NGHIÊN CỨU KẾT CẤU THÂN MÁY CNC GIA CÔNG GỖ VỚI MỤC TIÊU NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MÁY

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN THÙY NGHIÊN CỨU KẾT CẤU THÂN MÁY CNC GIA CÔNG GỖ VỚI MỤC TIÊU NÂNG CAO KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỦA MÁY Chuyên ngành: Kỹ thuật khí Mã số chun ngành: 62520103 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 Cơng trình hồn thành Trƣờng Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: PGS.TS Nguy n H u L c Người hướng dẫn 2: Phản biện đ c lập 1: Phản biện đ c lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước H i đồng đánh giá luận án họp vào lúc ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 u uv CNC gia công gỗ Cùng với phát triển kinh tế đất nước, ngành chế biến xuất gỗ Việt Nam đạt nh ng thành tựu vượt bậc nh ng năm qua số lượng chất lượng Phấn đấu đưa kim ngạch xuất gỗ năm 2020 đạt 12-13 tỉ USD, năm 2025 đạt 18-20 tỉ USD Để đáp ứng mục tiêu nhu cầu máy CNC gia cơng gỗ lớn 1.1.2 Một số dịng máy phay CNC router thị trường Việt Nam Hiện thị trường Việt Nam nhu cầu sử dụng dòng máy phay CNC Router lớn, nh ng đặc tính ưu việt mà mang lại cho người sản xuất Tuy nhiên nguồn gốc xuất xứ loại máy chủ yếu nhập từ Đức, Ý, Hà Lan, Thụy Điển, Nhật Bản, Đài Loan, Trung Quốc…và có m t số nhỏ máy gia cơng Việt Nam 1.1.3 ả vệ Đảm bảo khả làm việc yêu cầu máy chi tiết máy Các tiêu chủ yếu khả làm việc máy chi tiết máy bao gồm: Đ cứng, đ bền, đ bền mòn, đ ổn định dao đ ng, khả chịu nhiệt Trong tiêu khả làm việc đ cứng, đ bền, đ ổn định dao đ ng ảnh hưởng lớn đến chất lượng chi tiết trình gia cơng 1.1.4 Đặ đ ể r ut r ểu Theo tiêu chuẩn SIS 728000-1 (ISO TR 17243-2:2017) Thụy Điển [21] theo qui định mức dao đ ng cho phép máy gồm bốn cấp A, B, C D tương ứng tốt, chấp nhận, tạm không chấp nhận Theo tiêu chuẩn với máy CNC kiểu giàn có tốc đ quay trục nhỏ 18000 vg/ph biên đ gia tốc giới hạn trục a = 40 m/s Và kết hợp với đồ thị mối quan hệ gi a biên đ chuyển vị, biên đ vận tốc, biên đ gia tốc tần số theo tiêu chuẩn ISO 10816-1, tính biên đ dao đ ng cho phép trục [u] = 25 µm 1.2 Tính cấp thiết Với hạn chế trình bày, giới chưa có nghiên cứu để nâng cao tiêu khả làm việc máy đ bền, đ cứng, đ ổn định dao đ ng cho kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn Vì nghiên cứu kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn với mục tiêu nâng cao tiêu khả làm việc máy đ bền, đ cứng, đ ổn định dao đ ng nhằm giảm biên đ dao đ ng trục nâng cao tần số dao đ ng riêng cho kết cấu máy để tránh tượng c ng hưởng máy làm việc tốc đ cao cấp thiết quan trọng 1.3 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chung mục tiêu cụ thể luận án “Nghiên cứu kết cấu thân máy CNC gia công gỗ với mục tiêu nâng cao khả làm việc máy” sau:  Mục tiêu chung Nghiên cứu kết cấu thân máy phay CNC gia công gỗ nhằm nâng cao khả làm việc máy  Mục tiêu cụ thể - Nghiên cứu sở thiết kế kết cấu thân máy CNC router kiểu giàn theo tiêu khả làm việc: Đ bền, đ cứng …đảm bảo đ tin cậy nhằm nâng cao đ bền đ cứng cho kết cấu thân máy - Nghiên cứu nâng cao đ ổn định dao đ ng kết cấu thân máy CNC (Nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm) nhằm đảm bảo biên đ dao đ ng trục tần số dao đ ng riêng kết cấu thân máy 1.4 Nội dung nghiên cứu Để đạt mục tiêu nêu trên, luận án “Nghiên cứu kết cấu thân máy CNC gia công gỗ với mục tiêu nâng cao khả làm việc máy” thực nh ng n i dung nghiên cứu sau: - ộ du 1: ê ứu tổ làm việc kết cấu thân máy qu : Nghiên cứu nhu cầu, khả máy phay CNC router kiểu giàn, công trình nghiên cứu giới kết cấu thân máy CNC kiểu giàn nhằm nâng cao đ cứng, đ bền ổn định dao đ ng Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu, Đối tượng phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, n i dung nghiên cứu ý nghĩa khoa học thực ti n luận án - ộ du 2: ê ứu sở ý t u ết: Nghiên cứu sở lý thuyết phương pháp G-KS, lý thuyết đ tin cậy lý thuyết dao đ ng - ộ du 3: ê ứu độ b v độ ứ thân máy: + Nghiên cứu phương pháp G-KS để thiết kế ý tưởng cho phương án bố trí b phận máy CNC + Nghiên cứu thiết kế phân tích đ tin cậy kết cấu thân máy CNC phương pháp xấp xỉ bậc hai theo tiêu tính đ bền đ cứng + Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng mối ghép đến kết cấu thân máy theo tiêu đ cứng - ộ du 4: ê ứu v ô ỏ độ ổ đị d độ : + Nghiên cứu phân tích tần số dao đ ng riêng nhằm xác định miền giá trị hợp lý số vịng quay trục + Tối ưu hóa kết cấu thân máy theo phương pháp giải thuật di truyền với mục tiêu: Tần số dao đ ng riêng, khối lượng chuyển vị + Nghiên cứu lý thuyết mô biên đ - ộ dung 5: ê ứu t ự nghiệm ảnh hưởng nhân tố đến biên đ ệ dao đ ng đầu trục độổ đị d độ : Thực dao đ ng trục máy CNC Kết luận chƣơng Chương thực nghiên cứu nhu cầu, khả làm việc kết cấu thân máy máy phay CNC router kiểu giàn Nghiên cứu phân tích tổng quan nghiên cứu nước liên quan đến kết cấu thân máy CNC kiểu giàn Kết cho thấy nghiên cứu tập trung nghiên cứu để nâng cao đ bền, đ cứng đ ổn định dao đ ng kết cấu thân máy CNC kiểu giàn chế tạo phương pháp đúc Các nghiên cứu chưa quan tâm đến kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn chế tạo từ loại thép tấm, thép hình liên kết mối ghép bu lông hay mối ghép hàn; Chưa quan tâm đến tần số tự nhiên kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn để đáp ứng hoạt đ ng gia công tốc đ cao tránh tượng c ng hưởng miền tần số đ ng trục CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các phương pháp lý thuyết nghiên cứu phương pháp luận quy trình bố trí b phận máy theo G-KS, sở nâng cao đ bền đ cứng theo tiêu đ tin cậy lý thuyết phân tích biên đ tần số dao đ ng riêng Từ kết nghiên cứu sở để xây dựng qui trình phân tích thiết kế cho kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn nhằm nâng cao đ bền, đ cứng đ ổn định dao đ ng cho kết cấu thân máy Trình tự bước thực chương sau: Phân tích, bố trí b phận máy theo G-KS; Cơ sở nâng cao đ bền đ cứng theo tiêu đ tin cậy; Cơ sở nâng cao đ ổn định dao đ ng CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN VÀ ĐỘ CỨNG THÂN MÁY 3.1 Ph n t ch ết cấu th n CNC router iểu gi n Có ba loại kết cấu thân máy CNC router kiểu giàn phổ biến: Kết cấu đúc, kết cấu bulông kết cấu hàn Đối với kết cấu bulông: Do b phân thân máy liên kết với mối ghép bulông nên khắc phục nhược điểm thân máy liên kết với mối ghép hàn Ngồi cịn giảm thời gian lắp ghép lắp ghép thuận tiện đơn giản Ví dụ kết cấu bulơng hình 3.2 Kết cấu bulông [83] Do vậy, luận án tập trung nghiên cứu kết cấu thân máy CNC router kiểu giàn với với đặc điểm b phận thân máy liên kết với mối ghép bulông (Kết cấu bulông) 3.2 Bố trí phận máy phay CNC router kiểu giàn theo G-KS 3.2.1 Khởi tạo biến thể G-KS Gọi O thân máy cố định X, Y, Z chuyển đ ng tịnh tiến bàn máy Khi cơng thức cấu trúc có ký tự (ví dụ XYZO), b biến thể G-KS khởi tạo cách hoán vị ký tự Kết thu 24 (4!) G-KS 3.2.2 Lựa chọ sơ biến thể M t số quy ước dùng để thiết lập công thức logic: - đơn vị di chuyển theo phương Z; ̅ - đơn vị không di chuyển theo phương Z; - thân máy cố định; ̅ - đơn vị di chuyển thân máy Đ u kiện 1: Mở r ng khả gia cơng phơi có kích thước lớn giảm kích thước máy nghĩa phôi chuyển đ ng tối đa theo m t phương Công thức logic: 0000 0000 Đ u kiện 2: Hạn chế ảnh hưởng khối lượng phôi đến chuyển đ ng thẳng đứng bàn máy.Tính kết cấu: Phôi không di chuyển theo phương đứng Công thức logic: ̅̅ ̅̅̅ ̅̅̅ Đ u kiện 3: Hạn chế tối đa trọng lượng b phận chuyển đ ng theo chiều thẳng đứng Tính cấu trúc: Đơn vị di chuyển theo phương Z mang theo trục Công thức logic: ̅̅ ̅̅ ̅̅ Tiến hành thực phép giao tập biến thể từ ràng bu c, thu tập biến thể cuối XOYX, YOXZ, OXYZ OYXZ hình 3.7 XYZO XZYO YXZO YZXO ZXYO ZYXO XYOZ XZOY YXOZ YZOX ZXOY ZYOX XOYZ XOZY YOXZ YOZX ZOXY ZOYX OXYZ OXZY OYXZ OYZX OZXY OZYX 3.7 Tập biến thể cuối XOYZ OXYZ YOXZ OYXZ 3.2.3 Phân tích biến thể chọn Với phương án chọn XOYZ, YOXZ, OXYZ OYXZ, thấy rằng: - Nếu chọn phương án XOYZ bàn máy mang phơi thực chuyển đ ng theo phương X Với điều kiện lực tác dụng vào thân máy chuyển vị phương án bàn máy mang phôi thực chuyển đ ng theo phương X lớn 9,73 lần so với bàn máy cố định theo phương X hình 3.9 a Bàn máy cố định b Bàn máy chuyển động theo X 3.9 So sánh chuyển vị hai phương án - Đối với phương án OXYZ: Đ cứng v ng giàn máy theo phương án OXYZ nhỏ đ cứng v ng giàn máy theo phương án OYXZ -Đối với hai phương án YOXZ (Bàn máy chuyển đ ng) OYXZ (Bàn máy đứng yên) hình 3.9 a.Phương án YOXZ b.Phương án OYXZ 3.10 Mơ hình sơ Kết phân tích đ cứng tĩnh phân tích tần số dao đ ng riêng cho phương án kết cấu minh họa hình 3.13 3.14 a Phương án OYXZ b Phương án YOXZ 3.13 Phân tích độ cứng tĩnh a Phương án OYXZ b Phương án YOXZ 3.14 Phân tích dao động riêng Từ kết mơ thấy m t điều kiện ràng bu c lực tác dụng phương án OYXZ có đ cứng v ng khả chống dao đ ng cao phương án YOXZ 3.3 Nghiên cứu thiết kế, phân tích độ bền v độ cứng theo tiêu độ tin cậy Để nghiên cứu tính tốn đ bền đ cứng thân máy đảm bảo đ tin cậy, bước thực như hình 3.15 15 Trình t thiết kế, phân tích độ bền độ cứng thân máy 3.3.1 Phân tích kết cấu thân máy thành ph n tử Xem thân máy gồm có phần tử liên kết với nhau: Giá đỡ trục (1), dầm ngang (2), trụ đứng (3) bệ máy (4) hình 3.16 3.16.Mơ hình máy CNC Do đó, tốn phân tích thiết kế thân máy giải toán cho phần 1, 2, 3, xem thanh, dầm hình 3.17 14 Mơ hình đơn giản phần tử (1), (2) (3) 3 T ết ế sơ ết ấu t â t độ t ậ Sử dụng Matlab để giải toán tối ưu thiết kế Thực kiểm nghiệm lại kết ANSYS Kết kiểm nghiệm thể bảng 3.4 ả 3.4 Kết sau tối ưu thiết kế m1, kg 13,326 Đầu pha H1, mm V1, mm tđ1, MPa 29 230 3,56 Dầ ngang u1max, mm 0,0199 m2, kg 34,67 H2, mm 28 tđ2, MPa 4,22 u2max, mm 0,0184 tđ3, MPa 1,40 U3max, mm 0,0195 m3, kg 33,66 V2, mm 300 Cột đứng H3, mm V3, mm 35 353 a thị theo phương X c b thị theo phương Y thị theo phương Z 4.15 Quan hệ gi a biên độ tần số theo phương pháp mô ph ng Trong trình làm việc máy, xảy tượng c ng hưởng theo phương X tần số thấp 252,66 Hz tương ứng với Biên đ dao đ ng u xmax = 0,1493 mm hình 4.15a, theo phương Y tần số thấp 260,39 Hz tương ứng với biên đ dao đ ng uymax = 0,1415 mm hình 4.15b theo phương Z tần số thấp 260,39 Hz tương ứng với biên đ dao đ ng u zmax = 0,106 mm hình 4.15c - Biên đ dao tần số 250 Hz: ux_250 = 1,91.10-2 mm, uy_250 = 5,42.10-3 mm, uz_250 = 4,07.10-3 mm - Biên đ dao tần số 100 Hz: ux_100 = 4,69.10-3 mm, uy_100 = 3,97.10-3 mm, uz_100 = 4,52.10-4 mm Để thấy r đ sai lệch hai phương pháp lý thuyết mô phỏng, giá trị tần số c ng hưởng biên đ rung hai phương pháp biểu di n m t đồ thị hình 4.16 0.16 Ly thuyet Ly thuyet Mo phong 0.14 X: 258 Y: 0.136 X: 260 Y: 0.1415 Amplitude,mm 0.12 0.1 0.08 Ly thuyet X: 268 Mo phong Mo phong 0.12 Y: 0.13 X: 260 Y: 0.131 X: 271 Y: 0.121 0.1 0.08 0.1 Amplitude,mm X: 253 Y: 0.149 0.12 Amplitude,mm 0.14 0.16 0.14 0.08 0.06 0.06 0.06 0.04 0.02 0.04 0.02 0.04 0 50 100 150 200 250 300 350 400 thị theo phương b 4.16 0.02 50 100 150 200 250 300 350 400 Frequency, Hz Frequency, Hz a 0 thị theo phương Y c 50 100 150 200 250 300 350 Frequency, Hz thị theo phương Z thị so sánh gi a phương pháp l thu ết mô ph ng 16 400 So sánh biên đ dao đ ng tần số dao đ ng riêng thu theo phương pháp lý thuyết mô thể bảng 4.7 ả 4.7 So sánh giá trị biên độ tần số Biên độ rung động Tần số cộng hƣởng H Phƣơng Phƣơng pháp thu ết 0,136 0,130 0,121 X Y Z ả Phƣơng pháp 0,149 0,142 0.131 Sai ệch (%) 8,72 8,45 7,63 Phƣơng pháp thu ết 258 268 271 Phƣơng pháp 253 260 260 Sai ệch  (%) 1,93 2,98 4,06 4.8 So sánh giá trị biên độ dao động tần số 250Hz Biên độ dao động tần số 250 Hz (mm) Phƣơng Phƣơng Phƣơng Phƣơng Sai pháp pháp pháp ệch thu ết thu ết  (%) X 4,71 4,29.10-4 1,82.10-2 1,91.10-2 Y 3,7.10-4 4,97.10-3 5,42.10-3 8,30 Z 7,37 4,96.10-5 3,77.10-3 4,07.10-3 Như đ ng trục hoạt đ ng miền tốc đ [0-15000 vg/ph] tạo miền tần số dao đ ng [0-250 Hz] tác đ ng lên kết cấu máy Theo phương pháp lý thuyết mô phỏng, miền tần số nhỏ tần số dao đ ng tự nhiên sở kết cấu máy nên tránh tượng c ng hưởng q trình gia cơng Ngồi biên đ dao đ ng cực đại u x, uy uz trục miền tần số [0-250 Hz] tính theo hai phương pháp nhỏ 0,025 mm Kết luận chƣơng Chương trình bày việc hiệu chỉnh thiết kế thân máy CNC có kết cấu dạng giàn để đạt tần số dao đ ng riêng lớn 250 Hz biên đ rung đ ng nhỏ 0,025 mm 17 - Với đối tượng nghiên cứu máy phay gỗ CNC, phân tích dao đ ng riêng thực cho kết cấu máy thiết kế sơ b ban đầu đạt giá trị tần số dao đ ng riêng mode 156,76 Hz Để tốc đ quay lớn trục đạt 15000 vg/ph tương ứng tần số dao đ ng riêng 250 Hz, phải thực hai bước: Thứ tối ưu hóa kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA)và thứ hai bố trí hệ gân dầm ngang máy CHƢƠNG THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ĐỘ ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG 5.1 Phân tích lựa chọn thơng số thực nghiệm - Các thông số thực nghiệm: Tốc đ quay, lượng chạy dao chiều sâu cắt - Miền giá trị thông số thực nghiệm: + Tốc đ quay: 2000 ≤ n ≤ 15000 vg/ph + Chiều sâu cắt: 0,25 ≤ t ≤ 2,5 mm + Lượng chạy dao: 250 ≤ s ≤ 6000 mm/ph 5.2 Thiết bị vật liệu thí nghiệm Các thiết bị dùng thí nghiệm bao gồm b thiết bị đo dao đ ng đa kênh NI SCXI-1000DC, Cảm biến gia tốc PCB 603C01 Sơ đồ thí nghiệm xác định biên đ dao đ ng đầu trục máy phay gỗ CNC bố trí hình 5.7 5.7 Sơ đ thí nghiệm Thí nghiệm đo biên đ dao đ ng trục thực q trình gia công vật liệu gỗ xanh chi tiết gia cơng có dạng bề mặt phẳng 18 5.3 Thực nghiệm xử lý kết thí nghiệm 5.3.1 Mơ hình qui hoạch thực nghiệm Thực loạt thí nghiệm riêng lẻ, kết cho thấy phụ thu c nhân tố tốc đ quay, lượng chạy dao chiều sâu cắt đến biên đ dao đ ng trục gia cơng máy phay CNC router có dạng đường cong bậc Vì để mô tả thực nghiệm phù hợp, phải tiến hành thực qui hoạch thực nghiệm bậc 5.3.2 P ươ t ực nghiệm Với mơ hình thí nghiệm mơ hình qui hoạch bậc hai hỗn hợp đối xứng quay (Box – Wilson) phương trình hồi qui có dạng: y b  b x  b x  b x  b 1 2 3 ả Nh n tố Tốc đ quay, vg/ph Chiều sâu cắt, mm Lượng chạy dao K hiệu Tự Mã nhiên hóa n x1 2 12x1x2 b13x13 b23x23 b11x1  b22x2  b33x3 (5.1) 5.1 Mức giá trị nhân tố Khoản g thay đổi 4000 Mức - 2272 Mức giá trị Dƣới Cơ Trên (-1) sở (+1) 5000 9000 13000 Mức + 15728 t x2 0,7 0,32 0,8 1,5 2,2 2.68 s x3 1700 241 1400 3100 4800 5959 5.3.3 Xây dự ươ tr ồi qui Kết đo giá trị biên đ dao đ ng 20 thí nghiệm thí nghiệm lặp 07 lần Phương trình hồi qui xác định theo phương pháp bình phương nhỏ sau: y 10 4 (4,4311,10x1 2,27x2 0,64x3 3,99x1x2  0,018x13 0,21x2310,21x12 7,51x22 3,1x32 ) Thực đánh giá ý nghĩa hệ số phương trình hồi qui Kết có hệ số b3 , b1 b2 ý nghĩa có P < 0,05 Sau tính lại ta phương trình hồi qui:  y 10 (4,4311,10x1 2,27x2 3,99x1x210,21x12 7,51x22 3,1x32 ) 19 Mơ hình phát triển với khoảng tin cậy 95% Kết kiểm tra cho thấy mơ hình hồi quy phù hợp Chuyển phương trình dạng tự nhiên:        93,476.10 4 5.10 n 50,08.10 t 4,81.10 s 0,814.10 nt  0,21.10 10 n215,33.10 4 t 2 0,78.10 5.4 Phân tích đánh giá ết thực nghiệm 5.4.1 Ảnh ưởng c a chế độ cắt đế b ê độ d 5.8 10 s động trục 5.9 5.10 Từ đồ thị thấy biên đ rung đ ng theo phương X Y giảm nhẹ tốc đ quay n trục tăng Nghĩa tăng tốc đ quay trục làm cho ổn định quay đầu trục tăng theo làm triệt tiêu m t phần biên đ rung đ ng Ngoài với giảm biên đ dao đ ng cho thấy suốt q trình gia cơng, đ cứng kết cấu máy đảm bảo Biên đ rung đ ng theo phương X Y tăng tăng lượng chạy dao s chiều sâu cắt t 5.4.2 ê độ d đ ộ trục Ở chế đ cắt cực đại (n = 6000 vg/ph, t = 2,5 mm s = 0,5 mm/răng), đ ng trục tạo tần số f=100 Hz tác đ ng lên kết cấu máy.Thay giá trị chế đ cắt cực đại: n = 6000 vg/ph, t = 2,5 mm s = 0,5 mm/răng vào phương trình hồi qui (5.11), tính biên đ dao đ ng trục chính: 20 ux_100 = 3,93.10-3 mm Tính tốn tương tự: uy_100 = 3,42.10-3 mm uz_100 = 4,59.10-4 mm Biên đ dao đ ng trục tính theo ba phương pháp lý thuyết, mô thực nghiệm thể bảng 5.10 Từ bảng 5.10 thấy gi a kết tính tốn phương pháp lý thuyết kết tính tốn phương pháp mơ phương pháp thực nghiệm sai khác nhỏ 10 Phƣơng X Y Z 5.4.3 ả 5.10 iá trị biên độ dao động trục Biên độ dao động tần số Biên độ dao động tần số 100 Hz (mm) 100 Hz (mm) Phƣơng Phƣơng Sai Phƣơng Phƣơng Sai pháp pháp ệch pháp pháp thực ệch thu ết nghiệm  (%) thu ết  (%) 8,52 8,39 4,29.10-3 4,69.10-3 4,29.10-3 3,93.10-3 -3 -3 -3 -3 6,80 7,57 3,7.10 3,97.10 3,7.10 3,42.10 -4 -4 -4 -4 8,87 7,46 4,96.10 4,52.10 4,96.10 4,59.10 Mi n làm việc hợp lý c a chế độ cắt Công cụ Overlaid Contour Plot Minitab sử dụng để tìm miền làm việc hợp lý chế đ cắt Kết đạt hình 5.11 u < 25 µm U < 25 µm U < 25 µm a Miền n s b Miền n t c Miền s Hình 5.11 Miền làm việc chế đ t cắt 5.4.4 ê độ d độ ự t ểu Công cụ Response optimizer Minitab sử dụng để tìm thơng số làm việc tối ưu Mơ hình máy phay CNC router chọn có biên đ 21 rung nhỏ 6,9.10-2 µm làm việc với tốc đ cắt 11378,3 Vg/ph, chiều sâu cắt 1,3 mm lượng chạy dao 2955 mm/ph hình 5.12 Hình 5.12 Các thơng số làm việc tối ưu Như chế đ cắt tối ưu máy có giá trị sau: n = 11378 vg/ph, s = 2955 mm/ph t = 1,3 mm => Chuyển vị trục chính: uxmin = 6,9.10-2 µm Tính tốn tương tự: uymin = 7,54.10-2 µm uzmin = 0,61.10-2 µm 5.4.5 T n số d động cộ ưởng Đồ thị dao đ ng trục theo thời gian xuất từ phần mềm NI Signal Express hình 5.13 a,b a Phương X b Phương Y Hình 5.13 thị dao động thân máy theo thời gian Trên phần mềm NI Signal Express, thực chuyển đồ thị dao đ ng thân máy theo thời gian sang biểu thị miền tần số, kết hình 5.14 a,b 22 a Phương X b Phương Y Hình 5.14 thị dao động thân máy theo tần số Từ đồ thị hình 5.14 a,b, xác định tần số c ng hưởng sau: Theo phương X: fch = 266 Hz; Theo phương Y: fch = 278 Hz Từ bảng 5.11 thấy gi a kết tính tốn phương pháp lý thuyết kết tính tốn phương pháp mơ phương pháp thực nghiệm sai khác nhỏ 10 Kết qua chấp nhận thực tế Như mơ hình máy CNC router kiểu giàn đáp ứng yêu cầu ả 11 So sánh giá trị tần số dao động cộng hưởng trục Tần số cộng hƣởng H Tần số cộng hƣởng H Phƣơng Phƣơng pháp thu ết Phƣơng pháp Sai ệch  (%) Phƣơng pháp thu ết Phƣơng pháp thực nghiệm Sai ệch  (%) X 258 253 1,93 258 266 3,0 Y 268 260 2,98 268 278 3,6 Kết luận chƣơng - Sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm để xây dựng phương trình hồi qui bậc hai biểu di n mối quan hệ gi a tốc đ quay trục n, chiều sâu cắt t, lượng chạy dao s với biên đ dao đ ng u trục gia cơng - Biên đ dao đ ng theo phương X Y giảm nhẹ tốc đ quay n trục tăng và biên đ dao đ ng tăng tăng lượng chạy dao s chiều sâu cắt t Khi tăng tốc đ quay trục làm cho ổn định quay đầu 23 trục tăng theo làm triệt tiêu m t phần biên đ dao đ ng Biên đ dao đ ng dọc theo hướng chạy dao thường lớn so với hướng khác - Xác định biên đ dao đ ng trục kết tính tốn biên đ dao đ ng phương pháp lý thuyết, phương pháp mô phương pháp thực nghiệm theo phương X, Y Z nhỏ 0,025 mm - Xác định tần số dao đ ng c ng hưởng phương pháp thực nghiệm thực so sánh tần số dao đ ng c ng hưởng với tần số dao đ ng c ng hưởng tính theo phương pháp lý thuyết phương pháp mơ sai khác nhỏ 10 - Xác định chế đ cắt tối ưu cục b (trong phạm vi khảo sát) để đạt biên đ trục nhỏ KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Luận án thực nghiên cứu kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn để nâng cao tiêu khả làm việc máy đ bền, đ cứng, đ ổn định dao đ ng, nâng cao tần số dao đ ng riêng cho kết cấu máy tránh tượng c ng hưởng máy làm việc tốc đ cao nhằm nâng cao đ xác chất lượng bề mặt chi tiết gia cơng Trong mục trình bày tóm tắt m t số kết luận kết đạt hướng phát triển luận án ết uậ Luận án tập trung thực nghiên cứu hai mục tiêu nghiên cứu sở thiết kế kết cấu thân máy CNC router kiểu giàn theo tiêu khả làm việc: Đ bền, đ cứng …đảm bảo đ tin cậy nhằm nâng cao đ bền đ cứng cho kết cấu thân máy; Nghiên cứu nâng cao đ ổn định dao đ ng kết cấu thân máy CNC (Nghiên cứu lý thuyết, mô thực nghiệm) nhằm đảm bảo biên đ dao đ ng trục tần số dao đ ng riêng kết cấu thân máy Để giải mục tiêu nêu trên, luận án thực năm n i dung nghiên cứu: Nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu sở lý thuyết, nghiên cứu đ bền đ cứng thân máy CNC router, nghiên cứu mô đ ổn định dao đ ng nghiên cứu thực nghiệm xác định đ ổn định dao đ ng Kết nghiên cứu đạt mục tiêu đề Cụ thể kết đạt luận án sau: 1- Qui trình thiết kế kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn đảm bảo đ tin cậy cho trước theo tiêu khả làm việc đ bền đ cứng Qui 24 trình đước áp dụng để thiết kế kết cấu cho máy mini CNC khác máy phay CNC gia cơng gỗ có kích thước lớn Trong qui trình thiết kế vận dụng phương pháp sau: - Nghiên cứu sử dụng phương pháp cấu trúc Hình - Đ ng học (G-KS) kết hợp với đại số Boole để thiết kế ý tưởng cho phương án kết cấu máy CNC Với phương án G-KS chọn được, sử dụng phần mềm phân tích kỹ thuật CAE để so sánh đánh giá phương án theo tiêu đ cứng tần số dao đ ng riêng kết chọn phương án kết cấu OYXZ - Sau chọn phương án OYXZ, bước thực tính tốn đ bền đ cứng thân máy cho đảm bảo đ tin cậy cho trước Để tính tốn đ bền đ cứng thân máy cho đảm bảo đ tin cậy cho trước, thực bước sau: Thứ phân tích kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn thành bốn phần tử riêng biệt gồm giá đỡ trục (1), dầm ngang (2), trụ đứng thân (3) bệ máy (4);Thứ hai sử dụng phương pháp thiết kế theo đ tin cậy để thiết kế sơ b cho kích thước phần tử (1), (2) (3) kết cấu giàn thân máy cuối sử dụng phương pháp xấp xỉ bậc hai (SORM) để phân tích đ tin cậy cho kết cấu giàn máy phay CNC router kiểu giàn theo tiêu làm việc đ bền đ cứng 2- Xác định kết cấu thân máy phay CNC router kiểu giàn hợp lý sử dụng mối ghép bu lơng có tần số dao đ ng riêng sở lớn 250 Hz tránh tượng c ng hưởng miền tốc đ (0 -15000) vg/ph, biên đ dao đ ng đầu trục nhỏ 0,025 mm Để xác định kết cấu thân máy CNC thực bước sau: - Nghiên cứu phân tích dao đ ng riêng cho kết cấu máy thiết kế sơ b ban đầu - Nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA) nhằm tăng tần số dao đ ng riêng giảm khối lượng - Nghiên cứu bố trí hệ gân dầm ngang máy 3- Thiết lập phương trình hồi qui thể mối quan hệ gi a chế đ cắt biên đ dao đ ng, xác định biên đ dao đ ng trục tần số dao đ ng c ng hưởng kết cấu thân máy thực nghiệm, chọn chế đ cắt hợp lý để biên đ dao đ ng trục nhỏ 25 - Sử dụng phương pháp thiết kế thực nghiệm để xây dựng phương trình hồi qui bậc hai biểu di n mối quan hệ gi a tốc đ quay trục n, chiều sâu cắt t, lượng chạy dao s với biên đ dao đ ng u trục gia công Kết cho thấy biên đ dao đ ng theo phương X Y giảm nhẹ tốc đ quay n trục tăng và biên đ dao đ ng tăng tăng lượng chạy dao s chiều sâu cắt t - Xác định biên đ dao đ ng trục kết tính tốn biên đ dao đ ng phương pháp lý thuyết, phương pháp mô phương pháp thực nghiệm theo phương X, Y Z nhỏ 0,025 mm Các kết nằm giới hạn cho phép Ngoài ra, kết sai lệch phương pháp nhỏ 10 Kết chấp nhận thực tế - Xác định tần số dao đ ng c ng hưởng phương pháp thực nghiệm thực so sánh tần số dao đ ng c ng hưởng với tần số dao đ ng c ng hưởng tính theo phương pháp lý thuyết phương pháp mơ sai khác nhỏ 10 Kết qua chấp nhận thực tế Như mơ hình máy CNC router kiểu giàn đáp ứng yêu cầu - Xác định chế đ cắt tối ưu cục b (trong phạm vi khảo sát) để đạt biên đ trục nhỏ Một số đ ểm mớ v ó a luận án Với mục tiêu n i dung nghiên cứu nêu luận án có m t số điểm đóng góp sau: 1- Nghiên cứu ứng dụng cấu trúc Hình – ộng Học (G-KS) thiết kế máy CNC gia cơng gỗ: Trình bày việc thiết kế ý tưởng cho phương án kết cấu máy phay CNC router dựa vào phương pháp cấu trúc Hình - Đ ng học (GKS) Sau ứng dụng đại số Boole kết hợp điều kiện ràng bu c sử dụng phần mềm CAD/CAE nhằm phân tích, đánh giá đặc tính kỹ thuật kết cấu máy M t mơ hình máy phay gỗ theo phương án phù hợp chế tạo thử nghiệm kết đạt q trình gia cơng đáp ứng yêu cầu Như phương pháp G-KS phương pháp lần ứng dụng cho máy phay CNC router kiểu giàn cho kết tốt Như luận án nghiên cứu góp phần xây dựng qui trình cho việc thiết kế ý tưởng cho phương án kết cấu máy phay CNC router dựa vào phương pháp cấu trúc Hình - Đ ng học Dựa vào qui trình này, thiết kế chế tạo cho nhiều loại máy gia cơng gỗ kiểu giàn có cơng suất khác 26 2- Nghiên cứu sử dụng phương pháp xấp xỉ bậc hai (SORM) để phân tích độ tin cậy kết cấu thân máy CNC: Xây dựng qui trình giải thuật thiết kế phân tích đ tin cậy kết cấu thân máy theo phương pháp xấp xỉ bậc hai (SORM) theo đ bền đ cứng Như luận án nghiên cứu góp phần xây dựng sở khoa học cho việc thiết kế kết cấu thân máy CNC router kiểu giàn theo phương pháp thiết kế xác suất (đ tin cậy) Dựa vào qui trình thiết kế máy phay CNC router kiểu giàn, thiết kế chế tạo cho nhiều loại máy gia công gỗ kiểu giàn có cơng suất khác 3- Nghiên cứu phân tích ảnh hưởng mối ghép bu lơng đến kết cấu thân máy theo tiêu độ cứng: Sự tồn mối ghép khác phá hỏng tính liên tục kết cấu máy, làm cho đặc tính đ ng lực học kết cấu máy không nh ng bị ảnh hưởng b phận cấu thành máy, mà cịn bị ảnh hưởng đặc tính đ ng lực học mối ghép Các kết mô tăng lực xiết mối ghép bu lơng biên đ dao đầu trục giảm nghĩa đ cứng kết cấu thân máy tăng Như chọn giá trị lực xiết phù hợp góp phần nâng cao đ cứng kết cấu thân máy 4- Nghiên cứu phân tích tần số dao động riêng kết cấu thân máy nhằm xác định miền giá trị hợp lý số vòng quay trục chính: Để tránh gặp phải trạng thái c ng hưởng, phải điều chỉnh kết cấu thân máy cho giá trị tần số cưỡng tác dụng lên thân máy không trùng với giá trị tần số dao đ ng riêng thân máy CNC Nghĩa cần phải đánh giá hiệu chỉnh thiết kế để nâng cao tần số dao đ ng riêng sở khỏi miền tần số tốc đ quay trục tạo nhằm nâng cao khả chống dao đ ng máy làm việc tốc đ cao tránh tượng c ng hưởng để đạt chất lượng bề mặt gia công tốt Luận án nghiên cứu xây dựng qui trình phân tích, mơ thực nghiệm xác định tần số biên đ dao đ ng kết cấu thân máy nhằm chọn tần số, biên đ dao đ ng miền giá trị hợp lý số vòng quay trục Qui trình áp dụng cho kết cấu máy có cơng dụng hình dạng tương tự 5- Nghiên cứu tối ưu hóa kết cấu thân má theo phương pháp giải thuật di truyền với mục tiêu: Tần số dao động riêng, khối lượng chuyển vị: Kết cấu thân máy kiểu giàn tối ưu hóa cách sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA) nhằm cải thiện tần số dao đ ng riêng, khối lượng chuyển vị Với kết đạt nâng cao đ cứng, nâng cao tần số 27 dao đ ng riêng nhằm nâng cao đ xác gia cơng đạt chất lượng bề mặt gia công tốt 6- Nghiên cứu th c nghiệm ảnh hưởng nhân tố đến biên độ dao động trục má C C xác định chế độ gia công hợp lý: Tự dao đ ng dao đ ng sinh q trình cắt trì lực cắt Khi ngừng cắt tượng tự dao đ ng kết thúc Tự dao đ ng gây trở ngại lớn đến việc nâng cao chất lượng suất gia cơng Có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến tự dao đ ng có chế đ cắt Vì cần thực nghiên cứu ảnh hưởng chế đ cắt vận tốc cắt, lượng chạy dao chiều sâu cắt đến tự dao đ ng mà cụ thể biên đ dao đ ng trục gia cơng máy phay gỗ CNC theo phương pháp thiết kế thực nghiệm (DOE) nhằm chọn chế đ cắt hợp lý cho biên đ dao đ ng nhỏ để nâng cao chất lượng chi tiết gia công 7- Về mặt th c tiễn: Với việc chuyển giao kết cấu nghiên cứu cho công ty chế tạo máy phay CNC router để cải thiện mơ hình có chế tạo nước nhằm nâng cao chất lượng, tăng suất giảm giá thành sản phẩm gia công, giúp ngành Gỗ Việt Nam nói chung doanh nghiệp thu c ngành Gỗ tham gia sâu r ng vào chuỗi giá trị tồn cầu Góp phần để Việt Nam trở thành m t nh ng nước hàng đầu giới sản xuất, chế biến, xuất sản phẩm gỗ có thương hiệu uy tín thị trường giới ướng phát triển c a luận án -Về phương pháp luận: Tiếp tục nghiên cứu sử dụng phương pháp luận khác nhằm tối ưu hóa thiết kế kết cấu thân máy CNC kiểu giàn, dùng loại thép tấm, thép hình liên kết mối ghép bu lông nhằm nâng cao khả làm việc máy cao đ bền, đ cứng, đ ổn định dao đ ng - Về khả công nghệ chế tạo lắp ráp: Tiếp tục nghiên cứu nguyên tắc, dẫn khả công nghệ chế tạo lắp ráp thiết kế kết cấu thân máy để đảm bảo tính khả thi mặt chế tạo chi phí sản xuất nhỏ - Về mặt thực ti n: Nghiên cứu xây dựng m t qui trình để ứng dụng kết nghiên cứu thiết kế máy phay CNC router cho nhà sản xuất Việt Nam Sau chuyển giao qui trình nghiên cứu cho nhà sản xuất để cải thiện mô hình có chế tạo nước Đồng thời thực thương mại hoá sản phẩm máy phay CNC router kiểu giàn thị trường Việt Nam 28 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Tạp ch quốc tế N H Loc, T Van Thuy, and P Q Trung, "Reliability-based analysis of machine structures using second-order reliability method," Journal of Advanced Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, vol 13, pp JAMDSM0063JAMDSM0063, 2019, Q2 (SCIE) T Van Thuy and H L Nguyen, "Investigation on influence of cutting parameters on spindle vibration of CNC wood milling machine," in MATEC Web of Conferences, 2018, p 01007 (SCOPUS) N Huu Loc and T Van Thuy, "The Effects of Bolt Preload on Vibration Amplitude of Gantry CNC Router," International Journal of Mechanical Engineering and Technology, vol 10, 2019 (SCOPUS) V T Tran, H L Nguyen, and H H Nguyen, "Analysis and Experimental Design of Damper System and Cutting Parameters of CNC Router," in Applied Mechanics and Materials, 2019, pp 82-89 Tạp ch nƣớc Nguy n, H u L c, Trần Văn Thùy “ Nâng cao đặc tính đ ng lực học kết cấu máy tốc đ cao” Tạp chí Phát triển khoa học cơng nghệ, Tập 20, Số K5/2017 Nguy n H u L c, Trần văn Thùy, Chế H u Cường “Ứng dụng cấu trúc Hình – Đ ng Học (G-KS) thiết kế máy CNC gia cơng gỗ”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, Số 4, 2017 Kỷ ếu hội nghị nƣớc Nguy n H u L c, Trần văn Thùy “Ảnh hưởng đường hàn đến đặc tính đ ng học kết cấu máy CNC”, H i nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà N i, 89/12/2017 Nguy n, H u L c, Văn Thùy Trần “Tối ưu kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền” H i nghị khoa học cơng nghệ tồn quốc khí lần thứ V, 10/2018 i Nguy n, H u L c, Trần Văn Thùy, “Thiết kế tối ưu thân máy CNC gia cơng gỗ”, H i nghị tồn quốc Kỹ thuật khí chế tạo, BK TP.HCM, 10/2019 Đề t i nghiên cứu hoa học Nghiên cứu tính tốn thân máy phay CNC theo phương pháp tìm điểm xác suất lớn Mã số đề tài: TNCS-CK-2015-11 (Chủ nhiệm đề tài) Nghiên cứu thiết kế tối ưu chế tạo thân máy CNC Mã số đề tài: B201620-04 (Tham gia đề tài) ii