang. Với hệ thống thay dao tự động không hoạt động liên tục, Tang quay với

vận tốc lớn nhất là = 3,5 rad/s, số vòng quay n = 8,6 vòng/phút,với mỗi lần



32

hoạt động Tang chi quay 1 đến 2 vòng , nên ta chỉ kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh

cho ổ .

Hình 2. 19. Sơ đồ ph n bố lực

Sơ đồ bố trí lực trên ổ

Trong đó :

G = 3282,426 N : trọng lượng của Tang

Fổ : phản lực tại ổ.

Ta kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh của ổ theo điều kiện sau :

QT Co

Với QT : Tải trọng tĩnh được tính theo công thức :

QT= Xo.Fr+ Yo.Fa.

Xo , Yo: Hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục

Xo = 0,5 ; Yo= 0,22.cotg = 0,22.cotg14,08o = 0,877

Fr : lực hướng tâm 0

Fa : lực dọc trục Fa = G = 1898 N

QT= 0,5.0 + 0,877.3282,426 = 2878,7 N < 108,8.103N

Vậy ổ lăn đủ bền.

d. Lựa chọn ổ bi lăn :

Với các thông số của ổ côn : d1= 75 mm , D = 115 mm

G

Fæ



33

Ta lựa chọn ổ bi đỡ một dãy loại 115 (theo GOST 8338-75) với các thông số

của ổ

d = 75 mm , D = 115 mm , B = 20 mm , C = 30,4 kN , Co = 24,6 kN.

1.2.4. Tính toán trục đỡ Tang [1]

a) Đường kính trục đỡ Tang được lấy theo đường kính trong của ổ lăn và bằng

:

D = 75 mm

Ta đi kiểm nghiệm độ bền của trục :

Trục đỡ Tang chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do khối lượng của Tang và

dụng cụ là PT =3724(N). Vậy ta chỉ đi kiểm nghiệm độ bền kéo của trục.

Hình 1. 20. Sơ đồ bố trí lực trên trục đỡ Tang

Vật liệu của trục là thép CT5 có giới hạn bền là b = 550 MPa , giới hạn chảy

là ch = 280 MPa.

Để kiểm nghiệm độ bền của trục ta tính theo công thức :

PT



34

F

PTk

Với 2 275 34

3509,94

F

mm2 = 35,099 cm

2

280106.0099.35

10.3724 3

k MPa

Vậy trục thoả mãn điều kiện bền.

Biến dạng dài của trục l được tính theo công thức :

10.36,9099,35.10.2

8,19.10.426,3282

.

.4

3

FE

LPl T cm = 9,26.10

-4mm

Trong đó:

L =198 mm : chiều dài trục

E = 2.104 kN/cm

2 : môđun đàn hồi của thép

1.3. Tính toán hệ thống dẫn động cho cơ cấu thay dao

1.3.1. Tính toán trục dẫn hướng [1]

Để dẫn hướng cho Tang chứa dụng cụ thực hiện quá trình thay dao, ta dùng

hai trục lắp trên thân đỡ để dẫn hướng. Sơ đồ bố trí 2 trục dẫn hướng trên hệ

thống thay dao:



35

Hình 1. 21. Sơ đồ bố trí trục dẫn hướng trên hệ thống thay dao

Sơ đồ bố trí trục dẫn hướng trên hệ thống thay dao

Với hệ thống thay dao đòi hỏi độ chính xác cao, trục dùng để dẫn hướng Tang

chứa dao tiến vào trục chính của máy để thay dao thông qua các bạc. Vậy ta có

thể coi trục chỉ chịu tác dụng của trọng lượng của Tang chứa dụng cụ, Động cơ

để truyền chuyển động quay phân độ Tang và thân đỡ Tang. Ta chọn vật liệu của

trục là C45.

Đường kính trục dẫn hướng được tính theo hai chỉ tiêu là độ bền uốn vào độ

võng lớn nhất cho phép. Đầu vào là khối lượng của hệ thống tang chứa dụng cụ,

và khoảng các giữa hai gố ổ cố định được lấy gần bằng hành trình dịch chuyển

của tang.

Đầu vào:

+ Lực của Tang và dụng cụ tác dụng lên trục dẫn hướng PT = 3282,426(N).



36

+ Vật liệu thép C45 với các thông số như sau: b = 600 (MPa), ứng suất xoắn

cho phép =12 20(MPa).

+ Chiều dài trượt: Ltd= 130 mm

Tính đường kính trục dựa trên độ bền uốn. Kết quả tính toán trong trường hợp

Tang và dụng cụ nằm tại vị trí giữa của trục dẫn hướng. Khi đó lực tác dụng lên

2 ổ đỡ sẽ là PT/2. Như vậy mô men lớn nhất là tại vị trí giữa của trục có độ lớn

M = PT/2.Ltđ.

3

0,1.tdM

d

,

Mtđ = 3282,426.130/2=2213357,69 (N.mm)

d ≥ 3

600.1,0

69,213357=15,26(mm)

Chọn đường kính trục nhỏ nhất dmin = 25 mm

Kiểm tra độ võng lớn nhất của trục bằng phương pháp nhân biểu đồ

Vêrêsaghin. Xây dựng các biểu đồ mô men Mp và Mk.

Hình 1. 22. Biểu đồ mô men



37

3 3

5 4

.1 1 1862.130. . . . 0,12

. 2 2 4. 4.2,1.10 .0,05.30

T tdTtd td td

P LPf L L L mm

E J EJ

1.3.2. Tính toán và lựa chọn xylanh khí nén cho chuyển động của đài dao [2]

Trong quá trình thay dao tự động ta cần thực hiện chuyển động tịnh tiến của

Tang về phía trục chính.Với tải trọng của Tang và dụng cụ không lớn, chỉ thực

hiện quá trình chuyển động thẳng nên để tạo ra chuyển động của Tang về phía

trục chính ta dùng hệ thống xylanh khí nén

a. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén

Hình 1. 23. Sơ đồ nguyên lý hệ thống dẫn động khí nén

Nguyên lý hoạt động :

Khi có lệnh thay dao, tín hiệu sẽ được truyền xuống động cơ khí nén sẽ hoạt

động. Khi đó bơm khí nén 2 sẽ hút không khí từ ngoài qua van lọc thô 1 và đầy

với áp suất pb được đo trên đồng hồ đo áp 3 qua hệ thống van lọc tinh 4, van điều



38

áp 5 và van tra dâu 6 với áp suất p1. Dòng khí sẽ qua van đảo chiều 4/3 được

điều khiển bằng điện từ qua đường ống dẫn khí lên xylanh-piston 8 tạo ra

chuyển động đài dao tiến vào và lui ra xa trục chính.

Quá trình chuyển động của piston được điều chỉnh nhờ van đảo chiều 5. Khi

van đảo chiểu ở vị trí (a) nguồn khí nén sẽ từ cửa P của van đi qua cửa A và dẫn

lên buồng A của xylanh với áp suất p đầy piston di chuyển sang phái với vận tốc

vo, dòng khí bên buồng B sẽ truyền qua các ống dân khí về của B của van đảo

chiều và qua của T của van ra ngoài. Piston di chuyển với hành trình Lxl= 250

mm được đo bởi hai cảm biến vị trí. Sau khi piston di chuyển với hành trình Lxl

tín hiệu từ cảm biến vị trí sẽ được xử lý và truyền về van đảo chiều, van đảo

chiều chuyển sang vị trí (o) khi đó piston sẽ đứng im, ở vị trí này nguôn khí nén

không được dẫn động nên xylanh-piston. Khi đó hệ thống thay dao thực hiên quá

trình quay phân độ dụng cụ vào vị trí thay dụng cụ và quá trình trục chính di

chuyển vào kẹp dụng cụ.

Sau khi thực hiện qúa trình thay dụng cụ ở trục chính, tin hiệu được truyền về

van đảo chiều, van đảo chiều chuyển sang vị trí (b). Khi đó dòng khí nén từ

nguồn khí truyền từ cửa P sang cửa B của van và được dẫn lên buồng B của

xylanh với áp suất p, đẩy piston di chuyển sang trái. Dòng khí từ buồng A của

xylanh được dẫn về cửa A và qua cửa T của van đảo chiều ra ngoài. Piston di

chuyển với hành trình Lxl được đo bằng cảm biến vị trí, tín hiệu từ cảm biến sẽ

qua xử lý và truyền về dừng động cơ. Quá trình dẫn động khí nén kết thúc.

Trong hệ thống dẫn động khí nén, van lọc có tác dụng tách các phần tử chất

bẩn và hơi nước ra khỏi khí nén. Van điều áp có tác dụng giữ cho áp suất lên

xylanh được điều chỉnh không đổi ở áp suât p. Van tra dầu có tác dụng giảm lực

ma sát, sự ăn mòn và sự gỉ của các phần tử trong hệ thống điều khiển bằng khí

nén.



39

b. Tính toán hệ thống dẫn động khí nén

Các dữ liệu ban đầu:

- Hành trình xylanh Lxl = 250 mm

- Thời gian dẫn động T = 0.5 (s)

- Đường kính cần piston d = 32 mm

- Tải trọng đáp ứng: PT = 3282,426(N)

Dùa vµo çc th«ng sè ®Ço vµo gåm hµnh tr×nh xy lanh, ®êng kÝnh piston, tra

b¶ng trªn catalogue cña h·ng festo sÏ chän ®îc xy lanh khÝ nÐn cã tªn phï hîp

víi çc th«ng sè kü thuËt sau:



40

1.4 Sơ đồ khối thuật toán điều khiển trả dao ,lấy dao ,các chương trình con

1.4.1: Sơ đồ trả dao

Chương trình con 1:




Chương trinh con 5:

Start

T@M06

Định hướng trục chính

Trục chính → điểm T

Tìm đúng hốc chứa dao

Xoay đài dao

Đài dao di chuyển A → B

Trục chính nhả dao

Trục chính → home

ổ dao → A

End



41

1.4.2 Sơ đồ lấy dao:


Đài dao → A



Tìm đúng hốc chứa dao

Xoay đài dao

Trục chính kẹp dao


T@M06

Start

End



42

1.4.3 Sơ đồ kết hợp lấy dao và trả dao:

Start

T@M06


Tìm đúng hốc chứa dao cần trả

Xoay đài dao




Trục chính nhả dao

Tìm dao được gọi, xoay đài dao

Đài dao di chuyển B → A



43

1.4.4Sơ đồ thuật toán các chương trình con

a )Định hướng trục chính:

End


Start

I6=0

Động cơ dẫn động trục chính

I6→1

T1<5s

Quay trục chính

C1=3

Dừng

Lưu vào I064

Báo lỗi M001

Kết thúc



44

b) Trục chính → T:

I064

C58=0

Động cơ dẫn hướng trục

C58→1

Dừng

Lưu vào I065



45

c) Đài dao di chuyển A→B:

I066

I1=1

I2=0

Xi lanh khí nén

I1→0

T2<5s

I2→1

Dừng

Lưu vào I067

Báo lỗi M002

Kết thúc



46

d) Trục chính nhả dao:

I067

I3=1

I4=0

Động cơ khí nén hoạt động

I3→0

I4→1

Dừng

Lưu vào I068



47

e) Tìm đúng hốc chứa dao, quay đài dao:

I065

Rx=j

J >16

T3>10s

i >16+j i >j-16

Động cơ quay

ngược chiều

kim đồng hồ

Động cơ quay

thuận chiều

kim đồng hồ

Động cơ quay

thuận chiều

kim đồng hồ

Động cơ quay

ngược chiều

kim đồng hồ

N N N Y

Y Y

I5=1

Rx=Rx +1

N

C5=1 C5 =1 C5=1

Rx=i

Dừng

Lưu vào I066

T3>10s

I5=1

Rx=Rx -1

Rx=i

Dừng

Lưu vào I066

T3>10s

I5=1

Rx=Rx -1

C5=1

Rx=i

Dừng

Lưu vào I066

T3>10s

I5=1

Rx=Rx +1

Rx=i

Dừng

Lưu vào I066

N N N

Báo lỗi

M003

Y Y Y Y



48

Bảng biến

Tên biến Ý nghĩa Giá trị

ban đầu

I1 Sensor cữ hành trình bên trái đài dao 1

I2 Sensor cữ hành trình bên phải đài dao 0

I3 Sensor nhận biết quả đấm bên trên 1

I4 Sensor nhận biết quả đấm bên dưới 0

I6 Sensor định hướng trục chính 0

T1 Timer đếm thời gian định hướng trục chính Giá trị

đếm

5(s)

T2 Timer đếm thời gian di chuyển đài dao A→B Giá trị

đếm

5(s)

T3 Timer đếm thời gian quay chọn đài dao của đâì dao Giá trị

đếm

10(s)

I5 Sensor đếm một lần dụng cụ đi qua nó sẽ trả tín hiệu về

Rx Giá trị đếm mà I5 trả về sẽ ghi vào Rx

I064 Tín hiệu dừng trục chính lưu vào I064, cũng là đầu vào

của chương trình tiếp theo

0

I065 Tín hiệu trục chính →T lưu vào I065

Tín hiệu đầu vào cho một chương trình tiếp theo

0

I066 Lưu tín hiệu dừng quay đài dao

Tín hiệu bắt đầu ch chương trình sau

0

I067 Lưu tín hiệu đài dao di chuyển đến B 0

I068 Lưu tín hiệu trục chính nhả dao 0

M001 Lỗi quá thời gian dẫn động trục chính

M002 Lỗi quá thời gian di chuyển đài dao

M003 Lỗi quá thời gian quay đài dao



49

M004 Lỗi quá thời gian di chuyển xi lanh

K1,K2 2 cuộn hút để điều khiển van đảo chiều

Y1,Y2 Nam châm hút con trượt khi cuộn K1, K2 có điện

T37 Timer đếm thời gian di chuyển xi lanh

I8, I9 2 sensor cữ bên trái, phải của xi lanh

C5 Count sẽ đếm khí nhận được tín hiệu từ I5

i Dao cần được lấy

j Dao đang ở vị trí chờ thay dao



50

2 Bản vẽ sơ đồ điều khiển điện ,khí nén :

2.1 Bản vẽ sơ đồ khí nén :

Sơ đồ nguyên lí và chương trình điều khiển



51

2.2 Bản vẽ sơ đồ điều khiển điện :

Điều khiển động cơ quay đài dao dùng PLC :

Sơ đồ điều khiển động cơ quay đài dao

Điều khiển động cơ dẫn động trục chính ( điều khiển NC)



52

3) Mô phỏng hệ thống :

Dưới đây trình bày quy trình mô phỏng quá trình lấy dao bằng Motion

Study trong phần mềm Solidworks,quy trình mô phỏng thay dao và trả dao

chúng ta làm tương tự:

Bước 1: Chuẩn bị file lắp ghép,chuyển trục chính về home chọn New Motion

Study:

Bước 2: Tạo chuyển động quay của đài dao đến vị trí dao cần lấy:

- Một cửa sổ mới được tạo ra ở cuối màn hình là bảng thuộc tính chuyển

động,chúng ta kéo thanh thời gian chọn 4 s để cho đài dao chuyển động quay

tìm dao cần lấy:

- Chọn đĩa man,giữ chuột trái,kéo cho đĩa man quay đến khi dao cần lấy có trục

trùng với hốc trục chính(nhín theo hứng song song với trục chính),sau đó thả

chuột ra:

Bước 3: Tạo chuyển động tịnh tiến của cụm đài dao:

- Thực hiện kéo giá đỡ động di chuyển tịnh tiến như bước 1 với thời gian 2 s:



53

Bước 4: Tạo chuyển động của trục chính động từ vị trí home vể vị trí thay dao:

- Tương tự ta kéo trục chính xuống vị trí thay dao trong 2 s như bước 1

Bước 5: Tạo chuyển động vể của cụm đài dao về vị trí gốc và dao được lấy bị giữ

lại trên trục chính:

- Chọn đài dao được lấy,sau đó ẩn liên kết giữa đài dao và tay kẹp dao đi:

- Tạo liên kết đài dao được chọn với trục chính để trục chính giữ dao lại:

- Chọn đài dào vừa tạo liên kết vào tab thuộc tính chuyển động ta kéo 2 thuộc

tính liên kết vừa tạo đến thời gian bắt đầu thực hiện liên kết là 8(s):

-

Chọn giá đỡ động của đài dao vào kéo nó về vị trí gốc và ta cho nó chuyển động

trong 2

Bước 6: Tạo chuyển động của trục chính động về vị trí gia công:

- Chọn trục chính động vào kéo nó xuống vị trí gia công ta tạo được chuyển động

của nó từ giây thứ 10 đến giây thứ 12 :

-

Bước 7: Xuất video mô phỏng:

- Nhấn vào biểu tượng xuất video như hình dưới:



54

- Chọn tỉ lệ màn hình xuât video 16:9,chọn save để lưu

Quá trình tạo video bắt đầu,trong quá trình tạo video chúng ta quay con lăn của chuột

để phóng to,thu nhỏ để thu được video theo mong muốn:

Tài liệu tham khảo

1. toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí T1,T2, Trịnh Chất, Lê Uyển

2. Standard cylinders DNG, DNGL, DNGZK, DNGZS, ISO 15552 - FESTO



55

3. Motion control servo motor - SIEMENS

4. Geneva well Mechanism

5. http://www.maritool.com/Tool-Holders/c23/index.html

6. Optimization of kinematic characteristic of geneva mechanism by genetic

algorithm, M.heidari, M.Zahiri, and H.Zohoor

http://www.maritool.com/Tool-Holders/c23/index.html

Documents

Đề tài Tính Toán Thiế Hệ - dulieu.tailieuhoctap.vndulieu.tailieuhoctap.vn/books/khoa-hoc-ky-thuat/co-khi-che-tao-may/... · Tính Toán Thi ết Kế Hệ Thống ... 12