Nghiên cứu kết cấu thân máy cnc gia công gỗ với mục tiêu nâng cao khả năng làm việc của máy

KHOA

HÂN MÁY CNC GIA CÔNG

MINH -

21


A TP. HCM
KHOA

HÂN MÁY CNC GIA CÔNG

Chuyên ngành:
62520103

: PGS. TS.
:

:
:
:

1.

PGS. TS. Lê Thanh Danh


có)

i


m

.K

-

là

dao
router
bu lơng

thân máy CNC
15000 vg/ph
dao

thân máy

5
.S

iàn
và

hóa
ba

,

v
,
5

các p

dao

ii


ABSTRACT
The dessertation "Structural design research of woodworking CNC machine based
on criteria of working ability" is presented in five chapters.
The dessertation presents the conceptual design for woodworking 3-axis CNC
machines based on geometric-kinematic structure method (G-KS method) combined
with Boole algebra. As a result, the OYXZ plan is selected with the highest stiffness
and vibration resistance. The next step is to use a reliability-based design method for
preliminary design and the Second-Order Reliability Method (SORM) is used to
analyze the reliability of CNC milling machine structure under working targets of
durability and stiffness. In addition, there is also an analysis of the effect of bolt
fastening force on the body stiffness. The analytical results show that choosing the
appropriate value of fastening force will contribute to improving the stiffness of the
body structure.
Then design the CNC machine body with a gantry-type structure and the
maximum rotation speed of the spindle in the range 15000 rev/min, is adjusted to
achieve natural frequency greater than 250 Hz and vibration amplitude is less than
0.025 mm. Natural frequency analysis is performed for the initially designed machine

structure. Then the gantry-type CNC machine structure was optimized using the multiobjective genetic algorithm (MOGA) method and the cross-beam of the body structure
was supplemented with stiffened ribs. The vibration amplitude and resonance
frequency are determined by all three theoretical, simulation and experimental
methods. The results of the calculation of vibration amplitude by theoretical method,
simulation method and experimental method in all 3 directions X, Y and Z are less
than 0.025 mm, the resonance frequency is greater than 250 Hz and the deviation
results of the three methods less than 10%.
Finally, the experimental design method was used to construct the quadratic
regression equation representing the relationship between the spindle speed (n), the
cutting depth (t), feed rate (s) and the spindle vibration amplitude (u) in the process.
The results of the testing of the individual regression coefficients of the equation and
the appropriateness of the regression model show that the mathematical model of
vibration amplitude obtained in this study is quite consistent with the experimental
values. From the quadratic regression equation, the optimal local cutting parameters
(within the investigation scope) is determined to achieve the minimum spindle
amplitude.

iii


B
K
Tp.HCM
.
t
chuyên môn trong su

lu

c

iv

C


DANH M C CÁC HÌNH NH...................................................................................ix
DANH M C B NG BI U ....................................................................................... xiii
DANH M C CÁC T

VI T T T ............................................................................xv

T NG QUAN .....................................................................................1
1.1

.................................................................................................1

1.1.1

..............................................................1

1.1.2

...................3

1.1.3

.......................4

1.1.4

............................6

1.1.5

.................................................7

1.2

1.1.5.1

..........................................7

1.1.5.2

............8

Các nghiên c

c .................................................................8

1.2.1

Các nghiên c

c .........................................................................8

1.2.2

Các nghiên c

c .........................................................................9

1.2.2.1

Nghiên c u nâng cao kh

c c a máy CNC ki u giàn ......9

1.2.2.2

...............................12

1.2.2.3

........20

1.2.2.4
........................................................................................25
1.3

Tính c p thi t ...................................................................................................29

1.4

........................................................................................29

1.5

...........................................29

1.5.1

................................................................................29

1.5.2

...................................................................................30

1.5.3

...................................................30

1.5.3.1

......................................................................................30

1.5.3.2

....................................................................30

1.6

N i dung nghiên c u ........................................................................................30

1.7

K t qu

c ..............................................................................................31

v


1.8

c và th c ti n c

tài .........................................................32

LÝ THUY T .......................................................................34
2.1

-KS ...........................................34

2.1.1

-KS ...........................................................................34

2.1.2

Quy trình b trí các b ph n c a máy theo G-KS .....................................35

2.2

b

c ng theo ch

2.2.1

tk

tin c y.............................37

tin c y ........................................................37

2.2.1.1

p..........................................................37

2.2.1.2

pháp thi t k t

2.2.2

tin c y .................................38

tin c y k t c u máy...............................................................42

2.2.2.1

Gi i thi u chung .................................................................................42

2.2.2.2

lý thuy t c a SORM.................................................................43

2.2.2.3

Phép bi

i tr c giao .......................................................................45

2.2.2.4

g ................................................................................46

2.2.3
...................................................................................................................49
2.3

ng ...............................................................50

2.3.1

Gi i thi u chung ........................................................................................50

2.3.2

ng riêng ...........................................................................51

2.3.2.1

T ns

ng riêng ........................................................................52

2.3.2.2

....................................................................52

2.3.2.3

ng riêng (D

2.3.3
2.4

...................................................53
u ch nh thi t k .................................................54

Qui trình thi t k k t c u thân máy CNC router ..............................................55
NGHIÊN C

B

C NG V NG THÂN MÁY ..58

3.1

..........................................58

3.2

B trí các b ph n c a máy phay CNC router ki u giàn theo G-KS ...............59

3.2.1

Kh i t o b bi n th G-KS ........................................................................60

3.2.2

L a ch

3.2.3

Phân tích các bi n th

các bi n th ......................................................................60
c ch n ..............................................................62

vi


3.3
.......................................................................................................................
67
3.3.1

..........................................68

3.3.2

..............................69

3.3.2.1

....................................69

3.3.2.2

............................................71

3.3.2.3

.....................................73

3.3.3

b n và

3.3.3.1
3.3.3.2
3.3.4

c ng v ng thân máy theo ch

b n thân máy theo ch
Phân tích

Phân

c ng v ng theo ch

tin c y.......74

tin c y ............................76
tin c y ................................82

nh y ......................................................................................85

3.3.5

..............................................................................88

3.3.6

ng c a l c xi t bu lông ................................................................89
NGHIÊN C U VÀ MƠ PH

4.1

NH

NG ...93

ng riêng..................................................................................93

4.1.1

Mơ hình FE c a k t c u thân máy.............................................................93

4.1.2

ng riêng ...........................................................................94

4.2

T

t c u giàn c a máy CNC ...................................................................95

4.2.1

Tham s và m c tiêu t

4.2.2

K t qu t

4.2.3

................................................................96

.....................................................................................97
-MCDM .......................................................................99

4.3

.....................................................103

4.4

....................................................104

4.4.1

t ............................................................................104

4.4.2

..........................................................................109
TH C NGHI

NH

5.1

NG .....116

...........................................116

5.1.1

.......................................................................116

5.1.2

Mi n giá tr các thông s th c nghi m ....................................................117

5.2

Thi t b và v t li u thí nghi m .......................................................................117

5.2.1

..................................................................................117

vii


5.2.2

..................................................................................119

5.2.3

..............................................................................................119

5.3

.....................................................120

5.3.1

.............................................................120

5.3.2

..............................................................120

5.3.3

Th c hi n thí nghi m ..............................................................................124

5.3.4

...............................................................127

5.3.5

.............................128

5.3.6

...................................129

5.4

t qu th c nghi m ...................................................130

5.4.1

ng c a ch

5.4.2
5.4.3

K T LU

ng tr c chính ..................130

c chính ...................................................................132
Mi n làm vi c h p lý c a ch

5.4.4
5.4.5

c

c t .......................................................133

.......................................................................134
T ns d

ng c

ng ..................................................................134

NG PHÁT TRI N ...............................................................138

DANH M

.........................................................145

TÀI LI U THAM KH O.........................................................................................147
PH L C ..................................................................................................................155

viii


DANH M C CÁC HÌNH NH
Các s n ph m làm t g . .................................................................................1
Máy phay CNC router ki u giàn. ....................................................................3
Máy phay CNC router ki u giàn MC-6090 .....................................................4
Máy phay CNC router ki u giàn 3040 V1.4 ...................................................5
Máy phay CNC router ki u giàn SM-1325B2 ................................................6
Các nhóm y u t

Mơ hình h th

n ch

ng chi ti t ......................................9

u khi n. .......................................................................10

Hình d ng ti t di n c t c a k t c u giàn. ......................................................11
. Máy CNC v i k t c u giàn ki u c u trúc sinh h c. ......................................12
Máy CNC v i k t c u giàn ki u t ong ......................................................13
Các lo i c u trúc sinh h c t nhiên. ............................................................13
. K t c u máy CNC ki u giàn. ......................................................................14
. K t c u d m ngang c a máy CNC ki u giàn. .............................................14
. K t c u d m ngang c a máy CNC ki u giàn ..............................................15
. K t c u thân máy CNC ki u giàn ..............................................................16
. K t c u trung tâm máy CNC ki u giàn. ......................................................16
K t c u thân máy CNC ki u giàn. ..............................................................17
K t c u thân máy CNC ki u giàn ...............................................................18
K tc

tr c chính máy CNC ki u giàn. ..........................................18

K tc

tr c chính máy CNC ki u giàn. ..........................................19

K tc
ng d

ng d

ng .............................................20

ng và b truy n vitme bi. ...................................................21
ng h c và mô ph ng c a m i ghép. .........................................22

.

ng h c c a c a m i ghép bu lơng. ............................................22

. Mơ hình ph n t m i ghép bu lông.............................................................23
.

. ....................................................................................26
C m giàn c a k t c u thân máy CNC router ..............................................26
K t c u máy CNC router ............................................................................27

Công th c k t c u G-KS. ..............................................................................34
Ma tr n k t c u c a bi n th . .......................................................................35

ix


. Ví d v l a ch n

các bi n th G-KS..................................................35

c l a ch n G-KS. ..............................................................36
.

tin c y ...................................................40
Gi i thu

tin c y. ..........................................41

.

tin c y..........................................................42

. Hàm m

phân b trong không gian X và U. ...........................................43

. X p x b c hai c a hàm tr ng thái gi i h n trong không gian Y. .................45
. X p x b c nh t c a hàm tr ng thái gi i h n trong không gian Y. .............47
. Qui trình phân tíc

tin c y theo SORM. ................................................48

Qui trình thi t k
.

b n và

c ng v ng thân máy. ................49

á và hi u ch nh thi t k . ..................................................55
Qui trình thi t k k t c u thân máy CNC router .........................................56

Thân máy phay CNC: ...................................................................................58
K t c u bu lông. ............................................................................................59
. Ma tr n công th c c u trúc. ..........................................................................60
Ho

ng c

u ki n 1. ...........................................................................61

. Ho

ng c

u ki n 2. ...........................................................................61

Ho

ng c

u ki n 3. ...........................................................................62

T p bi n th cu i cùng. .................................................................................62
.

u ki n biên c

................................................................63

So sánh chuy n v

................................................................63

. ............................................................................................64
Qui trình s d

mô ph ng. ...................................................65

u ki n biên .............................................................................................65
ng riêng. ...........................................................................66
c

...............................................................................66

Qui trình thi t k

b n và

c ng v ng thân máy. ............67

nh 3.16. Mơ hình thân máy CNC ..............................................................................68
n c a các ph n t (1), (2) và (3). ......................................69
Phân tích l c tác d ng lên ph

u máy. ..................................................70

Phân tích l c d m ngang. ............................................................................72
Phân tích l c tác d ng lên c

ng (3). .....................................................73

x


. D m công xôn. ............................................................................................75
.

th m

phân ph

c theo d li u mô ph ng monte Carlo ....82

.

th m

phân ph

c theo d li u mô ph ng monte Carlo ....85

a.

ng c

l ch chu n c a ng su t gi i h

n xác su t h ng88

. K t c u máy CNC ki u giàn. ......................................................................89
Phân tích harmonic k t c u máy v i l c xi t 5 kN. ....................................89

. Chuy n v

u tr c chính. ...........................................................................90

Hình 4.1. Mơ hình FE c a k t c u thân máy CNC ki u giàn. ......................................93
Hình 4.2. Phân tích t n s
Hình 4.3.

ng riêng ....................................................................94

ng riêng. ...................................................................................95

Hình 4.4.

l

t

u trong ANSYS.......................................................96

Hình 4.5.

n c a k t c u giàn........................................................96

Hình 4.6. K t qu t

...............................................................................................98

Hình 4.7. B trí h

ng. ..............................................................................104

Hình 4.8. T n s

ng riêng sau khi hi u ch nh thi t k . ....................................104

Hình 4.9.
Hình 4.10.

......................................................................................105
ng l c h

..............................................105

Hình 4.11.

t. ..........................................................108

Hình 4.12.

...................109

Hình 4.13.

......................................................................110

Hình 4.14.

u ki n biên ...........................................................................................110

Hình 4.15.

.................111

Hình 4.16.

........................112

Hình 4.17. Mơ hình máy CNC. ...................................................................................113
Hình 5.1. Thi t b thí nghi m. .....................................................................................118
Hình 5.2. Máy phay CNC router ki u giàn. ................................................................118
Hình 5.3. G sao xanh. ...............................................................................................119
Hình 5.4. D ng c c t .................................................................................................120
Hình 5.5.
Hình 5.6. V
Hình 5.7.
Hình 5.8.

thí nghi m. ........................................................................................120
m th c nghi m c a các d ng quy ho ch. .....................................121
thí nghi m. ........................................................................................124
ng c

n chuy n v tr c chính. ........................................130

xi


Hình 5.9.

ng c

Hình 5.10.

n chuy n v tr c chính. ........................................131

ng c

n chuy n v tr c chính........................................131

Hình 5.11. Mi n làm vi c c a ch
Hình 5.12. Các thơng s làm vi c t

c t....................................................................133
....................................................................134

Hình 5.13.

th

ng c a thân máy theo th i gian. ..........................................135

Hình 5.14.

th

ng c a thân máy theo t n s . ...............................................135

xii

DANH M C B NG BI U
B ng 1.1. Tóm t t các cơng trình nghiên c u nâng cao kh

c. ................11

B ng 1.2. Tóm t t các cơng trình nghiên c u v k t c u thân máy. .............................25
B ng 1.3. Tóm t t các cơng trình nghiên c u v k t c u thân máy CNC ki u giàn s
d ng m i ghép bu lông và m i ghép hàn. .....................................................................27
c gi i h

i và trên c a các tham s . ......................................69

c gi i h

i và trên c a bi n thi t k . .....................................72

c gi i h

i và trên c a bi n thi t k . .....................................73

K t qu sau t
. Giá tr

t k . ...........................................................................74
ng ng u nhiên...................................................................75

. Giá tr các vòng l p. ......................................................................................78
Giá tr các vòng l p. ......................................................................................84
. Giá tr c a các thông s ................................................................................86

. K t qu

nh y. ...........................................................................87

. Giá tr c a các thông s . .............................................................................87
. K t qu

nh y ..........................................................................87

. K t qu

u hòa. ..........................................................90

. Ph m vi ng d ng c
.

c gi i h n

..........................................95
i và trên c a các tham s . ......................................97

. Các tham s và m c tiêu t

...................................................................97

. K t qu c a bi n thi t k sau t
. K t qu t

.............................................................98

..............................................................................................98

.

............................................................................106

.

................................................................112
ng

t n s 250 Hz. .....................................113

4.9. Thông s k thu t c a máy CNC ki u giàn. ...............................................114
B ng 5.1. Danh sách các thi t b thí nghi m...............................................................117
B ng 5.2. M c giá tr các nhân t ...............................................................................122
B ng 5.3. Ma tr n th c nghi m 3 nhân t . ..................................................................123
B ng 5.4. Ch
B ng 5.5. K t qu

c

ng cho các thí nghi m. .................................................125
c nghi m..............................................................................126

xiii


B ng 5.6. Ma tr n qui ho ch và k t qu th c nghi m. ...............................................127
B ng 5.7. K t qu h s

i qui. ...........................................................128

B ng 5.8. K t qu

s . ...........................................................129

B ng 5.9. K t qu phân tích ANOVA. .......................................................................129
B ng 5.10.
B ng 5.11.

..................................................132
ns

....................136

xiv


DANH M C CÁC T

VI T T T

Anh
CNC

V

Computer Numerical Control

máy
tính

CAD

Computer Aided Design

CAE

Computer Aided Engineering
máy tính

FORM

First Order Reliability Method

SORM

Second Order Reliability Method

MCS

Monte Carlo Simulation

MPP

Most Probable Point

G-KS

Geometric-Kinematic Structure

FEM

Finite Element Method

MOGA

Multiple-Objective

Genetic

Algorithm
PEG-

Pareto Edgeworth Grierson

MCDM

Multi-Criteria Decision Making

GRA

Grey Relational Analysis

AHP

Analytic Hierarchy Process

MPCT

Multiple

Point

Pareto Edgeworth Grierson

Constraints K

Technique
ANOVA Analysis Of Variance
MSE
SE

Mean Squared Error

Sai s

Squared Error

Sai s

FRF

Frequency Response Function

DOF

Degrees Of Freedom

CDF

Cumulative Distribution Function H

PDF

Probability Density Function

xv

bình


T NG QUAN
1.1

Gi i thi u chung

1.1.1

gia cơng g
c

x

USD.
(hình 1.1) [1]

và s
[2].

c

x
,

-

1.

.
1


Theo c

,

u phát

môi

-

.
,

pháp quan
.
,

[3]

Máy
,
kinh doanh tin
Bên
m
nâng cao
Máy phay CNC
router (Computer Numerial Control router)
nhám, máy khoan [3],.., T
phay CNC
vì:

2

(hình 1.2)


- Máy phay CNC Router

có

gia cơng

- Máy phay CNC router
,
- Máy phay CNC router

2. Máy phay CNC

.

i v i máy phay CNC router ki u giàn có ba lo i chính: Máy lo i l n, máy
lo i trung bình và máy mini.
1.1.2 Các thông s công ngh

c a máy phay CNC router

So v i kim lo i thì g là v t li u m m và g có c u t
ng nên
tính ch
cc
y mà các thơng s
cơng ngh
a gia công g
i gia công kim lo i.
- V n t c c t:
mb
nhám Rz c a b m t g gia công, v n t c c t gia
công g ch n ph bi n trong kho ng V = (2 ÷ 25) m/s. Ch n v n t c c t ph thu c
vào v t li u g gia công và v t li u làm d ng c c
ng v n t c c
hi n nay trên th
ng các máy CNC router s d
i s vòng
quay ph bi n là 12000 vg/ph, 18000 vg/ph và 24000 vg/ph. Trong Spindle, c m tr c

c l p trên các
. Các
và vịng trong, ngồi c a
tr
c s n xu t t thép có kh
u t i c c cao, ch ng mài mòn
và ch u nhi
r t cao.
ng ch y dao: M t s
trình gia cơng có th
n 45 m/ph.

ng ch y dao trong quá

3


- Chi u sâu c t: V i máy CNC router công su t l n, chi u sâu c t trong q trình
gia cơng có th
n 6 mm.
- Cơng su
nh
kw.

c chính: Cơng su t ph bi n c

1.1.3 M t s dòng máy phay CNC router th

ng

ng Vi t Nam

Hà Lan,

giá thành cao và
V

N
N

mà

N
NC
[4].

-

MC-RATC1325 do
.



3.Máy phay CNC

MC-6090
4


600 x 900 x 125 mm.

-24000 vg/ph.
10 m/ph.
: 0,05 mm.
5 kW.
(hình 1.4).

ini



4. Máy phay CNC

3040 V1.4

270 x 440 x 150 mm.
-18000 vg/ph.
3 m/ph.
: 0,02 mm.
1,5 kW.
DV-

-1325B2 do Công ty TNHH MTV TMnh 1.5).

5


: 1300 x 2500 x 100 mm.
: 0-18000 vg/ph.
.
: 0,025 mm.

.



5.

-1325B2

K t c u thân máy hình 1.3 và 1.4 là k t c u bu lông, k t c u thân máy hình 1.5
là k t c
.
iv ik tc
c giá tr
cc
th c a c
ng, d
tr
11] thì hai lo i thân
máy này có t n s
ng riêng r t nh . T n s
ng riêng c a thân máy này
khó có th n m ngồi mi n c
ng v i t n s do s vòng quay c a tr c chính t o
ra (f =0 ÷ 250 Hz). Vì v y c n ph i nâng cao
c ng v ng
ng
cho k t c
gi
ng và nâng cao t n s
ng t nhiên

cho k t c u thân máy.
1.1.4

phay CNC router ki u giàn

m b o kh
c là yêu c
giàn. Các ch tiêu ch y u v kh
bao g m:
[5].

i v i máy phay CNC router ki u
c c a máy phay CNC router ki u giàn

trong quá trình
thân máy phay CNC router.
thân máy

phay CNC

nói riêng
-

6


phay
[6-8]

ghép bu lơng

ghép [9-11]. Vì

thân máy phay

thân máy phay

thì

Do

thân máy phay CNC router trong quá trình làm
C

thân máy theo các

,

[5].
máy phay CNC router
quá

phay CNC router
h và
gia công [5, 12, 13]

phay

riêng
phay CNC router
.

1.1.5
1.1.5.1
Theo t
theo

ng cho phép c a tr c chính
-1 (ISO TR 17243cho phép

7

[14] và


[15]

t
thì
chính a = 40 m/s2. Và
10816-1[16]

.

1.1.5.2

ng và t n s

ng riêng c a máy hi n nay

ng quá trình gia
[17].

[17].

[18, 19].

router
,
1.2 Các nghiên c

và

c

1.2.1 Các nghiên c u trong

c

nay
công

Nghiên
[20]; Nghiên
8