“Yêu cầu và biện pháp tối ưu hóa cơ cấu truyền động của máy công cụ CNC”
Trong sản xuất hiện đại, máy công cụ CNC đã trở thành thiết bị gia công then chốt nhờ những ưu điểm như độ chính xác cao, hiệu suất cao và mức độ tự động hóa cao. Hệ thống truyền động của máy công cụ CNC thường hoạt động với hệ thống cấp liệu servo, đóng vai trò then chốt. Theo các lệnh được truyền từ hệ thống CNC, hệ thống này khuếch đại và sau đó điều khiển chuyển động của các bộ phận truyền động. Hệ thống này không chỉ cần kiểm soát chính xác tốc độ cấp liệu mà còn kiểm soát chính xác vị trí và quỹ đạo chuyển động của dụng cụ so với phôi.
Một hệ thống cấp liệu điều khiển vòng kín điển hình của máy công cụ CNC chủ yếu bao gồm một số bộ phận như bộ so sánh vị trí, bộ phận khuếch đại, bộ truyền động, cơ cấu truyền động cơ học và các bộ phận phản hồi phát hiện. Trong số đó, cơ cấu truyền động cơ học là toàn bộ chuỗi truyền động cơ học chuyển đổi chuyển động quay của động cơ servo thành chuyển động cấp liệu tuyến tính của bàn làm việc và giá đỡ dụng cụ, bao gồm các bộ phận giảm tốc, cặp vít me và đai ốc, các bộ phận dẫn hướng và các bộ phận hỗ trợ của chúng. Là một mắt xích quan trọng trong hệ thống servo, cơ cấu cấp liệu của máy công cụ CNC không chỉ cần có độ chính xác định vị cao mà còn phải có đặc tính đáp ứng động tốt. Phản ứng của hệ thống đối với các tín hiệu lệnh theo dõi phải nhanh và độ ổn định phải tốt.
Để đảm bảo độ chính xác truyền động, tính ổn định của hệ thống và đặc tính phản ứng động của hệ thống cấp liệu của trung tâm gia công đứng, một loạt các yêu cầu nghiêm ngặt được đưa ra đối với cơ cấu cấp liệu:
I. Yêu cầu không có khoảng cách
Khe hở truyền động sẽ dẫn đến lỗi vùng chết ngược và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Để loại bỏ khe hở truyền động càng nhiều càng tốt, có thể áp dụng các phương pháp như sử dụng trục liên kết có loại bỏ khe hở và các cặp truyền động có biện pháp loại bỏ khe hở. Ví dụ, trong cặp trục vít me và đai ốc, có thể sử dụng phương pháp tải trước đai ốc kép để loại bỏ khe hở bằng cách điều chỉnh vị trí tương đối giữa hai đai ốc. Đồng thời, đối với các bộ phận như hộp số bánh răng, cũng có thể sử dụng các phương pháp như điều chỉnh miếng chêm hoặc các bộ phận đàn hồi để loại bỏ khe hở, đảm bảo độ chính xác của hộp số.
Khe hở truyền động sẽ dẫn đến lỗi vùng chết ngược và ảnh hưởng đến độ chính xác gia công. Để loại bỏ khe hở truyền động càng nhiều càng tốt, có thể áp dụng các phương pháp như sử dụng trục liên kết có loại bỏ khe hở và các cặp truyền động có biện pháp loại bỏ khe hở. Ví dụ, trong cặp trục vít me và đai ốc, có thể sử dụng phương pháp tải trước đai ốc kép để loại bỏ khe hở bằng cách điều chỉnh vị trí tương đối giữa hai đai ốc. Đồng thời, đối với các bộ phận như hộp số bánh răng, cũng có thể sử dụng các phương pháp như điều chỉnh miếng chêm hoặc các bộ phận đàn hồi để loại bỏ khe hở, đảm bảo độ chính xác của hộp số.
II. Yêu cầu về ma sát thấp
Việc áp dụng phương pháp truyền động ma sát thấp có thể giảm tổn thất năng lượng, cải thiện hiệu suất truyền động, đồng thời giúp cải thiện tốc độ phản ứng và độ chính xác của hệ thống. Các phương pháp truyền động ma sát thấp phổ biến bao gồm dẫn hướng thủy tĩnh, dẫn hướng lăn và vít me bi.
Việc áp dụng phương pháp truyền động ma sát thấp có thể giảm tổn thất năng lượng, cải thiện hiệu suất truyền động, đồng thời giúp cải thiện tốc độ phản ứng và độ chính xác của hệ thống. Các phương pháp truyền động ma sát thấp phổ biến bao gồm dẫn hướng thủy tĩnh, dẫn hướng lăn và vít me bi.
Dẫn hướng thủy tĩnh tạo thành một lớp màng dầu áp suất giữa các bề mặt dẫn hướng, giúp đạt được chuyển động trượt không tiếp xúc với ma sát cực nhỏ. Dẫn hướng con lăn sử dụng lực lăn của các chi tiết con lăn trên ray dẫn hướng để thay thế cho lực trượt, giúp giảm đáng kể ma sát. Vít me bi là bộ phận quan trọng giúp chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động thẳng. Các viên bi lăn giữa vít me và đai ốc với hệ số ma sát thấp và hiệu suất truyền động cao. Các bộ phận truyền động ma sát thấp này có thể giảm hiệu quả lực cản của cơ cấu dẫn động trong quá trình di chuyển và cải thiện hiệu suất của hệ thống.
III. Yêu cầu quán tính thấp
Để cải thiện độ phân giải của máy công cụ và tăng tốc tối đa cho bàn làm việc, nhằm đạt được mục đích theo dõi lệnh, mô men quán tính được hệ thống chuyển đổi sang trục truyền động phải càng nhỏ càng tốt. Yêu cầu này có thể đạt được bằng cách lựa chọn tỷ số truyền tối ưu. Việc lựa chọn tỷ số truyền hợp lý có thể giảm mô men quán tính của hệ thống, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về tốc độ và gia tốc chuyển động của bàn làm việc. Ví dụ, khi thiết kế bộ giảm tốc, tùy theo nhu cầu thực tế, có thể lựa chọn tỷ số truyền hoặc tỷ số truyền đai phù hợp để tốc độ đầu ra của động cơ servo phù hợp với tốc độ chuyển động của bàn làm việc, đồng thời giảm mô men quán tính.
Để cải thiện độ phân giải của máy công cụ và tăng tốc tối đa cho bàn làm việc, nhằm đạt được mục đích theo dõi lệnh, mô men quán tính được hệ thống chuyển đổi sang trục truyền động phải càng nhỏ càng tốt. Yêu cầu này có thể đạt được bằng cách lựa chọn tỷ số truyền tối ưu. Việc lựa chọn tỷ số truyền hợp lý có thể giảm mô men quán tính của hệ thống, đồng thời đáp ứng các yêu cầu về tốc độ và gia tốc chuyển động của bàn làm việc. Ví dụ, khi thiết kế bộ giảm tốc, tùy theo nhu cầu thực tế, có thể lựa chọn tỷ số truyền hoặc tỷ số truyền đai phù hợp để tốc độ đầu ra của động cơ servo phù hợp với tốc độ chuyển động của bàn làm việc, đồng thời giảm mô men quán tính.
Ngoài ra, khái niệm thiết kế trọng lượng nhẹ cũng có thể được áp dụng, và vật liệu nhẹ hơn có thể được lựa chọn để chế tạo các bộ phận truyền động. Ví dụ, việc sử dụng vật liệu nhẹ như hợp kim nhôm để chế tạo các cặp vít me, đai ốc và các bộ phận dẫn hướng có thể làm giảm quán tính tổng thể của hệ thống.
IV. Yêu cầu về độ cứng cao
Hệ thống truyền động có độ cứng cao có thể đảm bảo khả năng chống nhiễu bên ngoài trong quá trình gia công và duy trì độ chính xác gia công ổn định. Để cải thiện độ cứng của hệ thống truyền động, có thể áp dụng các biện pháp sau:
Rút ngắn xích truyền động: Việc giảm các liên kết truyền động có thể làm giảm biến dạng đàn hồi của hệ thống và cải thiện độ cứng. Ví dụ, sử dụng phương pháp dẫn động trực tiếp trục vít me bằng động cơ giúp tiết kiệm các liên kết truyền động trung gian, giảm sai số truyền động và biến dạng đàn hồi, đồng thời cải thiện độ cứng của hệ thống.
Cải thiện độ cứng của hệ thống truyền động bằng cách gia tải trước: Đối với thanh dẫn hướng lăn và cặp vít me bi, phương pháp gia tải trước có thể được sử dụng để tạo ra một tải trước nhất định giữa các thanh dẫn hướng lăn và ray dẫn hướng hoặc vít me, nhằm cải thiện độ cứng của hệ thống. Giá đỡ vít me được thiết kế để cố định ở cả hai đầu và có thể có cấu trúc kéo giãn trước. Bằng cách áp dụng một lực căng trước nhất định lên vít me, lực dọc trục trong quá trình vận hành có thể được triệt tiêu và độ cứng của vít me được cải thiện.
Hệ thống truyền động có độ cứng cao có thể đảm bảo khả năng chống nhiễu bên ngoài trong quá trình gia công và duy trì độ chính xác gia công ổn định. Để cải thiện độ cứng của hệ thống truyền động, có thể áp dụng các biện pháp sau:
Rút ngắn xích truyền động: Việc giảm các liên kết truyền động có thể làm giảm biến dạng đàn hồi của hệ thống và cải thiện độ cứng. Ví dụ, sử dụng phương pháp dẫn động trực tiếp trục vít me bằng động cơ giúp tiết kiệm các liên kết truyền động trung gian, giảm sai số truyền động và biến dạng đàn hồi, đồng thời cải thiện độ cứng của hệ thống.
Cải thiện độ cứng của hệ thống truyền động bằng cách gia tải trước: Đối với thanh dẫn hướng lăn và cặp vít me bi, phương pháp gia tải trước có thể được sử dụng để tạo ra một tải trước nhất định giữa các thanh dẫn hướng lăn và ray dẫn hướng hoặc vít me, nhằm cải thiện độ cứng của hệ thống. Giá đỡ vít me được thiết kế để cố định ở cả hai đầu và có thể có cấu trúc kéo giãn trước. Bằng cách áp dụng một lực căng trước nhất định lên vít me, lực dọc trục trong quá trình vận hành có thể được triệt tiêu và độ cứng của vít me được cải thiện.
V. Yêu cầu về tần số cộng hưởng cao
Tần số cộng hưởng cao có nghĩa là hệ thống có thể nhanh chóng trở lại trạng thái ổn định khi chịu tác động của nhiễu bên ngoài và có khả năng chống rung tốt. Để cải thiện tần số cộng hưởng của hệ thống, có thể bắt đầu bằng các khía cạnh sau:
Tối ưu hóa thiết kế kết cấu của các bộ phận truyền động: Thiết kế hợp lý hình dạng và kích thước của các bộ phận truyền động như vít me và ray dẫn hướng để cải thiện tần số tự nhiên của chúng. Ví dụ, sử dụng vít me rỗng có thể giảm trọng lượng và cải thiện tần số tự nhiên.
Chọn vật liệu phù hợp: Chọn vật liệu có mô đun đàn hồi cao và mật độ thấp, chẳng hạn như hợp kim titan, v.v., có thể cải thiện độ cứng và tần số riêng của các thành phần truyền động.
Tăng độ giảm chấn: Việc tăng độ giảm chấn thích hợp trong hệ thống có thể tiêu thụ năng lượng rung động, giảm đỉnh cộng hưởng và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Độ giảm chấn của hệ thống có thể được tăng cường bằng cách sử dụng vật liệu giảm chấn và lắp đặt bộ giảm chấn.
Tần số cộng hưởng cao có nghĩa là hệ thống có thể nhanh chóng trở lại trạng thái ổn định khi chịu tác động của nhiễu bên ngoài và có khả năng chống rung tốt. Để cải thiện tần số cộng hưởng của hệ thống, có thể bắt đầu bằng các khía cạnh sau:
Tối ưu hóa thiết kế kết cấu của các bộ phận truyền động: Thiết kế hợp lý hình dạng và kích thước của các bộ phận truyền động như vít me và ray dẫn hướng để cải thiện tần số tự nhiên của chúng. Ví dụ, sử dụng vít me rỗng có thể giảm trọng lượng và cải thiện tần số tự nhiên.
Chọn vật liệu phù hợp: Chọn vật liệu có mô đun đàn hồi cao và mật độ thấp, chẳng hạn như hợp kim titan, v.v., có thể cải thiện độ cứng và tần số riêng của các thành phần truyền động.
Tăng độ giảm chấn: Việc tăng độ giảm chấn thích hợp trong hệ thống có thể tiêu thụ năng lượng rung động, giảm đỉnh cộng hưởng và cải thiện độ ổn định của hệ thống. Độ giảm chấn của hệ thống có thể được tăng cường bằng cách sử dụng vật liệu giảm chấn và lắp đặt bộ giảm chấn.
VI. Yêu cầu về tỷ lệ giảm chấn thích hợp
Tỷ lệ giảm chấn thích hợp có thể giúp hệ thống nhanh chóng ổn định sau khi bị nhiễu loạn mà không làm giảm rung động quá mức. Để đạt được tỷ lệ giảm chấn thích hợp, việc kiểm soát tỷ lệ giảm chấn có thể đạt được bằng cách điều chỉnh các thông số hệ thống như thông số bộ giảm chấn và hệ số ma sát của các bộ phận truyền động.
Tỷ lệ giảm chấn thích hợp có thể giúp hệ thống nhanh chóng ổn định sau khi bị nhiễu loạn mà không làm giảm rung động quá mức. Để đạt được tỷ lệ giảm chấn thích hợp, việc kiểm soát tỷ lệ giảm chấn có thể đạt được bằng cách điều chỉnh các thông số hệ thống như thông số bộ giảm chấn và hệ số ma sát của các bộ phận truyền động.
Tóm lại, để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của máy công cụ CNC về cơ cấu truyền động, cần phải thực hiện một loạt các biện pháp tối ưu hóa. Những biện pháp này không chỉ cải thiện độ chính xác và hiệu quả gia công của máy công cụ mà còn nâng cao tính ổn định và độ tin cậy của máy công cụ, hỗ trợ mạnh mẽ cho sự phát triển của sản xuất hiện đại.
Trong ứng dụng thực tế, cần phải xem xét toàn diện các yếu tố khác nhau theo nhu cầu gia công cụ thể và đặc tính của máy công cụ, từ đó lựa chọn cơ cấu truyền động và biện pháp tối ưu hóa phù hợp nhất. Đồng thời, với sự tiến bộ không ngừng của khoa học công nghệ, các vật liệu, công nghệ và khái niệm thiết kế mới liên tục xuất hiện, tạo ra không gian rộng lớn để cải thiện hơn nữa hiệu suất của cơ cấu truyền động trên máy công cụ CNC. Trong tương lai, cơ cấu truyền động của máy công cụ CNC sẽ tiếp tục phát triển theo hướng độ chính xác cao hơn, tốc độ cao hơn và độ tin cậy cao hơn.