Nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa thiết kế kết cấu máy phay CNC cỡ nhỏ trên cơ sở chế độ cắt
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.79 MB, 104 trang )
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
2020
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa thiết kế kết cấu
KỸ THUẬT CƠ KHÍ
máy phay CNC cỡ nhỏ trên cơ sở chế độ cắt
LÊ KHẮC TIẾN
Ngành Kỹ thuật cơ khí
Giảng viên hướng dẫn:
TS. Lê Đức Độ
LÊ KHẮC TIẾN - CB180001
Chữ ký của GVHD
Viện:
Cơ Khí
HÀ NỘI, 09/2020
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi, chưa được công bố
trong bất cứ cơng trình nào và chưa được đăng trong bất kỳ tài liệu, tạp chí, hội nghị
nào khác. Những kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực.
Hà Nội, tháng 9 năm 2020
Tác giả luận văn
Lê Khắc Tiến
1
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy hướng dẫn Tiến sĩ
Lê Đức Độ đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tơi có thể hồn thành luận văn này. Tơi
cũng xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô của bộ mơn Máy và Ma sát học đã có những
góp ý để tơi xây dựng và hồn thiện nội dung đề tài.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban lãnh đạo, các đồng nghiệp của tôi tại công ty
TNHH Sản xuất thiết bị Cơ điện tử IMI đã tạo điều kiện tối đa về thời gian, công
việc; hỗ trợ tài liệu, góp ý giúp tơi có thể hồn thành cuốn luận văn này.
Lời sau cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới bố mẹ, anh chị và những người bạn đã
chia sẻ cùng tôi trong quãng thời gian này, là nguồn động lực lớn nhất giúp tơi hồn
thành q trình học tập.
Xin chân thành cảm ơn!
2
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Đề tài: “Nghiên cứu thiết kế tối ưu hóa thiết kế kết cấu máy phay CNC cỡ nhỏ
trên cơ sở chế độ cắt”
Tác giả luận văn: Lê Khắc Tiến
Khoá: CB2018B
Người hướng dẫn: TS. Lê Đức Độ
Nội dung tóm tắt:
a) Lý do chọn đề tài
Trong sự phát triển của ngành cơng nghiệp cơ khí, đặc biệt các lĩnh vực như sản
xuất khuôn mẫu, vỏ điện thoại bằng kim loại, sản xuất đồ gỗ… thì máy cơng cụ đóng
vai trị hết sức quan trọng. Ngày nay, các máy cơng cụ với hệ thống điều khiển số có
sự tham gia của máy tính (máy CNC) trở nên phổ biến và được nhiều doanh nghiệp
sử dụng. Máy CNC có khả năng sản xuất các sản phẩm với hình dáng phức tạp mà
vẫn đảm bảo năng suất, chất lượng cũng như đáp ứng được sự đa dạng về sản phẩm.
Việc phân tích động lực học kết cấu của máy là cơ sở giúp người thiết kế cải tiến
và tối ưu hóa kết cấu của máy, đảm bảo độ bền, độ cứng vững và độ ổn định của máy
khí làm việc. Phân tích động lực học kết cấu của máy cũng là cơ sở để đưa ra điều
kiện làm việc cho máy. Hiểu biết về động lực học của máy giúp đánh giá trạng thái
kết cấu máy khi làm việc, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng gia cơng, từ
đó dự đốn và ngăn chặn các sự cố bất ngờ có thể xảy ra.
Việc tối ưu hóa thiết kế kết cấu máy là cơ sở để giảm chi phí chế tạo, hạ giá thành,
cải thiện kích thước khơng gian máy…giúp tăng chất lượng sản phẩm và tính cạnh
tranh.
Xuất phát từ những lý do trên, tác giả thực hiện đề tài luận văn Nghiên cứu thiết
kế tối ưu hóa thiết kế kết cấu máy phay CNC trên cơ sở điều kiện gia công
3
b) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu phân tích động lực học kết cấu máy phay CNC trên cơ sở chế độ
cắt
- Phân tích các yếu tố chế độ cắt ảnh hưởng tới kết cấu máy
- Đánh giá về kết cấu máy trên cơ sở mô phỏng bằng phần mềm
- Điều chỉnh thiết kế, tối ưu kết cấu máy.
Đối tượng nghiên cứu
- Phương pháp phần tử hữu hạn FEM; xây dựng mơ hình trên phần mềm AutoDesk
Inventor và phân tích động lực học kết cấu máy trên phần mềm ANSYS.
- Máy phay CNC cỡ nhỏ.
Phạm vi nghiên cứu
Xác định ứng suất xuất hiện trên mô hình mơ phỏng máy phay cỡ nhỏ, đánh giá
độ bền kết cấu máy và tối ưu kết cấu máy.
c) Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Nội dung nghiên cứu gồm:
- Tổng quan về vấn đề nghiên cứu: gồm giới thiệu chung về máy CNC và các
dạng kết cấu máy CNC, yếu tổ ảnh hưởng tới kết cấu máy và phương pháp phân tích
động lực học, tối ưu kết cấu máy trong các nghiên cứu trong và ngoài nước.
- Cơ sở lý thuyết về mơ hình động lực học tổng qt, phương pháp phần tử hữu
hạn, các phần mềm chuyên dụng và kết cấu máy phay CNC cỡ nhỏ được xét đến trong
đề tài.
- Phân tích kết cấu máy phay CNC xuất phát từ việc xác định lực đặt, xây dựng
mơ hình máy trên phần mềm AutoDesk Inventor và phân tích trên phần mềm ANSYS.
- Tiến hành tối ưu kết cấu máy phay CNC cỡ nhỏ trong đề tài.
Những đóng góp mới:
- Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm chuyên dụng ANSYS để
phân tích động lực học kết cấu máy phay CNC và đánh giá độ bền của kết cấu máy
trong các trường hợp đặt tải trọng thay đổi theo thời gian.
4
d) Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng hợp và khái qt hóa tài liệu
- Phân tích và đánh giá kết quả dựa trên các cơ sở lý thuyết và mơ phỏng.
e) Kết luận
Tìm hiểu được những nội dung tổng quan về máy công cụ CNC; đặc
điểm kết cấu máy phay CNC. Tìm hiểu một số nghiên cứu trong và ngồi nước đã
được cơng bố về phân tích động lực học và tối ưu hóa kết cấu máy.
Trình bày được mơ hình động lực học của máy phay CNC trong đề tài. Lực cắt
trong trường hợp phay bằng dao phay ngón và các thơng số ảnh hưởng tới lực cắt.
Giới thiệu về phương pháp phần tử hữu hạn là cơ sở để mô phỏng động lực học kết
cấu máy và phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn.
Từ đó, luận văn đã đi phân tích động lực học kết cấu máy phay CNC cỡ nhỏ
đã được đơn giản hóa; ứng dụng kết quả cơng trình nghiên cứu về mơ hình lực cắt của
dao phay ngón theo thời gian làm thông số đầu vào và sử dụng phần mềm chuyên
dụng để phân tích.
Tác giả đã đánh giá độ bền của kết cấu máy phay CNC cỡ nhỏ dưới tác dụng
của lực, mômen cắt theo thời gian, đưa ra nhận xét về ứng suất và chuyển vị xuất hiện
trên các thành phần kết cấu máy. Kết quả cho thấy kết cấu máy phay CNC cỡ nhỏ
đảm bảo độ bền và là cơ sở để tối ưu kết cấu máy giúp giảm khối lượng những vẫn
đảm bảo độ bền, độ cứng vững và ổn định của máy. Xây dựng bảng so sánh kết quả
mơ phỏng động lực học giữa mơ hình máy ban đầu và mơ hình sau khi được tối ưu.
Tác giả luận văn
Lê Khắc Tiến
5
NỘI DUNG
PHẦN MỞ ĐẦU................................................................................................................ 13
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MÁY PHAY CNC ................................ 15
1.1. Giới thiệu chung về máy công cụ CNC. ............................................................. 15
1.1.1. Lịch sử phát triển và xu hướng thị trường máy công cụ CNC ................. 15
1.1.2. Đặc điểm của máy công cụ CNC. ............................................................... 18
1.1.3. Phạm vi ứng dụng. ......................................................................................... 20
1.2. Kết cấu máy phay CNC........................................................................................ 21
1.2.1. Kết cấu chung của máy CNC và các khái niệm cơ bản............................. 21
1.2.2. Đặc điểm và đánh giá về kết cấu của máy phay CNC............................... 25
1.3. Các nghiên cứu về phân tích động lực học và tối ưu kết cấu máy phay CNC32
CHƯƠNG II: CƠ SỞ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ PHẦN
MỀM SỬ DỤNG ............................................................................................................... 43
2.1. Lực cắt và mơ hình động lực học của máy ......................................................... 43
2.1.1. Lực cắt khi phay bằng dao phay ngón [8]................................................... 43
2.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới lực cắt.................................................................. 44
2.1.3. Mơ hình lực cắt phụ thuộc vào chế độ cắt và thời gian gia công τ ......... 47
2.1.4. Mơ hình động học máy phay CNC trong đề tài ......................................... 48
2.1.5. Mơ hình động lực học máy phay CNC trong đề tài. .................................. 49
2.2. Một số khái niệm về bài tốn tối ưu hóa kết cấu ............................................... 49
2.2.1. Các biến thiết kế............................................................................................ 49
2.2.2. Hàm mục tiêu.................................................................................................. 50
2.2.3. Phân loại các bài tốn tối ưu hóa kết cấu .................................................... 51
2.3. Phương pháp phần tử hữu hạn.............................................................................. 52
2.3.1. Giới thiệu......................................................................................................... 52
6
2.3.2. Lịch sử ............................................................................................................. 52
2.3.3. Nội dung phương pháp phần tử hữu hạn..................................................... 53
2.4. Khái quát về phần mềm Autodesk Inventor và ANSYS .................................. 57
2.4.1 Phần mềm Autodesk Inventor ....................................................................... 57
2.4.2. Phần mềm ANSYS ........................................................................................ 58
CHƯƠNG III: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ TỐI ƯU HÓA KẾT CẤU MÁY
PHAY CNC ........................................................................................................................ 61
3.1. Xác định tải trọng và mômen tác động lên kết cấu máy CNC ......................... 61
3.2. Xây dựng mô hình máy CNC trên phần mêm Autodesk Inventor .................. 62
3.3. Tiến hành phân tích động lực học máy phay CNC trong đề tài trong môi trường
ANSYS ........................................................................................................................... 66
3.4. Tối ưu hóa kết cấu máy phay CNC ..................................................................... 92
3.4.1. Xây dựng mơ hình tối ưu. ............................................................................. 92
3.4.2. Phân tích mơ hình máy sau khi tối ưu. ........................................................ 93
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 100
KIẾN NGHỊ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................... 101
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 102
7
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Tên đầy đủ
STT
Chữ viết tắt
1
CNC
2
ANSYS
3
FEA
Finite Element Analysis
4
FEM
Finite Element Method
Computer Numerical Control
Analysis System
8
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Chuyển vị của máy phay giường [5] ............................................................. 33
Bảng 1.2: Đánh giá ứng suất Von-Mises [5].................................................................. 33
Bảng 1.3: Bảng tổng hợp các chế độ quá trình mơ phỏng [6]. .................................... 38
Bảng 1.4. Giá trị ứng suất tương ứng trong từng trường hợp của chiều sâu phay [7]
.............................................................................................................................................. 38
Bảng 1.5. Giá trị chuyển vị tương ứng trong từng trường hợp của chiều sâu phay [7]
.............................................................................................................................................. 41
Bảng 3.1: Các thành phần lực cắt Px, Py, Pz và Mz ..................................................... 61
Bảng 3.2: Bảng tập hợp chuyển vị và ứng suất theo thời gian của từng trường hợp
khảo sát. .............................................................................................................................. 87
Bảng 3.3: Bảng so sánh ứng suất, chuyển vị giữa 2 mơ hình trường hợp 1............... 98
Bảng 3.4: Bảng so sánh ứng suất, chuyển vị giữa 2 mơ hình trường hợp 2............... 98
9
DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sự phát triển của máy điều khiển số ............................................ 16
Hình 1.2. Xu hướng trị trường máy cơng cụ CNC....................................... 17
Hình 1.3. Cấu tạo máy cơng cụ CNC.......................................................... 18
Hình 1.4. CNC Gia cơng chi tiết dạng hộp trên máy CNC.......................... 20
Hình 1.5. Máy phay CNC .......................................................................... 21
Hình 1.6. Kết cấu chung của các máy CNC ................................................ 21
Hình 1.7: Phương án chuyển động lựa chọn trong máy CNC....................... 27
Hình 1.8: Trục vít me đai ốc bi .................................................................. 27
Hình 1.9: Ray dẫn hướng........................................................................... 28
Hình 1.10: Động cơ bước 57HS7630A4 3A 1.8Nm .................................... 28
Hình 1.11: Tổng quan thiết kế của máy [4]................................................. 30
Hình 1.12: Bản vẽ phân rã máy [4]............................................................. 31
Hình 1.12: Mơ hình ban đầu [5] ................................................................. 32
Hình 1.13: Mơ hình sau khi tối ưu [5] ........................................................ 33
Hình 1.14 : Kết quả phân tích ứng suất của máy phay giường CNC [5]........ 34
Hình 1.15: Kết cấu khung máy hở và khung máy khép kín [6] .................... 35
Hình 1.16 : Kết quả phân tích máy cơng cụ khung hở với 6 tần số riêng [6] . 36
Hình 1.17: Máy cơng cụ khung khép kín với 6 tần số riêng đầu tiên và các chế
độ tương ứng của chúng [6]. ...................................................................... 37
Hình 1.18: Kết quả giá trị ứng suất của kết cấu máy công cụ với 6 chiều sâu cắt
[7] ............................................................................................................ 39
Hình 1.19: Kết quả giá trị chuyển vị của kết cấu máy công cụ với 6 chiều sâu
cắt [7] ....................................................................................................... 40
Hình 2.1: Lực cắt khi phay bằng dao phay ngón [13] .................................. 43
Hình 2.2: Ảnh hưởng của t và s đến Pz, Py, Px [9]...................................... 45
Hình 2.3: Ảnh hưởng của v đến Px, Py, Pz [9]............................................ 46
10
Hình 2.4: Sơ đồ động học máy phay CNC trong đề tài.................................48
Hình 2.5: Sơ đồ động lực học máy phay CNC.............................................49
Hình 2.10: Autodesk Inventor Professional .................................................57
Hình 2.11: Phần mềm Ansys ......................................................................58
Hình 2.12: Dầm có độ võng lớn..................................................................59
Hình 3.1: Hình ảnh thực tế của mơ hình máy phay CNC trong đề tài............62
Hình 3.2: Khung máy phay CNC................................................................64
Hình 3.3: Bộ phận dao, động cơ, cụm trục X và cụm trục Z. ........................64
Hình 3.4: Bàn máy và cụm dẫn hướng Y.....................................................65
Hình 3.5: Mơ hình máy phay CNC .............................................................65
Hình 3.6: Mơ hình máy phay CNC trong mơi trường SpaceClain.................66
Hình 3.7: Thiết lập Meshing.......................................................................67
Hình 3.8: Mơ hình máy phay CNC sau khi chia lưới....................................68
Hình 3.9: Đặt ngàm cho mơ hình ................................................................69
Hình 3.10: Đặt lực tác dụng lên mũi dao. ....................................................69
Hình 3.11: Đặt momen tác dụng lên mũi dao...............................................70
Hình 3.12: Đặt lực tác dụng lên bàn máy. ...................................................70
Hình 3.13: Gán tải trọng tác dụng lên dao. ..................................................71
Hình 3.14: Gán mơmen cắt.........................................................................71
Hình 3.15: Các trường hợp tiến hành mơ phỏng ..........................................72
Hình 3.16: Chuyển vị trong trường hợp 1....................................................73
Hình 3.17: Giá trị ứng suất trong trường hợp 1............................................74
Hình 3.18: Miền phân bố ứng suất trong trường hợp 01...............................75
Hình 3.19: Chuyển vị trong trường hợp 2....................................................76
Hình 3.20: Chuyển vị tại bàn máy ..............................................................76
Hình 3.21: Giá trị ứng suất trong trường hợp 02 ..........................................77
Hình 3.22: Ứng suất trên mũi dao và con trượt trục Z..................................78
Hình 3.23: Chuyển vị trong trường hợp 03..................................................79
11
Hình 3.24: Giá trị ứng suất trong trường hợp 3 ........................................... 80
Hình 3.25: Giá trị chuyển vị trong trường hợp 4 ......................................... 81
Hình 3.26: Giá trị ứng suất trong trường hợp 4 ........................................... 82
Hình 3.27: Giá trị chuyển vị trong trường hợp 5 ......................................... 83
Hình 3.28: Giá trị ứng suất trong trường hợp 5 ........................................... 84
Hình 3.29: Giá trị chuyển vị trong trường hợp 6 ......................................... 85
Hình 3.30: Giá trị ứng suất trong trường hợp 6 ........................................... 86
Hình 3.31: Đồ thị biểu diễn giá trị ứng suất lớn nhất trong từng trường hợp. 90
Hình 3.32: Đồ thị biểu diễn giá trị ứng suất lớn nhất trong từng trường hợp. 91
Hình 3.33: Mơ hình máy phay trước và sau khi tối ưu................................. 93
Hình 3.34: Chuyển vị của mơ hình sau tối ưu và so sánh............................. 94
Hình 3.35: Ứng suất của mơ hình sau tối ưu và so sánh............................... 95
Hình 3.36: Chuyển vị của mơ hình sau tối ưu và so sánh............................. 96
Hình 3.37: Ứng suất của mơ hình sau tối ưu và so sánh............................... 97
12
PHẦN MỞ ĐẦU
1) Lý do chọn đề tài
Trong sự phát triển của ngành cơng nghiệp cơ khí, đặc biệt các lĩnh vực như sản
xuất khuôn mẫu, vỏ điện thoại bằng kim loại, sản xuất đồ gỗ… thì máy cơng cụ đóng
vai trị hết sức quan trọng. Ngày nay, các máy cơng cụ với hệ thống điều khiển số có
sự tham gia của máy tính (máy CNC) trở nên phổ biến và được nhiều doanh nghiệp
sử dụng. Máy CNC có khả năng sản xuất các sản phẩm với hình dáng phức tạp mà
vẫn đảm bảo năng suất, chất lượng cũng như đáp ứng được sự đa dạng về sản phẩm.
Việc phân tích động lực học kết cấu của máy là cơ sở giúp người thiết kế cải tiến
và tối ưu hóa kết cấu của máy, đảm bảo độ bền, độ cứng vững và độ ổn định của máy
khí làm việc. Phân tích động lực học kết cấu của máy cũng là cơ sở để đưa ra điều
kiện làm việc cho máy. Hiểu biết về động lực học của máy giúp đánh giá trạng thái
kết cấu máy khi làm việc, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng tới chất lượng gia công, từ
đó dự đốn và ngăn chặn các sự cố bất ngờ có thể xảy ra.
Việc tối ưu hóa thiết kế kết cấu máy là cơ sở để giảm chi phí chế tạo, hạ giá thành,
cải thiện kích thước khơng gian máy…giúp tăng chất lượng sản phẩm và tính cạnh
tranh trên thị trường.
Xuất phát từ những lý do trên, tác giả thực hiện đề tài luận văn Nghiên cứu thiết
kế tối ưu hóa thiết kế kết cấu máy phay CNC trên cơ sở chế độ cắt.
2) Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu phân tích động lực học kết cấu máy phay CNC trên cơ sở chế độ
cắt.
- Phân tích các yếu tố chế độ cắt ảnh hưởng tới kết cấu máy.
- Đánh giá về kết cấu máy trên cơ sở mô phỏng bằng phần mềm.
- Điều chỉnh thiết kế, tối ưu kết cấu máy.
13
Đối tượng nghiên cứu
- Phương pháp phần tử hữu hạn FEM; xây dựng mơ hình trên phần mềm AutoDesk
Inventor và phân tích động lực học kết cấu máy trên phần mềm ANSYS.
- Máy phay CNC cỡ nhỏ.
Phạm vi nghiên cứu
Xác định ứng suất xuất hiện trên mơ hình mô phỏng máy phay cỡ nhỏ, đánh giá
độ bền kết cấu máy và tối ưu kết cấu máy.
3) Tóm tắt nội dung thực hiện và đóng góp mới của tác giả
Nội dung nghiên cứu gồm:
Chương 1: Tổng quan về kết cấu máy phay CNC.
Giới thiệu chung về máy CNC và kết cấu chung máy CNC, trình bày các yếu tố
ảnh hưởng tới kết cấu máy và mốt số công trình nghiên cứu phân tích động lực học,
tối ưu kết cấu máy trong và ngoài nước.
Chương 2: Cơ sở phương pháp phân tích động lực học và phần mềm sử dụng.
Cơ sở lý thuyết về mơ hình động lực học; trình bày về mơ hình lực cắt khi phay
bằng dao phay ngón, đặc điểm và các yếu tố ảnh hưởng; phương pháp phần tử hữu
hạn, phần mềm chuyên dụng để dựng mơ hình và mơ phỏng ảnh hưởng của lực,
momen cắt tới kết cấu.
Chương 3: Phân tích động lực học và tối ưu hóa kết cấu máy phay CNC trong đề
tài.
Xây dựng mơ hình máy phay CNC cỡ nhỏ đã được đơn giản hóa và tiến hành phân
tích trong phần mềm ANSYS.
Dựa trên những kết quả phân tích động lực học tiến hành điều chỉnh thiết kế tối ưu
hóa kết cấu máy phay CNC đảm bảo cứng vững và ổn định.
4) Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp phân tích và tổng hợp.
- Phân tích và đánh giá kết quả dựa trên các cơ sở lý thuyết và mô phỏng.
14
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MÁY PHAY CNC
1.1. Giới thiệu chung về máy công cụ CNC.
1.1.1. Lịch sử phát triển và xu hướng thị trường máy công cụ CNC
CNC là viết tắt của Computer Numerical Control (điều khiển số bằng máy
tính).
Máy cơng cụ CNC là những máy cơng cụ hoạt động với bộ điều khiển số có
sự trợ giúp của máy tính.
Từ thế kỷ 14 đã xuất hiện ý tưởng điều khiển một dụng cụ thông qua chuỗi
lệnh kế tiếp liên tục đang được ứng dụng trong các trong các máy điều khiển NC ngày
nay.
Năm 1808, vật mang tin được ra đời khi Joseph M Jacquard dùng những tấm
tôn đục lỗ điều khiển các máy dệt một cách tự động
Năm 1863, M. Foureaux phát minh đàn dương cầm tự động khi sử dụng một
băng giấy để điều khiển luồng khí nén tác động vào các phím bấm cơ khí.
Trong những năm 1949, 1952, John Parsons và MIT đã thiết kế theo hợp đồng
của Không lực Hoa Kỳ một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ để điều khiển
trực tiếp vị trí của các trục thơng qua dữ liệu đầu ra của một máy tính.
Năm 1952, Chiếc máy phay điều khiển số đầu tiên – Cincinnati Hydrotel, có
trục thẳng đứng được cung cấp bởi MIT; có thể dịch chuyển đồng thời trên ba trục
nội suy tuyển tính ba kích thước và tiếp nhận dữ liệu qua băng đục lỗ mã nhị phân.
Năm 1954, thiết bị điều khiển NC công nghiệp đầu tiên được chế tạo bởi
Bendix sau khi mua bản quyền phát minh của Parsons
Năm 1972, các tủ điều khiển NC đầu tiên có cài đặt các cụm vi tính chế tạo
hàng loạt, đưa ra một thế hệ mới các thiết bị NC lắp đặt cụm vi tính có cơng năng
mạnh mẽ hơn (CNC), thế hệ này mau chóng được thay thế bởi các cụm điều khiển
CNC .
15
Năm 1984, cơng cụ trợ giúp lập trình graphic giúp hệ điều khiển CNC tiến
thêm một bước phát triển mới, “lập trình tại phân xưởng”. [1] [2] [3]
Theo phương pháp truyền thơng dữ liễu điều khiển có thể phân biệt thành 3
phương thức điều khiển số:
+ Điều khiển số trực tiếp (Direct Numerical Control)
+ Điều khiển số bằng máy tính (Computer Numerical Control - CNC)
+ Điều khiển số phân phối (Distributive Numerical Control)
Sự phát triển mạnh mẽ của ngành sản xuất linh kiện vi điện tử, điều khiển số,
máy công cụ, dụng cụ cắt,…, nên đã hình thành các trung tâm gia công (CME - Center
for Manufacturing Excellence), hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS - Flexible
Manufacturing System), hệ thống sản xuất với sự tích hợp của máy tính (CIM Computer Integrated Manufacturing ) như thể hiện trong hình 1.1.
Hình 1.1. Sự phát triển của máy điều khiển số
Thị trường gia công CNC tổng thể dự kiến sẽ đạt 100,86 tỷ USD vào năm 2025.
Tốc độ tăng trưởng hằng năm kép là 7,0% từ năm 2019 đến 2025. Các ước tính trước
đó từ năm 2014 dự đốn 5,5% trong giai đoạn dự báo 2016 – 2022, thấp hơn nhiều so
16
với thực tế như những năm đã qua. Trong đó tăng hiệu quả hoạt động giữa các nhà
sản xuất hàng hóa khác nhau là động lực chính.
Nhìn chung, thị trường đang chuyển sang ưa thích các máy CNC kích thước
nhỏ gọn tiên tiến hơn với công cụ thay dao tự động và công nghệ gia công đa trục.
Những máy đa chức năng này là mặt hàng được các nhà sản xuất chú trọng và phát
triển.
Cụ thể hơn, phân khúc máy tiện CNC dẫn đầu phân khúc sản phẩm năm 2018
và được định giá 17,65 tỷ USD, trong khi máy phay CNC dự kiến sẽ là thị trường lớn
thứ 2, đăng ký chỉ số CAGR 9,7% trong sáu năm tới. Việc ứng dụng ngày càng tăng
của cả hai máy đang được cho là do sự dễ sử dụng mà chúng mang lại và khả năng đa
dạng của chúng.
Máy phay cũng được dự kiến sẽ phát triển, mặc dù vì những lý do khác với các
công nghệ CNC khác. Phân khúc máy phay có được sự gia tăng của nó để giảm chi
phí vận hành mà nó có thể cung cấp. Các máy laser CNC được dự kiến tương tự sẽ
đạt được tăng trưởng trong giai đoạn dự báo (2018-2025) do cải thiện tốc độ gia công
và giảm yêu cầu của lực lượng lao động.
Hình 1.2. Xu hướng trị trường máy cơng cụ CNC
17
1.1.2. Đặc điểm của máy cơng cụ CNC.
Hình 1.3. Cấu tạo máy công cụ CNC
Qua nhiều năm phát triển, máy CNC ngày nay có những đặc điểm sau:
+ Giao diện: Sử dụng màn hình, bàn phím và chuột để giao tiếp. Hình ảnh giao diện
có chất lượng tốt, thân thiện với người sử dụng, dễ dàng phát hiện và sửa lỗi chương
trình khi gia cơng. Thường xun có thơng báo về tình trạng máy, cảnh báo lỗi nguy
hiểm và có thể mô phỏng trước khi gia công.
+ Cho phép hiệu chỉnh dụng cụ cắt, hiệu chỉnh toạ độ, nội suy đường thẳng, đường
trịn hay bất kì đường bậc ba nào.
+ Độ chính xác: Các vịng lặp khép kín có phản hồi vị trí và tốc độ cho phép tạo ra
chuyển động êm ái và chính xác với tốc độ ổn định.
+ Chống nhiễu: Các vi mạch và linh kiện điện tử, dây truyền dẫn tín hiệu được chống
18
nhiễu về điện hoặc xung điện phát ra từ các nguồn như tia plasma, máy hàn.
+ Tiêu chuẩn hoá các thiết bị thay thế: giúp giảm giá thành chế tạo và giảm thời gian
bảo dưỡng sửa chữa.
+ Có thể làm việc đồng bộ với các thiết bị sản xuất khác như robot, băng tải, thiết bị
đo,… trong hệ thống sản xuất. Có thể trao đổi thơng tin trong mạng máy tính các loại,
từ mạng cục bộ (LAN) đến mạng diện rộng (WAN) và Internet.
So với máy công cụ truyền thống, máy cơng cụ CNC có những ưu, nhược điểm
như sau:
+ Tính tự động hóa cao
Do máy được điều khiển bằng chương trình nạp từ bên ngồi nên giảm được
giảm được tối đa thời gian phụ (gá đặt, thay dao...). Tùy từng mức tự động, máy CNC
có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, có thể tự động thay dao,
hiệu chỉnh sai số dụng cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu
chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động làm mát, tự động hút phoi
ra khỏi khu vực cắt,…
+ Tính linh hoạt
Có thể sử dụng chế tạo nhiều loại chi tiết khác nhau tùy thuộc vào chương trình
gia cơng. Cùng với sự phát triển của các phần mềm CAD/CAM, các doanh nghiệp có
thể thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mã và chủng loại sản phẩm một cách dễ
dàng hơn. Do có khả năng tự động hóa cao, máy CNC thích hợp với các dây chuyền
sản xuất linh hoạt.
+ Độ chính xác cao, đảm bảo chất lượng gia công
Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia cơng các sản phẩm có độ chính xác và
phức tạp cao mà máy cơng cụ truyền thống không thể làm được nhờ khả năng tập
trung nguyên công, giảm tối đa số lần gá đặt thậm chí hồn thành trong một lần gá.
Tốc độ cắt cao giúp tránh hiện tượng lẹo dao, do đó tạo ra bề mặt có chất lượng tốt.
Khi chương trình gia cơng đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo sản
xuất hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất. Đây là yếu tố vô cùng quan
19
trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn.
+ Hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao
Cải thiện tuổi bền của dao nhờ điều kiện cắt tối ưu. Tiết kiệm dụng cụ cắt gọt,
đồ gá và các phụ tùng khác. Giảm thời gian sản xuất nhờ tốc độ cắt cao. Thời gian sử
dụng máy nhiều hơn nhờ vào giảm thời gian dừng máy. Giảm thời gian kiểm tra vì
máy CNC sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất. Chi phí kiểm tra và chi phí cho phế
phẩm giảm.
+ Một số hạn chế của máy CNC
Sự đầu tư ban đầu cao: nhược điểm lớn nhất trong việc sử dụng máy CNC là
tiền vốn đầu tư ban đầu cao cùng với chi phí lắp đặt. Yêu cầu bảo dưỡng máy cao:
máy CNC là thiết bị kỹ thuật cao và hệ thống cơ khí điện tử của nó rất phức tạp. Để
máy gia cơng được chính xác cần thường xun bảo trì, bảo dưỡng. Người bảo dưỡng
phải hiểu rõ cả về cơ và điện.
1.1.3. Phạm vi ứng dụng.
Hình 1.4. CNC Gia cơng chi tiết dạng hộp trên máy CNC
Ngày nay, máy công cụ CNC được sử dụng rộng rãi trong không chỉ ngành cơ
khí do có năng suất và độ chính xác cao, có khả năng gia cơng các biên dạng phức tạp
(như hình 1.5) một cách dễ dàng nhờ vào các thuật tốn trong máy với chương trình
điều khiển được nạp vào; máy cơng cụ CNC cũng có khả năng tự động hóa cao nên
được nhiều doanh nghiệp lựa chọn.
20
Chủng loại máy CNC cũng rất đa dạng và được ứng dụng rộng rãi để sản xuất
các mặt hàng khác nhau: Máy phay CNC (hình 1.4), máy tiện CNC, máy laser CNC,
máy mài CNC...
Hình 1.5. Máy phay CNC
1.2. Kết cấu máy phay CNC
1.2.1. Kết cấu chung của máy CNC và các khái niệm cơ bản
1.2.1.1. Cấu tạo chung của các máy CNC
Hình 1.6. Kết cấu chung của các máy CNC
21
Máy phay CNC cũng có cấu tạo tương tự như các máy CNC khác (hình 1.6).
Hai thành phần cơ bản của máy đó là các thành phần về kết cấu và các liên kết
dùng để liên kết các kết cấu này lại với nhau.
Về kết cấu chung, máy có các bộ phận như sau:
+ Phần cơ sở: thân máy, bàn máy, hệ thống truyền động trục chính, hệ thống
chạy dao, hệ thống điều khiển, hệ thống gá kẹp,…
+ Hệ thống các thiết bị phụ trợ: hệ thống làm mát, hệ thống bôi trơn, hệ thống
chiếu sáng,…
Tuy nhiên kết cấu máy phay CNC có chút khác biệt so với máy cơng cụ truyền
thống ở các bộ phận:
+ Hệ thống truyền động trục chính
+ Hệ thống chạy dao
+ Hệ thống gá kẹp chi tiết
+ Hệ thống tích và thay dao.
a) Trục chính
Trục chính trên máy CNC đảm bảo chuyển động cắt chính, cơng suất trục chính
thường được dùng làm chỉ tiêu đánh giá cơng suất gia cơng của máy.
Trục chính phải đảm bảo có khoảng thay đổi số vịng quay rộng, với momen lớn,
ổn định và có khả năng quá tải cao.
Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần được điều khiển vơ cấp, tự động theo
chương trình, trong phạm vi rộng.
Các cụm trục chính của máy CNC được đặt theo các trục tọa độ, cho phép xác
định chiều chuyển động của các cơ cấu máy và dụng cụ cắt. Các trục tọa độ cơ bản là
X, Y, Z với chiều dương được xác định theo quy tắc bàn tay phải. Các trục quay tương
ứng với các trục X, Y, Z được ký hiệu bằng các chữ cái A, B, C. Chiều dương là chiều
quay theo chiều kim đồng hồ nếu nhìn theo chiều dương của các trục X, Y, Z. Các
trục cơ bản này tạo nên hệ tọa độ máy CNC.
22
b) Hệ thống chạy dao
Hệ thống điều khiển chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình nên quyết định
khả năng cơng nghệ ( kích thước, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công).
Mỗi trục trên máy công cụ CNC được gắn trực tiếp một động cơ riêng biệt, do
đó giảm được sai số của hệ thống truyền động cơ khí.
Mỗi trục chạy dao được liên kết mềm bằng chương trình điều khiển dao theo thời
gian thực (Real Time Control). Mỗi trục sẽ được nhận mômen từ một động cơ riêng.
Tốc độ, hành trình, hướng chạy dao đều được điều khiển bằng các câu lệnh. Do khơng
có hệ thống truyền động thay đổi tỷ số truyền giữa các trục nên yêu cầu động cơ phải
là động cơ vô cấp tốc độ.
Động cơ bước được sử dụng ở đây có thể là động cơ điện một chiều, động cơ
xoay chiều đồng bộ điều khiển bằng biến tần, động cơ bước hoặc động cơ servo. Với
sự phát triển của khoa học và kỹ thuật, giá thành ngày càng được giảm và tính năng
hoạt động ngày càng cao nên các loại động cơ bước và động cơ servo đang dần được
sử dụng rộng rãi.
Sự phối hợp giữa các chuyển động tạo hình theo các phương là do bộ điều khiển
đảm nhiệm. Máy công cụ hiện đại sử dụng phương pháp điều khiển theo thời gian
thực để điều khiển các chuyển động tạo hình. Các chuyển động tạo hình sẽ phụ thuộc
với nhau dựa vào thời gian, hồn tồn khơng có liên kết cứng giữa chúng. Điều này
làm cho kết cấu của máy đơn giản hơn rất nhiều, hầu như khơng cịn các loại hộp chạy
dao, hộp xe dao và các tay quay.
c) Hệ thống truyền chuyển động
Trong máy CNC thường dùng hai loại vít me cơ bản là vít me đai ốc thường và vít
me đai ốc bi.
Vít me đai ốc thường là loại vít me và đai ốc tiếp xúc nhau theo dạng đường, cịn
vít me đai ốc bị có thêm các viên bi ở giữa nên tiếp xúc giữa vít me và đai ốc là dạng
tiếp xúc điểm, do đó vít me đai ốc bi có hệ số ma sát nhỏ.
Vít me đai ốc bi cịn có thể điểu chỉnh được lực căng ban đầu để loại trừ khe hở
giữa trục vít me với đai ốc, đảm bảo độ cứng vững dọc trục.
23
d) Hệ thống dụng cụ trên máy CNC
Các bộ phận của một hệ thống dụng cụ sử dụng trên máy CNC bao gồm:
+ Giá đỡ dụng cụ đảm bảo chứa các dụng cụ từ trục chính.
+ Dụng cụ cắt (được nối với các bộ phận phù hợp).
+ Ổ chứa dụng cụ để giữ các loại dụng cụ.
+ Cơ cấu thay dao để thay đổi dụng cụ trong quá trình gia công.
+ Các bộ phận của ống nối đã được tiêu chuẩn hoá theo tiêu chuẩn ANSI
(American National Standard Institude) và các góc cơn theo tiêu chuẩn ISO. Kích
thước và đường kính khe hở được chọn theo cơ cấu kẹp cụ thể nhưng thường được
chọn đảm bảo điều kiện lắp lẫn.
Thông thường, trên các trung tâm tiện CNC dùng hai hệ thống dụng cụ có sự
khác nhau về số dụng cụ và các ổ chứa dụng cụ trong cách thức tổ hợp dụng cụ là đầu
revolve và ổ chứa dụng cụ. Đầu revolve cho phép thay đổi dụng cụ trong thời gian
ngắn nhưng số lượng dụng cụ hạn chế; ngược lại, ổ chứa dụng cụ mang một số lượng
lớn dụng cụ nhưng việc thay đổi dụng cụ tốn nhiều thời gian hơn.
1.2.1.2. Một số khái niệm cơ bản
a) Hệ tọa độ máy
Trục Z: Máy phay có chiều trục chính: Trục Z song song với đường tâm của
trục chính và vng góc với bàn máy (chọn trục chính có đường tâm vng góc với
bàn máy làm trục Z). Chiều dương của trục Z trong trường hợp này hướng từ bàn máy
tới trục chính
Trục X: Trục X là trục nằm trên mặt bàn máy và thơng thường nó được xác
định theo quy tắc bàn tay phải (ngón tay cái chỉ chiều dương của trục X).
Máy phay đứng, máy khoan đứng: Nếu đứng ngoài nhìn vào trục chính thì
chiều dương của trục X hướng về bên phải.
Trục Y: Trục Y được xác định bằng quy tắc bàn tay phải sau khi các trục X, Z
đã được xác định. Ngón tay trỏ chỉ chiều dương của trục Y.
24
