LỜI NÓI ĐẦU

   Hiện nay khoa học kỹ thuật đang phát triển rất nhanh, mang lại những 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 đưa đất nước đi lên thành một nước công nghiệp hóa hiện đại hóa. Để thực hiện điều đó thì một trong những ngành cần quan tâm phát triển nhất đó là ngành cơ khí nói chung và cơ điện tử nói riêng vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất ra các thiết bị công cụ ( máy móc, robot…) của mọi ngành kinh 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 yêu cầu của công nghệ tiên tiến, công nghệ tự động hóa theo dây chuyền sản xuất.

   Máy công cụ điều khiển số CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các xí nghiệp công nghiệp ở nước ta. Phát huy hiệu quả sử dụng, bảo dưỡng, vận hành máy CNC là vấn đề được đặc biệt quan tâm của chúng ta. Muốn phát huy hiệu quả tối đa khả năng thiết bị cũng như cải tiến nó cho phù hợp với con người Việt Nam đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về máy CNC.

  Đồ án thiết kế cơ khí là nội dung không thể thiếu trong chương trình đào tạo kĩ sư Cơ điện tử. Đồ án này giúp cho sinh viên có thể hệ thống lại các kiến thức của môn học như: Chi tiết máy, Vẽ kĩ thuật, Cơ học kĩ thuật, Nguyên lý máy, Sức bền vật liệu…Đồng thời cũng giúp chúng em học thêm một số phần mềm thiết kế, mô phỏng cần thiết như Solidworks, Auto CAD…Ngoài ra giúp chúng em làm quen với công việc thiết kế và làm đồ án tốt nghiệp sau này.

  Dù đã cố gắng hoàn thành đồ án này cùng với sự hướng dẫn nhiệt tình và cụ thể  của các thầy cô trong bộ môn, nhưng theo hiểu biết còn hạn hẹp cộng với chưa có kinh nghiệm thực tiễn nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô để em rút thêm 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 là sự hướng dẫn tận tình của thầy :................... đã giúp em hoàn thành đồ án này.

Em xin chân thành cảm ơn!

A. TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC

2. Tổng quan về hệ thống thay dao tự động.

a. Nhiệm vụ của hệ thống thay dao:

- Là nơi cất giữ được một số lượng dao cần thiết và đưa nhanh cho mỗi dao vào vị trí làm việc khi có yêu cầu .Các máy CNC hiện đại thường xuyên được trang bị hệ thống thay dao tự động theo chương trình ATC(automatic tool changer)

b. Ưu - nhược điểm so với thao tác bằng tay:

* Ưu điểm:

+  Rút ngắn thời gian đổi dụng cụ

+  Tránh lỗi khi thao tác

+  Tránh được một số rủi ro tai nạn

+  Có khả năng tự động hóa ở cấp độ cao

d. Phân loại cơ cấu tích dụng cụ:

 Gồm 2 loại chính là loại đầu Revonve và loại ổ tích dao

-         Loại đầu Revonve có : 3 loại

+ Đầu Revonve dạng sao

+ Đầu Revonve dạng chữ thập

+ Đầu Revonve dạng tang trống

- Loại Ổ tích dao có : 7 loại

+ Ổ tích dao dạng đài

+ Ổ tích dao dạng vòng

+ Ổ tích dao dạng côn

+ Ổ tích dao dạng bang xích

+ Ổ tích dao dạng đĩa tròn

B.TÍNH TOÁN KẾT CẤU CƠ KHÍ CỦA HỆ THỐNG THAY DAO TỰ ĐỘNG

Các thông số đầu vào:

-    Dạng đài dao : Hình tang trống

-    Dạng chuôi dao : BT40

-    Bán kính lớn nhất của đầu kẹp R_max1= 31,5 mm

-    Bán kính lớn nhất của dao R_max2= 60 mm

I. Tính toán thiết kế đài gá dao

c)  Bán kính tang của đài chứa dao:

- Bán kính vòng trong của tang đài chứa dao là R₂= 300 mm

- Bán kính vòng ngoài của tang đài chứa dao là R₁= R₂+ r =300+168 =468 mm

- Bán kính bên ngoài của các rãnh rang điều khiển tay quay ( cơ cấu mante ) là :

R₃= R₂ - h= 300 – 20 = 280 mm

Với  h =20 mm là độ lệch

d)     Tính kích thước chiều cao tang:

Chiều cao của được tính theo công thức :

H= E + f + h

Với:    H là chiều cao tang

E là chiều dài chuôi dao BT40. Lấy theo tiêu chuẩ E =125 mm

f =30 mm là chiều dày thành tang

h= 45 mm là chiều cao dự phòng

=> Vậy H = 125+ 30 + 45 = 200 mm

    2>Tính toán cơ cấu Mante.

Sơ đồ tính toán cơ cầu Mante

a)    Nguyên lý hoạt động của cơ cấu Mante:

Cơ cấu mante là cơ cấu dùng để biến chuyển động quay liên tục của đĩa O₁ thành chuyển động quay gián đoạn của đĩa O₂

    Cơ cấu mante gồm đĩa O₁ bán kính R₁ , thanh gạt O₁A , đĩa hình sao O₂ có nhiều rãnh hướng tâm đặt đối xứng qua tâm O₂

   Khi đĩa 1 quay sẽ có lúc chốt A lọt vào rãnh và gạt đĩa này quay quanh trục O₂ .Khi chốt A ra khỏi rãnh thì đĩa 2 sẽ dừng lại vì cung tròn của đĩa 1 tiếp xúc với cung EDC của đĩa 2

Với hệ thống thay dao gồm có 24 dao. Vậy ta cần tính cơ cấu mante với số rãnh là 24 . Số chốt có thể lớn hơn 1

   Với kết cấu của đài tang mang dao ta đi tính cơ cấu mante với bán kính đĩa R₃= 280 mm.

b)    Tính toán các thành phần của cơ cấu Mante:

Góc giữa 2 răng điều khiển trên tang đài chứa dao α :

α =  =  = 15⁰

Chiều dài cung điều khiển S:

S =R₃α = 280.15.   =73,3 mm

Đường kính của đĩa 1:

d₁>  =  = 36,65 mm => Lấy d₁ = 40 mm

  Vì chỉ cần có cung tròn trên đĩa 1 tiếp xúc cung tròn trên đĩa 2 nê khoảng cách O₁O₂ >R₃

Ta có 2 =180 - 2    . Với  2 là góc giữa 2 rãnh

=> 2 =180 - 2  = 165⁰

Vậy =82,5⁰

Ta tính O₁H:

O₁A =  =   = 36,97 mm

Lấy O₁A = 40mm

  O₁H =O₁A cos 82,5⁰ = 5,22 mm lấy O₁H = 6 mm

Ta tính O₂H :

O₂A = R₃ = 280 mm

O₂H =O₂A . cos7,5⁰ =277,6 mm  lấy O₂H = 278 mm

Ta tính O₁O₂ :

O₁O₂ = O₁H + O₂H = 278 + 6 =284 mm

Chiều sâu rãnh điều khiển trên đĩa 2 :

C ≥ R₃ – (O₁O₂ – O₁A) = 280 – (284 - 40) =36 mm

Lấy chốt có đường kính d = 12 mm

     Vậy khi đĩa 1 quay đều đĩa 2 không quay đều

Thời giant hay dao hệ thống là  : 5/9 s

Ta chọn ổ thông dụng- cỡ nhẹ

Khả năng tải tĩnh của ổ được tính theo công thức :

   Q_t ≤ C₀

Với Q_t là tải trọng tĩnh được tính

              Q_t= X₀F_r + Y₀F_a

             F_r 0 là lực hướng tâm

             F_a là lực dọc trục

Trọng lượng của ụ dao bao gồm:

-         Tổng trọng lượng dao Q₁= N.q_max

Với q_max = 7 kg là khối lượng 1 con dao

       N=24 dao

=>>> Q₁= 24.7 = 168 kg

-         Trọng lượng các tay kẹp Q₂ = N.q

Với q = 0,42 kg là trọng lượng 1 tay kẹp

       N=24 dao

b)    Kiểm nghiệm lại ổ:

 Vì mỗi lần hoạt động tang chỉ quay từ 1-2 vòng nên ta kiểm nghiệm tải tĩnh theo công thức

   Q_t ≤ C₀ 

Với:    Q_t là tải trọng tĩnh tác dụng lên ổ

                                    Q_t = X₀F_r + Y₀F_a

             F _r 0 là lực hướng tâm

              F_a là lực dọc trục F_a=G

Trọng lượng thực của tang sau khi tối ưu hóa kết cấu là: Q₃ = 250kg

  =>  Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ = 168 + 10 +250 = 428 kg

=>F_a = G = 4280 N

X₀  =0,5 là hệ số tải trọng hướng tâm.

Y₀  =0,22cotα = 0,22.cot13,83⁰= 0,894  là hệ số tải trọng dọc trục

   Thay số ta tính được :

Q_t= X₀F_r + Y₀F_a = 0,5.0 + 0,894.4280 = 3827 N

Suy ra :    Q_t  ≤ C₀ = 82,1 KN

Chọn Z =2 ta tính được đường kính trung bình của bulong

d  2,21. 10^-3 = 2,21 mm

Chọn theo tiêu chuẩn M8

 Vậy 4 bulong M8 bắt đối xứng qua tâm trục đủ điều kiện làm việc

b)    Tính toán đường kính trục đỡ tang:

   Đường kính ngoài trục đỡ tang lấy theo đường kính trong của ổ lăn D=70 mm

   Chọn sơ bộ đường kính trong của trục d =20 mm

   Trục đỡ tang chỉ chịu tác dụng của lực dọc trục do trọng lượng tang và  các cơ cấu trên tang gây ra G= 4280 kN

    Vật liệu làm trục là thép C45 có:

-  Giới hạn bền  = 550 MPa

-  Giới hạn chảy  = 280 MPa

    Kiểm nghiệm laị độ bền kéo của trục  :

= ≤ [ với F=  = 3534 mm² = 35,34 mm²

= 10⁴= 1,21.10⁶ Pa = 1,21 MPa

=>  [    =280 MPa

Vậy trục thỏa mãn điều kiện bền

 Biến dạng dài của trục  được tính:

 =   =   = 1,39. 10^-4 mm =1,39.10^-3 mm

Trong đó :   L=230  là chiều dài trục 

                    E=2.10⁴ kN/cm² là mô đun đàn hồi của thép

c)     Chọn kiểu lắp ghép của ổ:

-  Chọn kiểu lắp vòng ngoài Ổ với Tang là kiểu lắp theo hệ thống trục : 125Js8/h7

-  Chọn kiểu lắp vòng trong Ổ với trục đỡ Tang là kiểu lắp theo hệ thống lỗ : H8/js7

Với   =61⁰ , arctan

Trong đó :  = 0,14=> = 7,48⁰

Vậy  = 68,48⁰

Mặt khác trong tam giác O₁AO₂có :

 Thay vào phương trình cân bằng momen ta được :

     F_qt1 .R= F_qt2 cosβ .O₂A – F_ms.r_tb

=> 7.0,5².46,73 + F_qt2 .cos68,48⁰ .0,269 -85,62.97,5

=> F_qt2 = 863,4 N

 Momen cản do F_qt2 gây ra trên đĩa 1 là :

  M_c = F_qt1. O₁A = 863,4.0,04 = 34,54 Nm

c)     Lựa chọn hộp số

Từ việc chọn động cơ ta đi tính toán thông số đầu vào - đầu ra của hộp số cho phù hợp:

-         Đầu vào n_đc = 50 vòng/phút

Công suất N_đc= 1,1kW

=> Momen xoắn đầu vào M_v=  =28 N.m

Tính toán hệ thống dẫn động khí nén:

Khoảng cách giới hạn giữa trục đài dao xảy ra va chạm với trục chính là:

L_min= = 500 mm

L_max= + k =750 mm

Với  k  ≥ + r + f

Để khi đài dao ra vào không xảy ra va chạm với trục chính :

Z = 340 mm là chiều rộng bàn máy 

r = 31,5 mm là bán kính cổ chuôi dao BT 40

f = 20 mm là khoảng các an toàn

suy ra k ≥ 221,5 mm chọn k =250 mm

Hành trình của piston là : H = L_max - L_min = 250 mm

Khối lượng của cả đài gá dao và các chi tiết lắp ghép khác  là  Q (kg)

-  Khối lượng của tang và dụng cụ là Q₀ = 428 kg

-  Trọng lượng của động cơ quay đài dao là Q₁ = 28,7 kg

-  Trọng lượng của trục đỡ tang  Q₂ = 12 kg

-  Trọng lượng của giá treo đài dao Q₃ = 24 kg

-  Các thành phần khác chọn Q₄ = 7,22 kg

Vậy Q = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ = 500 kg

Thông số đầu vào :

-  Khối lượng đài dao Q = 500 kg

-  Hệ số ma sát giữa đài dao và trục dẫn hướng f = 0,1

-  Hành trình của piston là 2 H = 250 mm

Ta tính áp lực piston F =  .p

Với :

D : là đường kính xylanh

p: là áp xuất làm việc

: là hệ số sử dụng của xylanh

Đa số các xylanh khí nén làm việc chịu tải trọng động. Khi đó do tổn hao về masat do đó có tính đàn hồi của khí nén khi chịu tải trọng thay đổi , do sức ỳ của piston trước khi dịch chuyển vì vậy hệ số hiệu dụng giảm thường chọn  = 0,5

 Chọn sơ bộ áp suất làm việc của hệ thống là p = 8 bar =8 Kg/cm²

Để piston di chuyển được thì F = .p ≥ F_ms

Với F_ms là lực masat giữa đài dao và thanh dẫn hướng

Ta có :  F_ms = Q.f = 428.0,1 = 42,8 N

Suy ra D ≥  = 3,99 mm

Chọn :  -  đường kính trong của xylanh D = 50 mm

        -  đường kính cần của piston d = 20 mm

Thay số và ta được  p> 6,356 kg/ cm²  = 6,356 bar

Chọn p =7 kg/cm²

b)  Tính toán trục dẫn hướng đài dao:

Để dẫn hướng cho tang chứa dụng cụ ta dùng 2 trục lắp trên thân đỡ để dẫn hướng

Với hệ thống thay dao đòi hỏi độ chính xác cao trục để dẫn hướng tang chứa dao tiến vào trục chính của máy để thay dao thóng qua các bạc. Vậy ta có thế coi trục chỉ chịu tác dụng của trọng lượng tang chứa dụng cụ ,động cơ để truyền chuyển động quay phân độ tang và thân đỡ tang . Ta chọn vật liệu làm trục là thép C45

Độ võng lớn nhất của trục được tính theo công thức :

f = . L_td . L_td =   =    = 0,34 mm

Điều kiện trục làm việc được :

f ≤ [f]

Với:  [f]  độ võng  cho phép của hệ thống

[f] = h .h là khe hở cho phép làm việc của kết cẩu xylanh-piston

KẾT LUẬN

     Sau một thời gian làm việc tập trung, khẩn trương dưới sự hướng dẫn chỉ bảo của các thầy giáo trong bộ môn, đặc biệt là thầy giáo :………....…, đến nay đồ án của em đã hoàn thành đúng thời hạn đảm bảo các nhiệm vụ được giao.

    Qua quá trình làm đồ án đã giúp em làm quen với những công việc cụ thể của người kỹ sư trong tương lai, phương pháp làm việc độc lập, sáng tạo, khoa học, kỷ luật, đồng thời đồ án đã giúp em củng cố thêm các kiến thức đã được học như : vẽ kỹ thuật, chi tiết máy, kỹ thuật robot….cũng như học hỏi được nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu.

    Cuối cùng em xin cám ơn thầy giáo :………....…, cùng các thầy trong bộ môn đã tận tình hướng dẫn cho em hoàn thành đồ án này.                                                                                 

  Em xin chân thành cảm ơn !

                                                                                                           Hà Nội, ngày .... tháng .... năm  20.....

                                                                                                         Sinh viên thực hiện

                                                                                                       ........................

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trịnh Chất, Lê Uyển “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí T1,T2”.

[2] Trương Hữu Chí, Võ Thị Ry, “Cơ điện tử, hệ thống trong chế tạo máy”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2005

[3] L.V. Doanh, P. T. Hàn, Ng. V.  Hòa, Đ. V. Tân, “Các bộ cảm biến trong kỹ  thuật đo lường và điều khiển”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2006

[4] Nguyễn Mạnh Tiến, “Điều khiển Robot Công nghiệp”, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2007

[5] John Billingsley, “Essentials of Mechatronics”, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2006.

"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"