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. Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế mô đun cấp dao cho hệ thống thay dao tự động
II. 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 : T

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

N: số lượng dao của ổ chứa dao N=16
D
max
:đường kính lớn nhất của dao D
max
= 80mm
BT40: loại chuôi dao
M: khối lượng 1 con dao m=7kg
D
trc
: đường kính trục chính D
trc
=120mm
H: hành trình vào lấy dụng cụ của trục chính H=130mm


c) Tính toán động lực học của Malte
d) Tính toán và lựa chọn động cơ
Tính toán trục đỡ Đĩa tích dao
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
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 L
td
= 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 :

N : số dao của ổ chứa N = 16 dao
Vậy :
R
0
>

2
1280
= 203.7 (mm)
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..R
0
= 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 =
16
1884

N
C
= 117.75 (mm)
Khoảng cách giữa các dao có đương kính lớn nhất có thể xác định gần đúng :
L’= L – 2.R
max

điều kiện sau :
T
Trc
L

2
=>
120
95.525
2

 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.

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:

Hình 5. Quy trình kẹp dao

16
C
L r h
N
      
(mm)
Kiểm tra khi tay kẹp mở
Khi thay dao tay kẹp sẽ xoay quanh điểm O
1
một góc  = 5
o
vậy lượng mở thêm
của tay kẹp ứng với bề dầy nhất là :
L
k
 83.tg 83.tg5
o
 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
:
R
1
= R
0
– h – R
maxd
Trong đó :

cần phải xác định bán kính vòng trong của Tang R
2

R
2
< R
1
- L
k
–L
L : khoảng cách từ chốt tay kẹp đến vòng tròn ngoài của Tang L = 16 (mm)
L
k
: Chiều dài chuôi tay kẹp L
k
= 58 (mm)
R
2
< 250 –58 – 16 = 176 (mm)
Lấy R
2
= 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 :

Z
25,11
16
180




Do đó :
o
oo
Z
75,78
16
180
2
180
2




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
t
o
m

Khi cần Man quay với tốc độ đều  = const thì thời gian quay đúng một vòng là:
n
T
60

giây
Trong đó n : số vòng quay/phút của cần chính là số vòng quay của động cơ
bước.
Ta có :
Z
Z
T
t
m
2
2




nZ
Z
T
Z
Z

R
L

(mm)
Lấy L = 150 (mm)
Chiều dài của rãnh đĩa Man :
h = L(sin + cos - 1) + r
h = 150(sin11,25
o
+ cos11,25
o
- 1) + 9 = 35,38 (mm)
Lấy h = 36 (mm)
Bán kính quỹ đạo cần :
Rc = L.sin = 150.sin11,25
o
.= 29,26 (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 :





 arctg
dt
d
dt
d
d





.
sincossin21
)sin(cossin
2



d

Với  = 11,25
o
thì:




.

.
)sincossin21(
sin.cos.sin







d

Khi bắt đầu và kết thúc thì  = /2 -  : 
đ
= 0




tg
d

)sinsinsin21(
cos.sin
22
22
3






 = 52,3169
o

Vận tốc góc lớn nhất khi  = 0
o




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  = 0
o
và gia tốc lớn
nhất khi  = 52,3169
o
khi đó  = 9,95
o
Với thời gian thay dao hệ thống là : 3/7 (s)

= 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.
18
14
216
216
2
2







Z
Z
t
t
o
m

5.0
mo
tt

 t
m
= 0,22(s) ; t
o


(rad/s
2
)
Vận tốc và gia tốc góc ở vị trí bắt đầu và kết thúc của đĩa Man : 
đ
= 0
03,3125,11.49,12.
22

o
d
tgtg

(rad/s
2
)
Gia tốc lớn nhất của đĩa Man xảy ra khi
6113.0
4
1
2
4
1
cos
2
2
2



ooo
ooo
d

(rad/s
2
)
Vận tốc góc lớn nhất khi  = 0
o

03,3
25,11sin1
49,12.25,11sin



o
o
d

(rad/s) 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 :
G
T
= G
Đ

P
T
= G.g = 173.8.9,81 = 1704.978 (N) Hình 8. Sơ đồ tính động lực học cơ cấu Man
Sơ đồ phân bố lực trên cơ cấu Man
Trong đó :
P
đ
: Lực do cần khi quay tác dụng lên rãnh của đĩa Man
P
ms
: Lực masát tạ ổ côn do trọng lượng của Tang tạo ra
P
ms
= P
T
.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
R
o
: 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
= P
đ

.8 = 728.1.10
3
(kg.mm
2
)
=728,1.10
-3
(kg.m
2
)
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  = 52,3169
o

1.134cos 2
22
 rrLLE

(mm).
 P
đ
= 186,2 (N)
Vậy lực tác dụng lớn nhất lên cần gạt trong quá trình thay dao là:

(W) (Chọn động cơ có công suất 70 W)
Số vòng quay của động cơ
n
đc
= 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
với lực dọc trục nên ta chỉ tính toán cho ổ côn còn ổ bi ta lấy theo kích thước của ổ
côn. Hình 9. 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 d
1
= 75 mm ; đường kính
ngoài D = 115 mm , khả năng tải động C = 120 kN , khả năng tải tĩnh C
o
= 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 hoạt động

X
o
, Y
o
: Hệ số tải trọng hướng tâm và hệ số tải trọng dọc trục
X
o
= 0,5 , Y
o
= 0,22.cotg = 0,22.cotg14,08
o
= 0,877
F
r
: lực hướng tâm  0
F
a
: lực dọc trục F
a
= G = 1898 N
Q
T
= 0,5.0 + 0,877.1898 = 1664,5 N < 108,8.10
3
N
Vậy ổ lăn đủ bền.
d. Lựa chọn ổ bi lăn :
Với các thông số của ổ côn : d
1
= 75 mm , D = 115 mm

k

Với
 
5323
4
3475
22




F
mm
2
= 53,23 cm
2

PT
280035,0
23,53
10.1862
3


k

MPa
Vậy trục thoả mãn điều kiện bền.
Biến dạng dài của trục l được tính theo công thức :