Tài liệu đồ án thiết kế hệ thống thay dao cho máy cnc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ ĐỒ ÁN MÔN HỌC:THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Mã HP:ME4336 Giáo viên hướng dẫn : Sinh viên thực hiện: Lớp : MSSV: I. II. Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế mô đun cấp dao cho hệ thống thay dao tự động Số liệu cho trƣớc : 1.Hệ thống thay dao cho máy phay đứng 2.Hệ thống tháo và kẹp dao: dùng xi lanh chuyển đổi khí nén – thủy lực 3.Loại thay dao (TP): KTM (Không tay máy) 4.Nguồn lực di chuyển cụm chứa dao chạy đến trục chính (PO 1 ): KN(Khí nén) 5.Nguồn lực quay cụm chứa dao(PO 2 ):ĐC(Động cơ điện) 6.Số lượng ổ chứa dao : N =16 7.Loại côn gắn chuôi dao :BT40 8.Khối lượng một con dao:M=7 Kg 9.Đường kính lớn nhất của một con dao : D max = 80 mm 10.Thời gian thay dao gần nhất : T1 = 3 s 11.Thời gian thay dao xa nhất : T 2 = 7s III. Nội dung: 1. Xây dựng sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động,trình bày sơ lược về quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động(có thể tham khảo đồ án CĐT1 và lấy công thức tính toán từ đó) 2. Xây dựng sơ đồ khối thuật toán điều khiển trả dao / lấy dao 3. Bản vẽ sơ đồ điều khiển điện,khí nén(hoặc thủy lực) phù hợp với yêu cầu của đầu bài 4. Mô phỏng hoạt động của hệ thống thay dao tự động bằng phần mềm máy tính (tự chọn phần mềm) 5. Lập trình PLC trên 1 hệ thống điều khiển CNC cụ thể (không bắt buộc) Hà Nội ,ngày …..tháng ….. năm 2012 Giáo viên hƣớng dẫn Mục lục Contents LỜI NÓI ĐẦU ..............................................................................................3 1.1.Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động: .......................4 1.1.1.Khái niệm sơ đồ động: ........................................................................4 1.1.2.Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động : ..................................4 1.2.Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao: ...................5 1.2.1.Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động: .........................5 1.2.2.Tính toán Đĩa tích dao :.......................................................................6 1.2.2.1 Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao : .............................6 1.2.2.2. Tính toán cơ cấu Man cho Tang chứa dao ...................................... 12 1.2.2.3. Tính toán và lựa chọn ổ lăn............................................................ 20 1.2.2.4. Tính toán trục đỡ Tang .................................................................. 23 1.2.3. Tính toán hệ thống dẫn động cho cơ cấu thay dao .............................. 24 PHẦN 2. XÂY DỰNG SƠ ĐỒ KHỐI THUẬT TOÁN TRẢ DAO/ LẤY DAO ........................................................................................................................ 27 2.1.Khái niệm sơ đồ khối thuật toán : ......................................................... 27 2.2 Sơ đồ khối thuật toán trả dao/lấy dao(thay dao) ..................................... 30 PHẦN 3: BẢN VẼ SƠ ĐỒ ĐIỆN ,KHÍ NÉN PHÙ HỢP VỚI YÊU ................ 38 1.Sơ đồ điện điều khiển ............................................................................. 38 2.Sơ đồ khí nén ......................................................................................... 39 PHẦN 4.MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG BẰNG PHẦN MÊM SOLIDWORKS .................................................... 41 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 50 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay khoa học kĩ thuật đang phát triển rất nhanh,mang lại nhưng lợi ích cho con người về tất cả những lĩnh vực vật chất và tinh thần.Để nâng cao đời sống nhân dân và hòa nhập với sự phát triển chung của thế giới,Đảng và nhà nước ta đã đề ra những mục tiêu đưaa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa.Để thự hiện điều đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển đó là ngành Cơ khí nói chung và ngành Cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuấ ra các thiết bị công cụ(máy móc,robot…) của mọi ngành kình tế quốc dân.Muốn thực hiện việc phát triển ngành cơ khí cần đẩy mạnh đào tạo đội ngũ cán bộ kĩ thuật có trình độ chuyên môn đáp ứng được yêu cầu của công nghệ tiên tiến,công nghệ tự động hóa theo dây chuyền trong sản xuất. Tính toán thiết kế hệ thống Cơ điện tử là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kỹ sư Cơ điện tử.Đồ án môn học này giúp cho sinh viên có thể hệ thống hóa lại các kiến thức của môn học như : Chi tiết máy,Vẽ kĩ thuật,Cơ học kĩ thuật,Nguyên lỹ máy,Sức bền vật liệu,…Đồng thời cũng giúp chúng em học thêm một số phần mềm cần thiết cho việc thiết kế ,mô phỏng cần thiết như Catia,...ngoài ra giúp chúng em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ án tốt nghiệp sau này. Dù đã có cố gắng hoàn thành đồ án này với cường độ làm việc cao,cùng sự hướng dẫn nhiệt tình và cụ thể của các thầy trong bộ môn,nhưng do hiểu biết còn hạn chế cộng với chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn đồ án này không tránh khỏi được khả năng thiếu sót và bất cập.Vì vậy em rất mong sự sữa chữa và góp ý của các quý thầy cô để em rút kinh nghiệm và bổ sung thêm kiến thức cho mình. Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn sự quan tâm chỉ bảo của các thầy cô trong Viện Cơ Khí trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội và đặc biệt sự hướng dẫn tận tình của thầy Lê Thanh Sơn đã giúp em hoàn thành đồ án này. Sinh viên thực hiện: Nguyễn Anh Đức 1.1.Xây dựng sơ đồ khối cho toàn hệ thống thay dao tự động: 1.1.1.Khái niệm sơ đồ động: Sơ đồ động của máy là những hình vẽ quy ước biểu diễn các bộ truyền,các cơ cấu liên kết với nhau tạo nên các xích truyền động,xác định những chuyển động cần thiết của máy.Đồng thời trên đó còn chỉ rõ công suất và số vòng quay của động cơ điện,đường kính bánh đai,số răng của bánh răng ,số đầu mối của trục vít,số răng của bánh vít 1.1.2.Sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động : Từ định nghĩa sơ đồ động như trên và phân tích các chuyển động cần thiết của hệ thống thay dao CNC ,cùng với các hình vẽ quy ước ta xây dựng nên sơ đồ động của toàn hệ thống thay dao tự động bằng Cad như sau : 1.2.Quy trình thiết kế hệ thống thay dao tự động với 16 đài dao: 1.2.1.Quy trình tính toán thiết kế hệ thống thay dao tự động: Các dữ liệu đầu vào N: số lượng dao của ổ chứa dao N=16 Dmax :đường kính lớn nhất của dao Dmax = 80mm BT40: loại chuôi dao M: khối lượng 1 con dao m=7kg Dtrc: đường kính trục chính Dtrc=120mm H: hành trình vào lấy dụng cụ của trục chính H=130mm Tính toán Đĩa tích dao Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao a) Bán kính từ tâm dao đến tâm Đĩa tích dao R0 b) Khoảng cách giữa các dao gần nhau trong Đĩa tích dao c) Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao d) Lựa chọn cơ cấu kẹp trên Đĩa e) Tính toán các thông số hình học của Đĩa Tính toán cơ cấu Malte cho Đĩa tích dao a) Tính toán các thông số hình học của Malte b) Tính toán động học của Malte c) Tính toán động lực học của Malte d) Tính toán và lựa chọn động cơ Tính toán và lựa chọn ổ lăn a) Lựa chọn loại ổ lăn b) Chọn sơ bộ kích thước ổ c) Tính và kiểm nghiệm khả năng tải của ổ d) Lựa chọn ổ bi lăn Tính toán hệ dẫn động cho cơ cấu thay dao Tính toán trục dẫn hướng Tính toán và lựa chọn xy lanh khí nén a) Sơ đồ nguyên lý của hệ thống khí nén b) Tính toán hệ dẫn động khí nén Tính toán trục đỡ Đĩa tích dao 1.2.2.Tính toán Đĩa tích dao : 1.2.2.1 Xác định các thông số hình học của Đĩa tích dao : Các thông số ban đầu: - Tính toán hệ thống với số lượng dao N = 16 dao - Đường kính lớn nhất của dao: max= 80 mm {Lấy theo đường kính lớn nhất của dao phay mặt đầu} - Chuôi dao BT40 - 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 16 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 : Hình 1. Sơ đồ tính toán kích thước hình học của Tang a. Bán kính từ tâm của dao đến tâm của Tang chứa dao R 0 được xác định : R 0> C 2 Trong đó: C : Chu vi của đa giác chứa dao được xác định: C = 2.Rmax . N = 2.40.16 = 1280 (mm) Rmax : bán kính lớn nhất của dao Rmax= Dmax 2 = 80 = 40 mm 2 N : số dao của ổ chứa N = 16 dao Vậy : R0> 1280 = 203.7 (mm) 2 Để giữa các dao có R max có khoảng các ta lấy R 0 = 300 (mm). Khi đó chu vi của vòng tròn chứa dao la: C = 2..R0 = 2.3,14.300 = 1884 (mm) b.Xác định khoảng cách giữa các dao gần nhau trong Tang : Khoảng cách giữa hai tâm của dao có thể xác định gần đúng : L= C 1884 =  N 16 117.75 (mm) Khoảng cách giữa các dao có đương kính lớn nhất có thể xác định gần đúng : L’= L – 2.Rmax = 117.75 – 2.40 = 37.75 (mm) c.Kiểm tra độ an toàn khi trục chính vào thay dao Hình 2. 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 16 hay không Đường kính lớn nhất của trục chính :max= 120(mm) Đường kính lớn nhất của độ côn đài dao BT40 là:C = 44,45(mm) Khoảng cách giữa tâm các đài dao L = 117.75(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 16 la LT . LT = L  C 2  117.75  44, 45  95.525(mm) 2 Để trục chính không va chạm vào các đài dao xung quanh thì phải thoả mãn điều kiện sau :  Trc  LT 2 => 120  95.525 2 d.Lựa chọn cơ cấu kẹp dao trên Tang  Vậy thoả mãn điều kiện. 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. Hình 3. Các thông số của tay kẹt Các thông số hình học tấm định vị Hình 4. Thông số hình học của tấm định vị Dao sẽ có khoảng cách xác định so với đường tâm của Tang mang dao nhờ tấm đi vị hạn chế 1 bậc tự do theo phương ngang và cơ cấu kẹp tự định tâm. Quá trình kẹp dao: o o 1 1 B A o o 2 2 dao tiÕn vµo tay kÑp VÞ trÝ ban ®Çu o o 1 2 VÞ trÝ cuèi Hình 5. Quy trình kẹp dao 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 = 1884 (mm) r : bán kính cổ đài dao : r = C 44, 45   22.225 2 2 (mm) h : chiều dày kẹp dao : h = 23 (mm) L : khe hơ cần tính để tránh va đập giưa các tay kẹp N : số dao kẹp Tang có thể chứa  L  C  2r  2h  1884  2.22, 225  2.23  27.3 (mm) N 16 Kiểm tra khi tay kẹp mở Khi thay dao tay kẹp sẽ xoay quanh điểm O 1một góc  = 5o vậy lượng mở thêm của tay kẹp ứng với bề dầy nhất là : Lk 83.tg 83.tg5o 7,26 < 27.3 (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 R 1: R1 = R0 – h – Rmaxd Trong đó : R0 : bán kính từ tâm dao đến đường tâm Tang R 0= 250 (mm) h : Lượng nhô ra của tấm định vị so với Tang h = 16 (mm)  Rmaxd: bán kính lớn nhất của đài dao R maxd= max d  63  31.5 (mm) 2 2 R1= 300 – 16 – 31.5 = 252.5 (mm) Lấy R1= 250 (mm). - Bán kính vòng trong của Tang R 2: 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 R 2 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< 250 –58 – 16 = 176 (mm) Lấy R2= 175 (mm) - Tính kích thước chiều cao Tang Chiều cao của đài dao h =125,4 mm Với chiều cao của dao ta có thể lấy chiều cao của Tang gần bằng chiều cao của dao.Ta lấy H = 120 mm  Vậy kết cấu hình học của đĩa Man : 1.2.2.2. Tính toán cơ cấu Man cho Tang chứa dao 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 O 2 thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O 1. Chuyển động gián đoạn của đĩa O 1 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,...,16,18,10.. Với hệ thống thay dao gồm có 16 đài dao vậy ta cần tính cơ cấu Man với số rãnh là : Z = 16. Với kết cấu của đài Tang mang dao ta đi tính toán cơ cấu Man với bán kính của đĩa là R = 147 (mm). Hình 6. Sơ đồ tính toán cơ cấu Man Điều kiện bắt buộc để chống va đập là :  +  = 180o Trong đó góc  được xác định theo số rãnh của đĩa Man là Z = 16 rãnh:   Z  180 o  11,25o 16 Do đó :   180o 180o      78,75o 2 Z 2 16 Khi thiết kế góc 2 T thực tế nhận được là tích số của góc 2 đã cho trước với tỷ số truyền động i của cơ cấu Man : 2 T = 2..i ở đây 2 T là góc quay thực tế. Khi quay góc 2 T sau một thời gian tT thì thời gian của cơ cấu Man tm sau một góc 2 có thể tính : tm  tT i Ta có tỷ số giữa thời gian quay của đĩa Man tm và thời gian không quay của nó to là : tm Z  2  to Z 2 Khi cần Man quay với tốc độ đều  = const thì thời gian quay đúng một vòng là: T 60 giây n Trong đó n : số vòng quay/phút của cần chính là số vòng quay của động cơ bước. Ta có : tm  Z  2   T  2Z tm  n Z 2 Z  2 60 .T  . 2Z 2Z n Z  2 30 (vòng/phút) . Z tm Các thông số hình học của cơ cấu Man được xác định : Khoảng cách giữa trục cần và trục đĩa Man L : L R 147   149,879 (mm) cos cos11,25o Lấy L = 150 (mm) Chiều dài của rãnh đĩa Man : h = L(sin + cos - 1) + r h = 150(sin11,25o+ cos11,25o- 1) + 9 = 35,38 (mm) Lấy h = 36 (mm) Bán kính quỹ đạo cần : Rc = L.sin = 150.sin11,25o.= 29,26 (mm). b. Tính toán động học của cơ cấu Man Xác định góc  của đĩa Man khi cần quay được một góc  : tg   Trong đó : .sin  1   cos Rc L. sin    sin  L L Vậy Tốc độ của đĩa Man có thể viết : d  d d   sin    (cos   )   arctg .  dt dt  1   cos  1  2 cos  2 d  sin  (cos  sin  ) . 1  2 sin  cos  sin 2  Với  = 11,25o thì: d  0,195(cos  0,195) . 1,038  0,39 cos Gia tốc của đĩa Man : d 2  (1  2 ) sin  d  2  . 2 2 2 dt (1  2 cos   )  sin  .cos2  .sin  d  . 2 2 2 (1  2 sin  cos  sin  ) Khi bắt đầu và kết thúc thì  = /2 -  :  đ= 0  sin  .cos3  d  . 2   2 .tg 2 2 (1  2 sin  sin   sin  ) Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi 2  2  1  2  1   2  cos    0.6113 4  4     = 52,3169o Vận tốc góc lớn nhất khi  = 0o d  sin  . (rad/s) 1  sin  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  = 52,3169o khi đó  = 9,95o Với thời gian thay dao hệ thống là : 3/7 (s) Trong đó : - T = 3 (s) là thời gian thay dao nhanh nhất của hệ thống khi dao cần thay ở gần vị trí thay dao nhất. - T = 7 (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= 3 (s) Txl = 1 (s) thời gian hành trình xylanh vào thay dụng cụ Ttr = 0,5 (s) thời gian truyền tín hiệu Ttrc = 1 (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 đia Man. tm Z  2 16  2 14    to Z  2 16  2 18 t o  t m  0.5  tm = 0,22(s) ; to = 0,28(s) Số vòng/phút của cần được xác định : n Z  2 30 14 30 .  .  119.3 (vòng/phút) Z t m 16 0,22 Vận tốc góc của cần  c :   .n 30  3,14.119.3 2  12,49 (rad/s ) 30 Vận tốc và gia tốc góc ở vị trí bắt đầu và kết thúc của đĩa Man :  đ= 0  d   2 .tg  12,492.tg11,25o  31,03 (rad/s 2) Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi 2  2  1  2  1   2  cos    0.6113 4  4     = 52,3169o  sin 11,25o. cos2 11,25o. sin 52,3169o d  .12,49 2  36,24 (rad/s 2) o o 2 o 2 (1  2 sin 11,25 cos 52,3169  sin 11,25 ) Vận tốc góc lớn nhất khi  = 0o sin 11,25o.12,49 d   3,03 (rad/s) 1  sin 11,25o Hình 7. Biểu đồ sự phụ thuộc vận tốc góc và gia tốc góc của đĩa man vào góc ứ c. Tính toán động lực học của cơ cấu Man Khối lượng của Tang chứa dụng cụ : GT = GĐ+16.GK+16.GD+G Trong đó: GĐ: khối lượng của đĩa man là : 39 (kg) GK: khối lượng của cơ cấu kẹp dao :G K= 2.GT +GC GG= 2.0,35 + 0,1 = 0,8 (kg) GD: khối lượng của một đài dao : 7 (kg) G : khối lượng của các chi tíêt phụ lấy = 10 (kg) GT = 39 + 16.0,8 + 16.7 + 10 = 173,8 (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 = 173.8.9,81 = 1704.978 (N) ®   P     P P ms  ®  const Hình 8. 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 = 1704.9.0,02 = 34.098 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 : J : Mômen quán tính do khối lượng của một dụng cụ với đương tâm của Tang J = Jdc + d2.Gdc = 8,1.103 + 3002.8 = 728.1.103 (kg.mm2) =728,1.10-3 (kg.m2 ) g : gia tốc trọng trường = 9,81 m/s 2 d : khoảng cách từ tâm dụng cụ đến tâm của Tang chứa dao là 300 mm  max= 36,24 rad/s 2 gia tốc góc lớn nhất của đĩa Man khi  = 52,3169o E  L2  2.L.r. cos  r 2  134.1 (mm).  Pđ = 186,2 (N) Vậy lực tác dụng lớn nhất lên cần gạt trong quá trình thay dao là: Pc = Pđ = 186,2 (N) Mômen tác lên trục của cần gạt : M = Pc.r = 186,2.29,26 = 5448,2 (Nmm) Công suất lớn nhất trên cần : N M .n 5448,2.119,3   0,068 (kW) = 68 W 9,55.106 9,55.106 d. Tính toán và lựa chọn động cơ Công suất động cơ được xác định theo công suất của cần N dc  N   68  69,4 (W) (Chọn động cơ có công suất 70 W) 0.98 Số vòng quay của động cơ nđc = 119,3 vòng/phút 1.2.2.3. 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 lơn lắm so