Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC VŨ DUY KHANH Khanh.vd170789@sis.hust.edu.vn Ngành Cơ điện tử Chuyên ngành: Thiết bị tự động Giảng viên hướng dẫn: PGS. TS. Lê Giang Nam Chữ ký của GVHD Bộ môn: Cơ điện tử Viện: Cơ khí HÀ NỘI, 5-9-2021 1 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC ĐỀ TÀI MÔN HỌC Thiết kế hệ dẫn hướng cho bàn máy CNC Giáo viên hướng dẫn Ký và ghi rõ họ tên 3 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử Lời mở đầu.........................................................................................................................................5 CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT..............................................................6 I. Lựa chọn máy tham khảo:...............................................................................................................6 II. Phân tích động học máy tham khảo...............................................................................................8 1. Trục chính.................................................................................................................................. 8 2. Truyền động chạy dao................................................................................................................9 3. Các cơ cấu đặc biệt của máy tham khảo...................................................................................11 4. Truyền dẫn thay dao.................................................................................................................15 5. Sơ đồ động học toàn máy.........................................................................................................17 CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG................................................................................19 I. Tính chọn ray dẫn hướng...............................................................................................................19 1. Quy trình tính toán...................................................................................................................20 2. Tính chọn ray dẫn hướng cho trục x.........................................................................................21 3. Tính toán cho trục Y..................................................................................................................29 II. Tính chọn vít me...........................................................................................................................36 1. Tính toán các thông số cắt và lực cắt........................................................................................37 2. Tính chọn trục vít me trục X, Y..................................................................................................38 3. Quy trình tính chọn vít me........................................................................................................39 III. Tính chọn ổ lăn............................................................................................................................48 1. Quy trình tính chọn ổ lăn..........................................................................................................49 2. Tính chọn ổ lăn.........................................................................................................................50 IV. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ.................................................................................................................55 1.Quy trình tính toán....................................................................................................................55 2. Tính chọn động cơ....................................................................................................................55 3. Kiểm tra thời gian đạt vận tốc cực đại......................................................................................57 IV. Chọn khớp nối.............................................................................................................................60 Tổng kết các chi tiết tính chọn :............................................................................................................62 Chương 3 : Khảo sát đáp ứng hệ thống và thiết kế bộ điều khiển........................................................63 I.Mô hình hóa và phân tích chỉ tiêu đáp ứng của hệ thống..............................................................63 1. Mô hình hóa hệ thống..............................................................................................................63 2. Hàm truyền cụm trục x.............................................................................................................67 3. Hàm truyền cụm trục y.............................................................................................................69 II. Phân tích các chỉ tiêu đáp ứng của hệ thống................................................................................71 4 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC 1. Kiểm tra ổn định và đáp ứng quá độ cụm trục x.......................................................................71 2. Kiểm tra ổn định và đáp ứng quá độ cụm trục y.......................................................................72 III. Thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống.....................................................................................73 1. Giới thiệu về bộ điều khiển PID................................................................................................73 2. Bộ thông số PID trục x..............................................................................................................74 3. Bộ thông số PID trục y..............................................................................................................75 Chương 4 Mô phỏng chuyển động của các trục chạy dao....................................................................77 I. Cơ sở về nội suy chuyển động chạy dao........................................................................................77 1. Nội suy tuyến tính bằng phương pháp DDA.............................................................................77 2. Nội suy đường tròn bằng phương pháp DDA...........................................................................80 3. Quá trình thực hiện DDA trên máy CNC...................................................................................85 II. Mô phỏng các chuyển động nội suy trên matlab Simulink...........................................................88 1. Mô phỏng chuyển động thẳng..................................................................................................88 2. Mô phỏng di chuyển theo cung tròn thuận chiều kim đồng hồ................................................89 3. Mô phỏng di chuyển bàn máy theo cung tròn ngược chiều kim đồng hồ................................91 Kết luận................................................................................................................................................93 Tài liệu tham khảo................................................................................................................................ 94 5 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Lời mở đầu Trong giai đoạn phát triển đi lên theo hướng hiện đại hóa, công nghiệp hóa sản xuất của đất nước ta hiện nay, thì việc sử dụng các loại máy móc hiện đại thay thế sức lao động của con người là xu hướng tất yếu để tăng năng xuất lao động, tạo được nhiều sản phẩm chất lượng cao phục vụ cuộc sống, giải phóng sức lao động con người. Trong công nghiệp để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, độ bền cao, mẫu mã đẹp và đảm bảo tiêu chuẩn, phục vụ nhu cầu cuộc sống, phát triển kinh tế thì cần phải có hệ thống sản xuất tự động bao gồm nhiều loại máy móc công nghiệp hiện đại khác nhau. Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại. Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác. Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại. Bài báo cáo này sẽ trình bày chủ yếu về máy phay CNC có 3 trục chính Trong đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC này , em sẽ thực hiện việc mô hình hóa hệ thống bàn máy CNC về phương trình toán học(cụ thể là trong miền laplace), thể hiện được đặc tính động học và động lực học của hệ thống. Phân tích, đánh giá chất lượng đáp ứng của hệ thống dựa trên các chỉ tiêu chất lượng hệ thống . Từ những phân tích đánh giá và đặc tính của hệ thống cũng như điều kiện làm việc , tải trọng tác dụng ,… Em sẽ thiết kế ra một hệ thống điều khiển sao cho phù hợp và đáp ứng được các yêu cầu tối thiểu của hệ thống đặt ra. Do kiến thức còn hạn hẹp và kinh nghiệm thiết kế không nhiều , bản báo cáo này khó tránh khỏi những thiếu xót nên em rất mong muốn có được sự góp ý của thầy cô. Lời cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy: PGS.TS.GVCC: Lê Giang Nam bởi sự chỉ bảo và giúp đỡ tận tình để em hoàn thành bản báo cáo đồ án này. 6 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT I. Lựa chọn máy tham khảo: Thông số máy cần thiết kế F 211HSC 12 VMC 1000 VF 2YT Số trục :3 Số trục 3 Số trục 3 Số trục 3 Tốc độ quay trục chính: 12,000 vong/phut 10000 450-8100 Cắt thử :400 vong/phut vong/phut vong/phut Đường kính dao Max D=80mm Max D=90mm Max D=89mm D=80mm Kích thước bàn máy theo 1000mm 1000mm 914mm trục x: 770mm Kích thước bàn máy theo 560mm 500mm 454mm truc y: 485mm T-slot size/amount/distance 18/5/63(mm) 18/3/160(mm) 16/3/125(mm) 18/3/119(mm) Khối lượng lớn nhất của 800KG 700KG 1361kg chi tiết M:700KG Vận tốc chạy lớn nhất khi 32,000mm/phut 30,000mm/phut 25,400mm/phut không gia công V1: 20m/phut Vận tốc chạy lớn nhất khi 12,000mm/phut 10,000mm/phut 16,500mm/phut gia công có lực V2: 15m/phut Gia tốc hoạt động lớn Không rõ Không rõ Không rõ nhất của hệ thống a: 4m/s2 7 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Thời gian hoạt động: 05 Thỏa mãn Thỏa mãn Thỏa mãn đến 07 năm Từ bảng so sánh trên, ta thấy máy VF 2YT có nhiều thông số kỹ thuật giống với máy cần thiết kế nhất =>> ta chọn máy phay VF 2YT làm máy tham khảo 8 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Hình 1.1: Bảng thông số kỹ thuật của máy phay VF-2YT 9 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC II. Phân tích động học máy tham khảo Hình II : Máy tham khảo 1. Trục chính a. Thông số kỹ thuật - Trục chính máy phay cnc VF-2YT được dẫn động trực tiếp bằng động cơ servo thông qua hộp số để đạt được tốc độ trục chính nhỏ nhất: 450rpm -Tốc độ động cơ trục chính nhỏ nhất :2100rpm -Kiểu côn trục chính: CT or BT 40 10 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Hình 1.1: Cơ cấu trục chính của máy -Làm mát: Liquid cooled b Sơ đồ động học Hình 1.2: Sơ đồ động trục chính c. Phương trình xích động n =n .i tc dc v Ta có ntc=450rpm,ndc=2100rpm => i = 3 là tỷ số truyền của hộp số v 14 2. Truyền động chạy dao a Thông số kỹ thuật - Hành trình trục x: 762 mm - Hành trình trục y: 508mm - Hành trình trục z: 508 mm - Mũi trục chính tới bàn máy: 102-610 mm - Tốc độ chạy dao nhanh trục x: 25,4m/min - Tốc độ chạy dao nhanh trục y: 25,4m/min - Tốc độ chạy dao nhanh trục z: 25,4m/min 11 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC -Tốc độ chay lớn nhất khi có tải (x,y,z): 16.5m/min -Dẫn động bằng động cơ servo qua vít me-đai ốc bi biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến cho các trục chạy dao -Thông số kỹ thuật động cơ servo: Không rõ -Thông số kỹ thuật vít me-đai ốc bi: Không rõ b. Sơ đồ động học Hình 2.1: Sơ đồ động bàn máy tham khảo c. Phương trình xích động v =n t cd dc. x Trong đó: vcd : tốc độ chạy dao của máy (mm/min) ndc: Tốc độ động cơ tương ứng(vòng/min) tx: Bước vít me (mm/vòng) d. Chuyển động chạy dao + Chuyển động chạy dao ngang/dọc: là chuyển động một trục, khi đó bàn máy sẽ di chuyển để tạo ra chuyển động cắt trong quá trình gia công. + Chuyển động chạy dao chéo: là chuyển động 2 trục, khi đó bàn máy Xvà Y sẽ chuyển động đồng thời tạo ra chuyển động chéo 12 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Hình 2.2: Nội suy chuyển động thẳng và chéo trên máy phay cnc 3. Các cơ cấu đặc biệt của máy tham khảo a. Vít me- đai ốc bi -Thông số kỹ thuật: Không rõ loại vít me đai ốc bi được dùng trong máy tham khảo - Vít me là phần dẫn động cuối cùng của truyền động chạy dao trong máy. Có độ chính xác cao chịu mài mòn và đảm bảo cứng vững. - Loại cơ cấu vít me -đai ốc bi có tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là tiếp xúc lăn nên có thể coi ma sát không đáng kể và đáp ứng được các yêu cầu làm việc của máy - Cấu tạo của vít me đai ốc bi gồm 5 bộ phận chính: Hình 3.1: Cấu tạo của bộ vít me đai ốc bi 1. Trục vít me: được gia công các rãnh ren ở dạng cầu, để chứa và dẫn chuyển động của bi. 13 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC 2. Đai ốc bi: được chế tạo giống như chức năng của đai ốc, bên trong chữa các rãnh tròn để chứa bi và dẫn chuyển động của bi. 3. Bi: Bi được chế tạo dạng cầu, đường kính bi tùy thuộc vào từng loại vít me đai ốc. Bi sẽ tiếp xúc với rãnh của trục vít và đai ốc, chuyển động lăn, để truyền chuyển động giữa trục vít me và đai ốc. 4. Vành nhựa chắn bi: thường được làm bằng nhựa để chặn các bụi bẩn trong quá trình làm việc. Vành nhựa được chế tạo cùng bước ren với bước trên trục vít và đai ốc bi. 5. Đường hồi bi: Các viên bi di chuyển bên trong rãnh ren của ổ bi và được tuần hoàn thông qua các loại cơ chế trả về khác nhau. Nếu bi không có cơ chế trả lại (hồi bi) thì nó sẽ rơi ra khỏi đầu ổ bi khi chúng đến cuối ổ. Vì vậy có 2 kiểu đường hồi bi: là đường hồi bi ngoài và hồi bi trong. Đường hồi bi ngoài là các viên bi được hồi về bên đối diện nhờ ống hồi bi đặt bên ngoài thân của đai ốc bi. Kiểu hồi bi này dễ sửa chữa hơn kiểu hồi bi trong. 6. Đường hồi bi trong là các viên bi được hồi liên tục qua rãnh hồi bi nằm phía trong thân đai ốc bi. Loại này rất khó tháo lắp, khó sửa. - Các dạng profin ren của vít me và đai ốc: Dạng chữ nhật (hình b), dạng hình thang (hình c), dạng nửa cung tròn và dạng rãnh (dạng cung nhọn). Dạng chữ nhật và dạng prôfin ren hình thang có khả năng tải thấp, chỉ dùng khi máy có khả năng chịu tải trọng chiều trục bé và độ cứng vững không cao.Dạng nửa cung tròn (hình d) được sử dụng phổ biến nhất, bán kính rãnh r2 gần bằng bán kính viên bi R1 sẽ giảm tối đa ứng suất tiếp xúc, có thể chọn r2/r1=0,95÷0,97, giá trị r2/r1 sẽ làm tổn thất do ma sát 1 cách rõ rệt. Tại góc tiếp xúc bé thì bộ truyền có độ cứng vững bé và khả năng tải bé, lực hướng kính sẽ lớn. Do tăng góc tiếp xúc thì khả năng đảo và độ cứng vững truyền động tăng và hạ thấp tổn thất do ma sát vì vậy khe hở đường kính ∆d phải chọn để góc tiếp xúc đạt 45°. ∆d = 4.(r2 - r1).(1 - cos α) . 14 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Hình 3.2: Các dạng profin ren và ổ bi -Dạng rãnh cung nhọn (a) có nhiều ưu điểm hơn loại cung tròn, nó còn cho phép truyền động không rơ hoặc chọn được độ dôi của đường kính viên bi. Còn ở dạng nửa tròn muốn khử độ rơ và tạo độ dôi đều dùng thêm đai ốc thứ hai để điều chỉnh. - Các ưu điểm chính của bộ truyền: + Tổn thất ma sát bé, hiệu suất của cơ cấu vít me đai ốc bi có thể đạt tới 0.9 trong khi các vít me trượt chỉ đạt từ (0.2-0.4) + Độ cứng dọc trục cao nhờ biện pháp tạo lực căng sơ bộ ban đầu +Lực ma sát không phụ thuộc vào vận tốc, do đảm bảo chuyển động ổn định + Đảm bảo độ chính xác làm việc lâu dài b. Ray dẫn hướng -Thông số kỹ thuật: Không rõ loại ray cụ thể được dùng trong máy tham khảo 15 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Hình 3.3: cấu tạo ray dẫn hướng Cấu tạo Rail – Ray trượt. Seal chắn bụi giữ mỡ. Side seal – Tấm thép chống va đạp Ball slide – Block và đầu bi hồi. Ball – Bi. Rãnh bi hồi. Nhiệm vụ: dẫn hướng chuyển động cho các bàn máy X, Y và chuyển động lên xuống theo trục Z của trục chính Yêu cầu: thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính Kết cấu: + Kết cấu chung của dẫn hướng bao gồm: thanh dẫn hướng (xích bi nếu là dẫn hướng ma sát lăn), xe trượt, đệm khí, … Một số dạng đường dẫn hướng: Dẫn hướng phẳng: rất dễ sản xuất, chúng cần có thanh chỉnh thêm để điều chỉnh độ hở và một thanh khóa 16 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC nhằm ngăn cản việc bàn trượt bị nâng lên; chịu lực vuông góc với mặt dẫn hướng Dẫn hướng đuôi én: mộng đuôi én ngăn chặn việc bị nâng lên của bàn máy. Với một thanh chỉnh thêm ta có thể chỉnh độ hở hoặc cân bằng độ mòn; chi phí sản xuất đắt Đẫn hướng tròn: dễ sản xuất và chính xác. Đảm bảo chống lại xoay tròn bằng rãnh hoặc kết hợp với bộ phận dẫn hướng khác Ưu điểm: + Độ chính xác vị trí cao + Độ chính xác chuyển động cao, tuổi thọ cao + Có thể chuyển động ở tốc độ cao với lực truyền động thấp + Khả năng tải bằng nhau theo mọi hướng + Cài đặt, bôi trơn dễ dàng, có thể thay thế cho nhau 4. Truyền dẫn thay dao a. Thông số kỹ thuật -Loại: thay dao sử dụng tay máy -Số đầu dao: 20 -Đường kính dao max: D=89mm -Trọng lượng dao max: 5,4kg -Thời gian thay dao trung bình: 4,2 s b. Cơ cấu tháo kẹp dụng cụ bằng khí nén -Tháo dụng cụ: Khí nén đi vào xy lanh đẩy 17 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC piston đi xuống, nén trục kẹp ép lò xo đĩa làm nhả mỏ kẹp, đồng thời khí nén đi vào tâm trục đẩy dụng cụ ra khỏi trục chính Hình 4.1: Cơ cấu kẹp dụng cụ bằng khí nén -Kẹp dụng cụ: Đưa dao vào trục chính, khí nén đI vào buồng dưới piston và đẩy piston đi lên, lò xo đỉa đẩy trục kẹp lên, mỏ kẹp đi lên và kẹp chặt đuôi dụng cụ. c. Cơ cấu thay dao tự động sử dụng tay máy 18 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Hình 4.2: Cơ cấu thay dao tự động của máy tham khảo -Dưới đây là các bước thay dao sử dụng tay máy: 1. chuyển dụng cụ được gọi bởi chương trình NC và trục chính vào vị trí thay dao 2. Tay máy tiến vào vị trí thay doa, quay 90 độ kẹp dụng cụ trên ổ chứa dao và trên trục chính 3. Đẩy dụng cụ ra khỏi ổ chứa dao và trục chính 4. Tay máy quay 180 độ đổi dụng cụ 5. Đẩy dụng cụ vào chứa dao và trục chính 6. Quay tay máy ngược chiều 90 độ, lùi về vị trí ban đầu 19 | P a g e
Đồ án thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC Hình 4.3: Cơ cấu thay dao sử dụng tay máy 5. Sơ đồ động học toàn máy Hình 5.1: Sơ đồ động học toàn máy phay cnc 3 trục 20 | P a g e
Affichage des 20 premières pages. Téléchargez le document pour le voir en entier.
Aucun commentaire pour le moment. Soyez le premier !
Commentaires (0)
Aucun commentaire pour le moment. Soyez le premier !