Chương Máy cơng cụ ĐKS- Phân tích động học kết cấu 3.1 Cấu trúc tổng thể Máy cơng cụ ĐKS Các Máy cơng cụ ĐKS có bố cục tương tự máy công cụ truyền thống, trừ số trường hợp, cấu trúc tổng thể Máy có thay đổi định phù hợp với vị trí hệ thống sản xuất, ví dụ tính thuận tiện bố trí cấu cấp thay tự động dụng cụ cấp, tháo phôi tự động H3.1: Máy phay điều khiển chương trình số PC Mill 155 3.2 Phân tích đặc điểm động học hệ thống truyền động Máy cơng cụ ĐKS Ngồi nhiệm vụ truyền cơng suất cắt gọt hay công suất chạy dao cần thiết, hệ thống truyền động Máy phải cung cấp phạm vi điều chỉnh tốc độ vô cấp đủ rộng đáp ứng tiêu chuẩn đặc tính động lực học Máy Để thoả mãn yêu cầu trên, nguồn động lực chọn thường loại động điện chiều động bước, động điện xoay chiều dùng kèm với thiết bị biến tần 3.2.1 Các đặc điểm hệ thống truyền động dùng động chiều (DC) Hệ thống truyền động loại nầy cung cấp phạm vi điều chỉnh tốc độ cần thiết cách mắc nối tiếp nguồn động lực điều chỉnh vô cấp với hộp tốc độ truyền động phân cấp Nhờ vậy, hệ có đường truyền ngắn bảo đảm phạm vi tốc độ trục • Mắc nối tiếp nguồn vô cấp với hộp tốc độ phân cấp Đây phương pháp ứng dụng rộng rãi Giả sử nguồn vơ cấp có phạm vi điều chỉnh RB = n 'max ghép nối tiếp với 1hộp tốc độ phân cấp có q tỉ số truyền i1, i2, ,iq n 'min 54 Chọn nhóm vơ cấp làm nhóm sở, RB =ϕ Tương ứng với tỉ số truyền i1, i2, ,iq ta có q phạm vi thay đổi tốc độ trục ra: i1 n 'min → i1 n 'max i n 'min → i n 'max KKKKKK i q n 'min → i q n 'max Cần tìm quy luật phân bố tỉ số truyền i n'min i1 n"max i3 i2 nmin C n'max B C B C B nmax H3.2: Lưới kết cấu Hộp Tốc Độ Ví dụ cho trường hợp hộp tốc độ có tỉ số truyền i1, i2, i3 Đối với nhóm truyền vơ cấp, i phụ thuộc vào tải trọng, chịu tải, truyền phân cấp tạo khoảng trống khơng có tốc độ Nhiệm vụ thiết kế phải bảo đảm điều kiện tốc độ liên tục, hay nói cách khác, nB ≡ nC nB = n'min i2 Ta có : nC = n'max i1 Điều kiện : nB ≤ nC ⇒ i2 ≤ n 'max i1 = RB i1 n 'min (3.1) i3 ≤ RB i2 = R i1 B Tương tự : Một cách tổng quát : ⇔ iq ≤ R q −1 i1 ⇒ B iq i1 = R A ≤ R q −1 B (3.2) iq = (kR B )q −1 i1 với k ≤ q : số cấp tốc độ hộp tốc độ phân cấp (3.3) 55 Do vậy, tỉ số truyền phân cấp phân bố theo quy luật cấp số nhân có cơng bội ϕ = kRB • Xác định q : Phạm vi điều chỉnh tỉ số truyền phân cấp : RA= iq i1 = (kR B ) q −1 (3.4) Nếu gọi R phạm vi điều chỉnh chung : R=RARB , ta có : R lg R lg R q −1 = (kR B ) ≤ R q −1 ⇒ q ≥ hay q = B RB lg R B lg R B Cũng xác định giá trị hệ số k Bởi k q −1 R q = R ⇒ k = B W = % RB q −1 (3.5) R q −1 = (kR B ) , ta có : RB R tỉ lệ trùng tương đối W điểm tiếp giáp BC : RB n 'max i q −1 − n 'min i q (n 'max − n 'min )i q −1 100 ; Thay iq=kRB iq-1 n 'max − n 'min kR B R (1 − k ) W = 100 = B 100 ' ' R B −1 (n max − n ) ⇒ % (3.6) Ví dụ : Thiết kế hệ thống truyền động cho máy CNC động cho phép biến đổi vơ cấp tốc độ từ (1200 ÷3000)vg/ph ghép với hộp tốc độ cho số vòng quay trục nmin = 40vg/ph nmax = 1600vg/ph Giải : n max 1600 3000 = = 40 ; RB= = 2,5 1200 n 40 lg R lg 40 = =4 Số cấp tốc độ hộp tốc độ : q = lg R B lg 2,5 Các phạm vi điều chỉnh R= Hệ số k = RB q −1 R 40 = ≈1 R B 2,5 2,5 Do ϕ = kRB = 2,5 Hộp tốc độ có PAKG 2×2 PATT I II (1) (2) Lưới kết cấu nhận H3.3.Từ lưới kết cấu, tiến hành vẽ đồ thị vịng quay, tính 56 H3.3: Lưới kết cấu toán số hộp phân cấp, vẽ sơ đồ động theo cách máy công cụ truyền thống (H3.4a,b) 3.2.2 Các đặc điểm hệ thống truyền động dùng động bước Đối với động bước, góc bước δđ/c có mối quan hệ với chuyển vị đơn vị cấu chấp hành theo biểu thức : ∆s = δđ/c i kv : i= nc với n đc (3.7) nc , số vòng quay trục hộp giảm tốc [vg/s] n đ/c, số vòng quay động bước [vg/s] kv : hệ số phụ thuộc vào cấu dẫn, cấu dẫn vít me-đai ốc, ta có: kv=tx, với cấu dẫn truyền bánh răng-thanh răng, kv= πmz , m z mô đun số bánh dẫn động 57 Gọi Vs [mm/ph] : tốc độ chạy dao bàn máy, kv xác định theo biểu thức: kv= Vs [mm] 60n c Lựa chọn thông số động học hệ thống truyền động dùng động bước cần vào : • Độ xác động học yêu cầu, tức phải bảo đảm ∆s ≤ [∆s] [ ∆s ] [∆s]: sai số cho phép lớn cấu chấp hành, hay ikv ≤ δ đc M ikv ≤ η • Khả truyền lực kéo cần thiết, hay Q M1: giá trị trung bình momen động bước (3.8) (3.9) Q : lực kéo lớn ; η: hiệu suất truyền dẫn • Khả thực tốc độ chạy dao nhanh bàn máy ikv ≥ Vs max fδ đc (3.10) Chọn tỉ số truyền i hộp giảm tốc phải ý đến yếu tố động lực học hệ truyền động 3.3 Phân tích đặc điểm kết cấu Cấu trúc hệ truyền động Máy ĐKS bao gồm động cơ, thành phần truyền động hệ điều khiển Hệ điều khiển nhận liệu đầu vào dạng lệnh, ví dụ lệnh nhiễu ĐẦU VÀO chuyển động máy ( mã hoá ) ĐẦU RA MÁY hệ điều khiển Các chuyển động máy mơ tả theo tín hiệu mã hố chuyển động thực tế Đáp ứng phần cứng theo lệnh gởi đến H3.5: Cấu trúc máy công cụ ĐKS chuyển động dẫn tập hợp tọa độ điểm không gian mà dụng cụ cần 58 qua , xử lý biến đổi liệu nầy thành tín hiệu điều khiển động sau qua số hệ thống hệ chấp hành, ví dụ mạch khuếch đại cơng suất, mạch biến đổi dòng Tiếp đến hệ truyền động học, phần lớn sử dụng truyền bánh răng, đai răng, trục truyền, vít me cấu chấp hành (bàn máy mang phôi, trục gá dao )(H3.5) Đầu hệ truyền động chuyển động máy thực tế theo trục, đáp ứng hệ đầu vào, cho đầu vào ( đại lượng dẫn ) biến đổi, đầu phải theo kịp biến đổi nầy thời gian ngắn Do vậy, muốn xác định đặc tính làm việc hệ thống truyền động Máy, cần phân tích mơ hình thiết lập cho hệ để tìm mối quan hệ đại lượng đầu vào cung cấp đại lượng đầu ( chuyển động thực tế ), qua yếu tố chi phối hoạt động đánh giá chất lượng hoạt động toàn hệ Gọi biến đầu vào hệ u(t) đại lượng thay đổi theo thời gian t Bài toán điều khiển cho biết với đầu vào u(t), ta nhận đáp ứng định hay đầu y(t) • Hệ thống truyền động phân loại toán điều khiển: Giả sử chuyển động tịnh tiến dọc trục thực cách dùng động bước ghép nối tiếp với truyền vít me - đai ốc bi cung cấp chuyển động cho bàn máy mang chi tiết Để có lượng dịch chuyển cần thiết, phải chọn góc bước cho động số bước đơn vị thời gian xác định thông số động học hệ thống truyền động Các thành phần hệ bao gồm động cơ, trục, vít me bàn máy ( H3.6) H3.6: Các thành phần hệ thống truyền động Lượng dịch chuyển bàn máy dễ dàng tìm dựa vào mối quan hệ thông 59 số động học hệ chọn biết, hệ thống vòng hở Tuy nhiên, giá trị thực tế số bước nhận được, tốc độ bước quãng đường dịch chuyển thường khác so với tính tốn Tốc độ đầu phụ thuộc vào tải kéo, khe hở hệ truyền động trễ hiệu đặt vào bàn máy bắt đầu chuyển động… Có thể hiệu chỉnh sai lệch cách chọn động có chất lượng tốt biết nguồn gây sai lệch ảnh hưởng chúng nào, ta thiết kế hiệu chỉnh cho chúng, chẳng hạn biết nguồn nhiễu với tác động đến lượng dịch chuyển cần thiết, ta thêm bớt số bước động để bù trừ Đây toán điều khiển thuận Một phương pháp điều khiển khác dùng hầu hết máy công cụ thay việc xác định số bước cách đo liên tục vi ̣trí thực tế, so sánh với vị trí mong muốn hiệu chỉnh sai lệch Điều nầy có nghĩa vị trí thực tế kiểm tra tín hiệu nhận biết sai lệch, hệ sau có tác động hiệu chỉnh để làm giảm sai lệch nầy Cũng lấy ví dụ cần thực chuyển động tịnh tiến theo trục, sử dụng hệ thống truyền động có phản hồi Nguồn động dùng loại động điện chiều cung cấp chuyển động cần thiết cho bàn máy hay dụng cụ cắt (H3.7) H3.7: Các thành phần hệ thống truyền động có phản hồi Để xác định yếu tố ảnh hưởng đến lượng dịch chuyển bàn máy, cần thiết lập mơ hình hệ • Các mơ hình thành phần hệ + Hệ bậc : Đầu hệ vị trí góc trục động θ hay tốc độ góc ω rad/s 60 đầu vào hiệu Vi(t) Ở động cơ, hiệu đặt vào Vi(t) cung cấp dòng điện ia(t) qua cuộn dây quấn phần ứng từ trường Momen sinh tỉ lệ với dòng theo biểu thức: M1 = km i a (3.11) km : số momen động Bỏ qua ma sát, toàn momen dùng để kéo trục động mang tải, mơ tả hoạt động động sau kmia(t) = J dω dt (3.12) với J: momen quán tính động với trục mang tải Mạch điện bên động có thành phần (như khảo sát Chương 1): Eb = keω (3.13) Eb sức phản điện Coi điện áp rơi cuộn cảm bé so với điện áp điện trở Ra, ta viết: Vi- Eb = iaRa (3.14) Giải (3.14) để tìm ia thay ia với (3.13) vào (3.12): V JR a dω +ω = i ke k m k e dt (3.15) Phương trình phương trình vi phân bậc biểu thị quan hệ hiệu cấp cho động Vi tốc độ đầu động ω Nhận xét hệ số số hạng JR a kmke − thành phần số số hạng số − đơn vị hệ số nầy thời gian, ̣( giây đơn vị ω rad/giây) − số hạng nầy gọị số thời gian, T , hệ Mơ hình động biểu thị dạng tổng quát: T cVi dω + ω = ke dt (3.16) Ở trạng thái xác lập ( khơng có thay đổi chuyển động hay thay đổi hiệu), ta có: cVi dω = ω = ωss = ke dt c gọi hệ số khuếch đại động Kết nầy đáp ứng xác lập 61 mơ hình đầu vào dạng nấc Điểm ý đáp ứng hệ phụ thuộc vào hệ số c động số thời gian hệ T Khi mô tả hoạt động hệ thống, thường xử dụng đặc tính đáp ứng nấc-đáp ứng đầu vào nấc hay nói cách khác biến đầu vào hệ thay đổi nhanh từ giá trị cố định nầy sang giá trị cố định khác Ứng dụng đáp ứng nấc cho mơ hình động để − xác định giá trị hệ số khuếch đại đầu ( hệ số khuếch đại tĩnh) − đánh giá biến đổi đầu trước hệ tiến đến trạng thái xác lập (đáp ứng độ) Với đầu vào nấc từ → thời điểm t= ; điều kiện đầu tốc độ góc ω = 0, đáp ứng lý thuyết động lời giải phương trình vi phân bậc mơ hình động : T cVi dω + ω = ; Vi = t< 0; Vi = t≥ ke dt Kết nhận được: t − ⎞ ⎛ ⎜1 − e T ⎟ ω = ωss ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ Cũng trình bày kết theo tỉ lệ tốc độ (3.17) (3.18) ω( t ) Thời gian tính theo đơn vị ωss số thời gian T Lời giải phương trình mơ tả mơ hình cịn dùng để phân tích cho số trường hợp cần thiết, ví dụ muốn đánh giá đáp ứng động đầu vào chịu kích thích hình sin tần số đó… Phương trình (3.17) đặc trưng cho hệ khảo sát phương trình vi phân bậc có đầu vào-một đầu với giả thiết đáp ứng thành phần khơng có trễ Một cách tổng quát, hệ nầy gọi hệ bậc + Hệ bậc hai: Hệ thống truyền động Máy gồm động cơ, thành phần truyền động với cấu chấp hành bàn máy hay trục dụng cụ (H3.8 )̣ Cấu trúc thu gọn hệ thống truyền động có phản hồi H3.9 Vị trí bàn máy phải đo cách liên tục thông tin nầy dùng để dẫn lệnh chuyển động Hệ thống truyền động quy đổi tính tốn H3.10, đó: b: hệ số ma sát tương đương ktđ : độ cứng tương đương hệ 62 Tín hiệu điều khiển Hộp giảm tốc Động θo θi Tải Trục truyền H3.8: Mơ hình hệ thống truyền động Bộ so sánh Tín hiệu chuẩn sai lệch tốc độ Bộ điều khiển + KĐ − Động Bàn máy Hộp giảm tốc Vít dẫn Tốc kế Cảm biến vị trí tốc độ Tín hiệu phản hồi H3.9: Cấu trúc hệ thống truyền động có phản hồi Biến khảo sát vị trí góc trục truyền, θ Vị trí cuối bàn máy đầu hệ θo vị trí cuối động đầu vào hệ θi Momen xoắn cần truyền gây biến dạng trục làm thay đổi chuyển động trục Độ cứng hệ gộp vào trục với độ cứng xoắn tương đương ktđ H3.10: Mơ hình hệ quy đổi Momen xoắn trục Mt = ktđ( θi - θo) (3.19) Hầu hết hệ truyền động thường xử dụng ma sát lăn bề mặt đối tiếp Momen ma sát là: Mms = − b dθ o dt (3.20) b: hệ số ma sát lăn Phương trình cân mô tả chuyển động hệ: & θ J && o = ktđ( θi - θo) - b θ o (3.21) 63 Trục : Độ cứng trục có tiết diện trịn : k= Gπd Nm [ /rad] 32l (3.24) d : đường kính trục; l : chiều dài trục; G : mô đun đàn hồi chống xoắn G ≅ 7,5×1010 N/m2 thép ≅ 2,5×1010 N/m2 nhơm Bánh : Giả sử bánh chủ động đủ cứng, độ cứng bánh bị động : k = Cgbr2 [Nm/rad] (3.25) b : bề rộng ; r : bán kính vịng chia bánh bị động ; Cg : hệ số tiếp xúc bề mặt răng; Cg ≅ 1,34 ×1010 N/m2 thép Độ cứng trục hệ truyền động M1 J1 k1 I x k2 x Ta có : M1 = k1 δ1 M2 = k2 δ N J2 II M2 δ1 , δ chuyển vị góc trục I H3.12 : Hệ truyền động trục II, tương ứng M2 = NM1 δ1 δ2 = N N>1: tỉ số truyền hộp giảm tốc Do vậy: k2 = M NM = = N k1 δ2 δ1 N (3.26) Ví dụ : Cho k1 = 500 Nm/rad , truyền bánh có tỉ số truyền giảm tốc N=10 Bánh bị động có độ cứng kbr = 5000Nm/rad Tìm độ cứng hệ Giải : 65 Do độ cứng trục k2 = N2k1 , ta có khệ xác định theo độ cứng thành phần truyền động ghép nối tiếp : 1 1 1 = + = + = + k Σ k br k 20 k br N k 10 5000 10 (500) ⇒ kΣ = 50000 ≅ 4545 Nm/rad 11 ∗ Nhận xét : Khi thành phần cuối hệ thống truyền động thành phần giảm tốc lớn, độ cứng thành phần trước bỏ qua Đai truyền : Độ cứng truyền đai : kB = AE l (3.27) A : tiết diện đai [mm2] ; E : mô đun đàn hồi đai [N/mm2] l : chiều dài đoạn dây đai tự puly cọng với 1/3 chiều dài đai tiếp xúc với puly [mm] Nối trục Coi nối trục dầm chịu uốn tính độ cứng điểm cuối Đối với nối trục có tiết diện trịn, độ cứng nối trục tính theo cơng thức 3πE (d − d ) k= 64l (3.28) d1, d2 : đường kính ngồi nối trục; l : chiều dài trục E : mơ đun đàn hồi chống uốn E ≅ × 1011 N/m2 thép ≅ 2/3 × 1011 N/m2 nhôm Đối với nối trục tiết diện vuông, độ cứng k tính k= E( w − w ) 4l (3.29) w1, w2 : kích thước ngồi nối trục Hệ thống truyền động tương đương Khảo sát hệ thống truyền động H3.12 Viết phương trình chuyển động cho hệ thống với giả thiết : θ1, θ2 :chuyển vị góc vị trí đặt khối lượng b1, b2 : hệ số ma sát trục 2, tương ứng & (J1 &&1 +b1 θ1 )+ θ & (J2 && +b2 θ ) = M1 θ N 66 thay θ2 = θ1 , ta được: N (J1+ M b J2 & ) && +(b1+ 22 ) θ1 = M1= (viết theo biến θ1 ) θ1 N N N & (J2+N2J1) && +(b2+N2b1) θ = M2 θ : (viết theo biến θ2 ) Như vậy, hệ thống quy hệ thống thu gọn, với quán tính tương đương J2 ( quán tính tương đương đĩa so với đĩa N2 b N2J1) hệ số cản tương đương 22 N2b1 tùy theo biến chuyển vị cần xét N đĩa so với đĩa Để xác định độ cứng tương đương hệ quy đổi, dựa theo phương pháp xác định độ cứng chung hệ phụ thuộc vào độ cứng thành phần cách ghép • Với truyền bánh răng-thanh dùng làm cấu chấp hành:(H3.13a) • Với truyền vít me-đai ốc dùng làm cấu chấp hành : (H3.13b) J0 & θ R Giả sử J0 : momen quán tính bánh ăn khớp với m : khối lượng bàn máy & x m Khi mtđ = m + J0 R2 Jtđ = J0 + mR2 H3.13a : Cơ cấu Bánh Răng-Thanh Răng Giả sử J0 : momen quán tính vít me m & x bàn máy m : khối lượng bàn máy Khi J0 & θ s mtđ = m + 4π J s Jtđ = J0 + ms2 4π H3.13b : Cơ cấu Vít me-Đai ốc s : bước vít me bàn máy 3.3.2 Đặc tính chất lượng hệ truyền động Giá trị số thời gian tương đương hệ thống truyền động ( hệ bậc hai) tính theo cơng thức sau : – Đối với hệ truyền động thực chuyển động quay T= 2J tđ [s] b tđ (3.30) – Đối với hệ truyền động thực chuyển động tịnh tiến 67 T= Chú ý : Ts 1% 2m tđ [s] b tđ = 4,6T ; Ts 2% (3.31) = 4T ; Ts 5% = 3T Các ví dụ ứng dụng: Phần lớn trường hợp khảo sát hệ truyền động thu gọn, quy sơ đồ tính tốn gồm khối lượng H3.14: Sơ đồ tính tốn hệ quy đổi khối lượng Phương trình chuyển động có dạng: & & ⎧ θ ⎪ j1&&1 = M − b(θ1 − θ ) − k (θ1 − θ ) ⎨ && & & ⎪ j2 θ = k (θ1 − θ ) − b(θ − θ1 ) ⎩ (3.32) hay & & ⎧ θ ⎪ j1&&1 + b(θ1 − θ ) + k (θ1 − θ ) = M ⎨ && & & ⎪ j2 θ − b(θ1 − θ ) − k (θ1 − θ ) = ⎩ (3.33) ⇒ && + b (θ − θ ) + k (θ − θ ) = M & & θ1 2 j1 j1 j1 Do hay && − b (θ − θ ) − k (θ − θ ) = & & θ2 2 j2 j2 ⎛b b (&&1 − && ) + ⎜ + θ θ ⎜j ⎝ j2 ( ) ⎞ M ⎟(θ1 − θ ) = ⎟ j1 ⎠ (3.34) ⎛1 1⎞& ⎛1 1⎞ M && Ψ + b⎜ + ⎟ Ψ + k ⎜ + ⎟ Ψ = ⎜j ⎟ ⎜j ⎟ j1 ⎝ j2 ⎠ ⎝ j2 ⎠ ⎛j +j && Ψ + b⎜ ⎜ jj ⎝ Khi ⎛k k ⎞& & ⎟ θ1 − θ + ⎜ + ⎜j ⎟ ⎝ j2 ⎠ T= ⎛j +j ⎞& ⎟Ψ + k ⎜ ⎜ jj ⎟ ⎝ ⎠ j1 j2 b( j1 + j2 ) ⎞ M ⎟Ψ = ⎟ j1 ⎠ (3.35) (3.36) Ví dụ : Xác định quán tính tương đương độ cứng tương đương hệ thống truyền động sau 68 Các giả thiết : Jm : Momen qn tính rơ to động j1, j2, j3, j4 : Momen quán tính bánh hộp N1, N2 : Các tỉ số truyền giảm tốc ( >1) b1, b2, b3 : Các hệ số ma sát trục I, II, III j1 I k1 x Jm j & M1 b1, θ1 N1 k2 x j2 & θ b2II x x j4 & θ3 N2 III b3 k3 Jt H3.15 : Hệ thống truyền động có giảm tốc cấp Giải : Viết phương trình chuyển động hệ, giả sử chuyển vị góc đầu cuối trục I (trục động )là (θ1), chuyển vị góc đầu cuối trục II (θ2 = θ3 ), chuyển vị góc đầu cuối trục III θ4 & (Jm+j1) &&1 +b1 θ1 + θ Thay θ = 1 & & [( j2 + j3 )&& + b θ ] + θ [( j4 + j t )&& + b θ ] =M1 θ N1 N1 N (3.37) θ1 θ ; θ = ta có : N1 N1 N [(Jm+j1)+ j + j3 j + j t b b & + 2 ] &&1 +(b1+ 22 + ) θ1 = M1 θ N1 N1 N N1 N1 N (3.38) Như vậy, quán tính tương đương viết theo chuyển vị góc θ1 Jtđ1= (Jm+j1) + j + j3 j + j t + 2 N1 N1 N (3.39a) viết theo chuyển vị góc θ4, ta có : Jtđ2 = N N (J m + j1 ) + N ( j2 + j3 ) + ( j4 + j t ) 2 (3.39b) Độ cứng tương đương hệ thống : 1 = + k Σ k br k III0 (3.40) 69 = k III0 k IIIi + 1 = với k III k IIIi N k II0 1 1 1 = + + = + + k II0 k br k IIi k II k br N k I0 k II Do k III0 = 1 ⎛ 1 + 2⎜ + + ⎜ k br k II N k I k III N ⎝ ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ 1 1 1 = + + + + 2 kΣ k br k III N k br N k II N N k I hay (3.41) ⇒ khệ 3.3.3 Một số cấu đặc biệt Máy công cụ ĐKS 3.3.3.1 Cơ cấu vít me - đai ốc bi Vít me phần dẫn động cuối truyền động chạy dao phần lớn máy công cụ ĐKS, cần sử dụng vít me có độ xác cao, chịu mịn, đảm bảo cứng vững Loại cấu vít me- đai ốc bi (H3 16) có tiếp xúc vít me đai ốc tiếp xúc lăn nên coi ma sát khơng đáng kể đáp ứng yêu cầu làm việc kể H3.16: Cơ cấu vít me đai ốc bi Cả vít me đai ốc có profil ren dạng cung trịn gia cơng xác để dẫn bi Các rãnh dẫn bi chạy theo đường ren vòng trở lại theo đường dẫn bên đai ốc bi Rãnh vít me đai ốc chế tạo có hình dạng cung nửa vịng trịn bán kính r1 r2, tỉ số r1/ r2 chọn từ (0.95 ÷ 0,97), với r1: bán kính bi, r2 : bán kính rãnh đai ốc Khe hở đường kính chọn cho góc tiếp xúc 450 Các ưu điểm : 70 – Tổn thất ma sát bé, hiệu suất cấu vít me-đai ốc bi đạt tới 0,9 vít me-đai ốc trượt đạt từ (0,2 ÷0.4) – Độ cứng dọc trục cao nhờ biện pháp tạo lực căng sơ ban đầu – Lực ma sát không phụ thuộc vào vận tốc, đảm bảo chuyển động ổn định – Đảm bảo độ xác làm việc lâu dài H3.17a, b, c: Kết cấu rãnh hồi bi profil ren Đặc điểm tính tốn : Xác định lực kéo cho phép Q : Xuất phát từ điều kiện bền tiếp xúc vật thể lăn bi-rãnh xoắn ốc, trị số ứng suất tiếp xúc lớn cho công thức Hertz σ k = 1,43 PE ( r2 − r1 ) 2 r1 r2 ⎡kg ⎤ ⎢ cm ⎥ ⎣ ⎦ (3.42) P: tải trọng tĩnh tác dụng lên viên bi [kg]; E: mô đun đàn hồi vật liệu [ kg /cm2] Đối với thép E ≈ 2×1011[ N/m2] = 2×106 [ kg/cm2]; r1, r2 [cm] Với r1 r2 0,96 chọn vật liệu thép, thay vào cơng thức trên: σ k = 4,3 × 10 3 P d1 ⎡kg ⎤ ⎢ cm ⎥ ⎣ ⎦ (3.43) đó, d1: đường kính bi [cm] Ứng suất tiếp xúc cho phép phụ thuộc vào độ cứng bề mặt tiếp xúc: [σk ] = (2,5 ÷ 3) 104 HRC ⎡kg ⎤ 60 ⎢ cm ⎥ ⎣ ⎦ 71 Giả sử lấy σk ≤ [σk ] = 2,5 × 104 ⎡kg ⎢ ⎣ ⎤ (ứng với bề mặt tiếp xúc đạt HRC= 60), từ cm ⎥ ⎦ cơng thức (3.43), xác định tải trọng giới hạn viên bi: P ≤ 200 d12 [kg] (3.44) Lực kéo cho phép tác dụng lên vít me: Q ≤ Pzt sinα cosλ[kg] hay Q ≤ 200zt d12 sinαcosλ [kg] (3.45) đó, zt : số bi tính tốn, lấy zt = 0,7z α : góc tiếp xúc, lấy α = 450 λ : góc nâng đường vít, λ ≈ ( ÷ )0, coi cosλ ≈ Thay giá trị số, cuối ta có : Q ≤ 100z d12 [kg] (3.46) Tính tốn theo tuổi thọ truyền : quy việc xác định hệ số tuổi thọ k0: k0 = kQ 60TnC i 10 (3.47) với, T : thời hạn phục vụ[g], ví dụ T = 5000giờ ; n[v/ph]: số vịng quay tính tốn truyền, tính theo cơng thức n = ( nmax + nmin ) / Ci : số chu kỳ tải trọng vòng quay, tính: Ci = 0,5zt ( + r1 cosα ) r0 đó, r0 : bán kính tâm bi kQ : hệ số biến đổi tải trọng, lấy kQ ≈ 0,9 Nếu T = 5000 g, Ci ≈ 20/2 = 10, kQ ≈ 0,9, ta có : k0 = 0,6 n (3.48) Chú ý k0 ≤ 1thì theo (3.48), số vịng quay trung bình n < 5, điều kiện tuổi thọ đảm bảo đảm bảo bền, k0 > 1, dẫn đến công thức cuối là: 100zd1 Q≤ k0 (3.49) Xác định độ cứng vít me a Độ cứng dọc trục k= dQ dδ (3.50) với δ : chuyển vị dọc trục vít me k phụ thuộc vào tham số hình học bề mặt tiếp xúc mơ đun đàn hồi vật 72 liệu Có thể chứng minh [9] k = 0,8 d 1Q c z t (3.51) Qc: lực căng sơ [kg] Theo kinh nghiệm, lấy Qc = 0,35 Q, thay zt = 0,7z, ta nhận : k = d 1z ⎤ ⎡kg ⎢ µm ⎥ ⎦ ⎣ (3.52) b Độ cứng xoắn vít me Giá trị độ cứng xoắn vít me xác định theo chiều dài vít đường kính trung bình ren : Gπd tb k= 32l vm (3.53) Các thơng số kích thước truyền vít me- đai ốc bi tham khảo bảng (5.1) (5.2) [11] 3.3.3.2 Các cấu cấp thay tự động dụng cụ Yêu cầu chung cấu cấp thay tự động dụng cụ: – Chứa nhiều dao – Thời gian thay dao tối thiểu – Thay dao theo chu trình tự động, ví dụ đầu Rơ vơn ve : + Tháo lỏng dao vừa gia công xong + Quay thuận thay dao + Quay nghịch kẹp chặc dao mới, kết thúc thay dao Cấp dụng cụ đầu Rơ vôn ve Thường gặp máy phay, khoan, tiện Loại nầy có nhược điểm số lượng dao ít, từ (6 ÷ 12) dao Dao quay chiếm khơng gian làm việc gây trở ngại cho thao tác điều khiển Thời gian thay dao vào khoảng (4 ÷ )s Cấp dao tay máy Loại nầy thường có phận : Ổ trữ dụng cụ tay máy Ổ trữ dụng cụ lắp trực tiếp lên thân máy, ụ trục chính, lắp ngồi máy cần bố trí số lượng dao lớn Tay máy đặt ổ trữ dụng cụ trục Các dao ổ trữ mã hoá Thời gian thay dao vào khoảng (1 ÷ 2)s Các ổ trữ dụng cụ có mạch điều khiển xếp chặc chẽ vào vi mạch EPROM ( Electrically Programmable Read-Only Memory) chứa hai: 73 ký hiệu dụng cụ số liệu vị trí, cho phép chuyển đổi tự động số liệu dụng cụ vào ghi liệu dụng cụ máy ĐKS cách nhanh chóng xác Để kích hoạt loại ổ trữ nầy cần có thêm phần mềm PLC chuyên dùng ( EPROM) Đầu Rơ vôn ve Tay máy H3.18 : Cơ cấu cấp thay tự động dụng cụ 3.3.3.3 Các kết cấu đặc biệt khác : Các loại bàn máy chuyển đổi Để giảm tối đa thời gian phụ, số máy trang bị loại bàn máy chuyển đổi cho phép gá đặt chi tiết gia cơng bên ngồi máy đưa vào chuyển đổi bàn máy thích hợp Các thiết bị kiểm tra chi tiết Các thiết bị đo kiểm hiệu chỉnh dụng cụ Bộ phận ĐKS H3.19: Bộ phận điều khiển máy ĐKS 74 H3.20: Màn hình phím điều khiển Hai hình H3.19 H3.20 mô tả phận ĐKS điển hình Chúng gồm : – bàn phím ký tự -số (address and numeric keyboard) dùng cho việc nhập trực tiếp liệu chương trình – phím điều khiển máy (machine control keys), nút over-ride (nút thực chế độ ưu tiên) – hình phím mềm (screen and soft keys) H3.21: Sơ đồ thiết kế hệ điều khiển số máy công cụ (Nguồn [7]) 75 Bộ phận ĐKS chứa tất mạch điện tử, phần cứng điều khiển , liên kết tất chức nhập xử lý liệu, cung cấp liệu ra, hiển thị thông tin, chạy chương trình điều khiển chương trình ứng dụng nhớ, cổng ghép nối với thiết bị ngoại vi để thực điều khiển máy (H3.21) Trên máy công cụ CNC thường cho phép hoạt động chế độ sau : – Manual: Dùng phím điều khiển tay để dịch chuyển bàn máy Chế độ nầy chủ yếu dùng cho việc gá đặt hiệu chỉnh chi tiết máy Ví dụ cho trục quay, cho trục chuyển động theo phương Z, cho bàn máy chuyển động theo phương X, phương Y – Manual Data Input (MDI) : nhập lệnh mã máy (mã G & M) vào hệ điều khiển qua phím bảng điều khiển Mặc dù nhập tồn chương trình gia cơng vào hệ điều khiển, chế độ MDI thường dùng để soạn thảo, sữa đổi chương trình có sẵn nhớ gá đặt trước dụng cụ – Single Block : chế độ chạy dòng lệnh Chế độ nầy dùng vào việc kiểm tra, hoàn chỉnh trước chuyển chế độ tự động (automatic) – Automatic : chế độ chạy tự động chương trình gia cơng – Các chế độ dừng chương trình: + Dừng khẩn cấp (Emergency Stop): Dừng tức khắc chuyển động máy, thông tin nhớ cơng tác bị xố Khi đóng mạch trở lại cho hệ điều khiển, phải thực lại chuyển động trở điểm chuẩn + Dừng chạy dao (Feed Hold): Dừng toàn chuyển động chạy dao, số liệu vị trí trục chuyển động không bị Chức nầy thường dùng để kiểm tra dao, sau chương trình tiếp tục nhờ phím REPOS (Reposition) để dao trở lại vị trí cơng tác trước dừng chạy dao Một đặc tính bổ sung phận ĐKS khả lập trình theo kiểu hội thoại Lập trình theo kiểu nầy sử dụng mã lệnh dễ nhớ, qua vật liệu dụng cụ, vật liệu phơi nhập, biên dạng hình học chi tiết đường dịch chuyển dụng cụ xác định, mã G tạo tự động Người lập trình cịn mơ đồ họa đường dịch chuyển dụng cụ hình, thử kiểm tra lần cuối chương trình 3.4 Các máy trục - Các trung tâm gia công ĐKS 3.4.1 Các đặc điểm chung máy trục (H3.22): 76 H3.22: Máy trục • Các chuyển động tịnh tiến theo trục X-, Y-, Z- chuyển động quay A- B- (phối hợp đồng thời) • Có thể thay đổi hướng dụng cụ cắt đồng thời q trình gia cơng • Nếu có phần bề mặt cần gia công dụng cụ cắt tiếp cận lần gá đặt, cần chọn máy ĐKS trục a: Gia công máy trục b: Gia công máy trục H3.23: Gia công máy trục so với máy trục So với máy trục, gia cơng máy trục có nhiều ưu điểm vượt trội, suất cao hơn, có tính dễ tiếp cận dụng cụ với bề mặt gia công phức tạp, dễ cải thiện chất lượng bề mặt H3.23 số trường hợp điển hình bề mặt gia công máy trục máy trục Các trung tâm gia công ĐKS thực chất máy cơng cụ ĐKS 77 tích hợp nhiều ngun cơng khác với lần gá đặt phơi Nó thiết kế để phay, khoan, doa, khoét lỗ, cắt ren, kể biên dạng phức tạp Với khả tập trung nguyên công cao, trung tâm gia công cho phép gia cơng hồn tồn chi tiết phức tạp mà cần lần gá đặt phôi, chúng coi nhân tố việc tự động hoá sản xuất loạt nhỏ đơn 3.4.2 Các vấn đề hiệu chỉnh dụng cụ theo kích thước Vị trí điểm cắt thực tế dụng cụ so với điểm chuẩn PT nhận qua phép cọng véc tơ véc tơ vị trí điểm bề mặt PM véc tơ nối từ điểm cắt thực tế đến điểm chuẩn PT, phụ thuộc vào loại dụng cụ cắt dùng (dao phay chỏm cầu, cầu hay dao phay mặt mút ) H3.24: Hiệu chỉnh dụng cụ kích thước Vị trí điểm chuẩn dụng cụ PT xác định phương trình: [ PT] = [ PM] + [O1] +[O2] +[O3] (3.54) r r O1 = nR r r O = n xy (R − R ) r r O = kR (3.55) (3.56) (3.57) r r Ví dụ với dao phay cầu (hình 3.24b): OB = nR − kR Với dao phay ngón (hình 3.24c): OC = n xy R r [ PM] : toạ độ vị trí điểm cắt gọt bề mặt r n : véc tơ pháp đơn vị điểm cắt gọt bề mặt r r n xy : hình chiếu véc tơ pháp n lên mặt phẳng xy Có thể viết: ⎡n ny ⎤ r n xy = ⎢ x , ,0 ⎥ ⎢ n xy n xy ⎥ ⎣ ⎦ (3.58) r r r i , j, k : véc tơ pháp đơn vị mặt phẳng hệ trục toạ độ 78 Các câu hỏi tập chương 3: Thiết kế đường truyền chạy dao công tác máy CNC sử dụng động chiều điều chỉnh vô cấp (650÷2600)vg/ph Cho smin = 10mm/ph ; smax= 500mm/ph Thiết kế đường truyền hộp tốc độ máy CNC sử dụng nguồn chiều điều chỉnh vơ cấp (700÷2800)vg/ph Phạm vi tốc độ: nmin=12,5vg/ph, nmax=2000vg/ph Thiết kế đường truyền chạy dao nhanh dùng động bước Cho biết góc bước δđ/c= 1,80 Tốc độ dịch chuyển nhanh yêu cầu Vsmax [m/ph]=10 Độ xác dịch chuyển cần đạt 1µm Hỏi tần số f số vịng quay động ? Thiết kế đường truyền chạy dao dùng động bước Yêu cầu : Vsmax = 4,8 m/ph (nhanh); Vs =(0,003÷0,5)m/ph (cơng tác) Độ xác dịch chuyển ĐS : i = 30/125; kv = 10mm ; fmax=12kHz δđ/c= 1,80 [∆s] = 0,01mm Xác định độ cứng tương đương quán tính tương đương cho hệ truyền động theo H3.25 jm M1 I x N1 x II x x a: Hệ tịnh tiến jm M1 I m N2 III j0 j1 x N1 x j2 II j3 x x N2 j2N-1 III j4 N b: Hệ chuyển động quay x NN x j2N jt H3.25: Các hệ truyền động Các chế độ công tác ( mode) thường gặp máy công cụ ĐKS Chế độ làm việc để hệ điều khiển thực lệnh chương trình thời điểm sau dừng ? Single Block Đặc điểm chung khả công nghệ máy CNC trục Giải thích phương trình vectơ hiệu chỉnh dụng cụ theo kích thước Ứng dụng cho trường hợp dụng cụ cắt dao phay ngón 79 ... (2) Lưới kết cấu nhận H3 .3. Từ lưới kết cấu, tiến hành vẽ đồ thị vòng quay, tính 56 H3 .3: Lưới kết cấu tốn số hộp phân cấp, vẽ sơ đồ động theo cách máy công cụ truyền thống (H3.4a,b) 3. 2.2 Các... N k II N N k I hay (3. 41) ⇒ khệ 3. 3 .3 Một số cấu đặc biệt Máy công cụ ĐKS 3. 3 .3. 1 Cơ cấu vít me - đai ốc bi Vít me phần dẫn động cuối truyền động chạy dao phần lớn máy công cụ ĐKS, cần sử dụng... nhanh bàn máy ikv ≥ Vs max fδ đc (3. 10) Chọn tỉ số truyền i hộp giảm tốc phải ý đến yếu tố động lực học hệ truyền động 3. 3 Phân tích đặc điểm kết cấu Cấu trúc hệ truyền động Máy ĐKS bao gồm động cơ,