Khảo sát động lực học máy phay cnc sử dụng bộ điều khiển linux

I H C QU C GIA TP.HCM I H C BÁCH KHOA NGUY N NG KH NG L C H C MÁY PHAY CNC S D NG B U KHI N LINUX DYNAMIC SURVEY OF CNC MILLING MACHINE USING LINUX CONTROLLER K Thu t Mã s : 8520101 LU TP H CHÍ MINH, tháng 01 C HỒN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA Cán b ng d n khoa h c : TS Ph m B o Toàn Cán b ch m nh n xét : Cán b ch m nh n xét : Lu Ngày 20 tháng 01 cb ov t 2022 ih Thành ph n H m: TS Nguy n Thanh Nhã TS Ph m B o Toàn Xác nh n c a Ch t ch H i ngành sau lu CH T CH H NG n n - Ch T ch - Ph n bi n - Ph n bi n - y Viên ng Khoa qu n lý chuyên c s a ch a (n u có) NG KHOA KHOA H C NG D NG i I H C QU C GIA TP.HCM I H C BÁCH KHOA C NG HÒA XÃ H I CH c l p - T - H nh phúc T NAM NHI M V LU H tên h c viên: Nguy n Ng : Thu I : 8520101 TÀI: Kh ng l c h c máy phay CNC s d ng b u n Linux (Dynamic survey of CNC milling machine using Linux Controller) II NHI M V VÀ N I DUNG: - Tính tốn, thi t k mơ hình máy CNC tr c - Mô ph ng xây d ng b - Kh u n LinuxCNC ng máy CNC gia công th c t III NGÀY GIAO NHI M V : 22/02/2021 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 05/12/2021 V CÁN B NG D N: TS Ph m B o Tp HCM, ngày 20 tháng 01 CÁN B NG D N CH NHI M B NG KHOA KHOA H C 022 O NG D NG ii L ic Khơng có s thành cơng mà khơng có s h tr trình h c t p t ng, t b t nghi u khoá h cs D n hoàn thành lu n n bè n t t c th y cô, nh t ki n th c kinh nghi m c su t trình h c t p th c hi Xin chân thành c i khác Trong c a quí th long bi giành h t tâm huy t truy c ch d y tài lu n t i th y cô B Thu t Khoa Khoa h c ng n tình truy n th nh ng ki n th c h u ích q trình h c t p il ic n th y cô, anh ch Phịng thí nghi ng viên, h tr oc - Gs Ngô Ki ng D ng n trình th c hi n lu ng Xin g i l i c c bi n: n tình d y b o trình h c t p - Ts Ph m B ng d n trình th c hi tài - Ths Nguy n Qu pháp tính tốn, thi t k máy L i cu c nh c ngày hôm Do s h n ch v th nên lu tránh kh i nh ng thi u sót R t mong nh ng góp ý, nh ng l i nh n xét b sung c a th y cô b n sinh viên Xin chân thành c TP.H iii Tóm t t lu Tóm t t: Lu c hi n tính tốn ng h c, t t k cho máy CNC (Computer Numerical Control) tr c T mơ hình thi t k , tính tốn mơ ph ng rung ng k t c u máy b ng ph n m ng th i mô ph ng h th ng u n b ng công c MATLAB Simulink thi t l p b m c hi n kh i chi u v i k t qu mô ph ng, t u n b ng ph m ng khung máy th c t c nguyên nhân gây sai s gia công Abstract: The reasearch performs kinematics calculations to design model for 4-axis CNC milling machines From the design model, i performs a simulation of the machine structure with Ansys software, and simulate the control system with the tool MATLAB Simulink and set up the controller using LinuxCNC software After that, the vibration survey is performed on the actual machine frame to compare with the simulation results, thereby finding the cause of the error in machining iv L H Kh u n linux ng l c h c máy phay CNC s d ng b t công trình nghiên c Ph m B o Tồn Ngồi không th c hi lu cl is tài c ng d n c a TS i khác N i dung u c a h c viên th i gian tham gia h c t p, nghiên c ut o: qu , hình i h c Bách Khoa, thành ph H Chí Minh Các s li u, k t c trình bày lu t t k t qu nghiên c u c a h c viên: lý thuy - ng d n b i GS.TS Ngô Ki u Nhi TS Ph m B o Toàn v i nh ng tài li u khoa h c trích xu t ngu n g c lu c ti n hành b i h c viên k t qu - k t trình bày lu - D li c t trình c k t c u máy trung th phịng thí nghi c c th c hi c th c t t i ng d ng (LAM) b i h c viên thành viên phịng thí nghi m H Chí Minh, ngày 10 tháng 01 Tác gi lu Nguy n Ng v M CL C L ic ii Tóm t t lu iii L .iv M CL v DANH M C CÁC T VI T T T viii T NG QUAN 1.1 T ng quan v máy CNC 1.1.1 L ch s phát tri n c a máy CNC 1.1.2 K tc 1.1.3 T m quan tr ng c a máy CNC 1.2 n c a máy CNC T ng quan v b u n máy CNC 1.2.1 Khái ni m phân lo i .7 1.2.2 C u trúc b u n c a máy CNC 1.4 Nghiên c u v ng máy CNC 12 1.5 Gi i thi u v lu 14 1.5.1 Lý ch 1.5.2 M tài 14 ng ph m vi nghiên c u 15 LÝ THUY T 16 2.1 ng h c 16 2.1.1 Vec- 2.1.2 Ma tr n chuy n h tr c kh o sát v h tr c c 2.1.3 2.1.4 2.2 nh v to nh v thu n nh t .16 nh 17 ng c a khâu thao tác 27 V n t c gia t c khâu 28 cv ng máy 30 vi 2.2.1 2.2.2 Các thông s ng 30 ng c ng máy .34 TÍNH TỐN THI T K MÁY 38 3.1 ng h c máy CNC tr c 38 3.2 ng h c máy CNC tr c 39 3.3 Tính tốn thi t k máy CNC tr c 44 3.3.1 L c c t t c t 44 3.3.2 c 45 3.3.3 Tính tốn b truy n tr c 46 3.3.4 Tính tốn .51 MÔ PH NG KHUNG MÁY 54 4.1 ng gia công CNC 54 4.2 K t qu mô ph ng 54 4.2.1 Mơ hình 3D .54 4.2.2 Thông s v t li 4.2.3 K t qu t n s riêng .57 4.2.4 K t qu t n s u ki n biên 55 ng b c 59 TÍNH TỐN H TH 5.1 Mơ hình truy 5.2 Thi t k b 5.2.1 5.2.2 5.3 5.3.1 cv b U KHI N MÁY CNC 63 ng 63 u n 65 u n PID 65 u n PD d a v trí v n t c 66 Mô ph u n 67 Gi i thi u v Matlab Simulink 67 vii 5.3.2 5.4 Mơ hình k t qu mơ ph ng 68 Thi t l p thông s ph n m m Linux CNC 71 KH O SÁT TH C NGHI 6.1 Thi t l p mô hình k t qu 6.2 K t qu kh 6.3 K t qu NG MÁY CNC 77 ng máy phay CNC 77 ng c a máy phay CNC 77 c a chi ti t gia công 82 T NG K T 83 7.1 7.2 7.3 Các k t qu c .83 m h n ch 83 ng phát tri n c a lu 84 DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH KHOA H C 85 TÀI LI U THAM KH O 86 PH L C 1: DANH SÁCH HÌNH NH 89 PH L C 2: DANH SÁCH B NG BI U 92 viii DANH M C CÁC T VI T T T AI - Artifical Intelligence CNC - Computer Numerical Control DCN - Data Communications Networks IBM - International Business Machine Corporation MIT - Vi n Công ngh Massachusetts NC - Network Computer PD Proportional and Derivative PID - Proportional Integral Derivative PLC - Programmable Logic Controller RMS - Root-Mean-Square 79 Hình 6.3 Hình 6.4 ng c a tr ng c a tr uc (b) Oy, (c) Oz 80 Hình 6.5 Hình 6.6 ng c a tr ng c Oy, (c) Oz 81 K t qu rung c c trình bày B ng 6.1 B ng 6.1 K t qu Tr u c t) Tr c xoay A Tr c Y máy) T k t qu ng T n s th T n s th T n s th (Hz) (Hz) (Hz) X 27 - - Y 24,5 27 - Z 24,5 27 - X 16 24,5 27 Y 21,5 24,5 - Z 24,5 27 30 X 21,5 24,5 27 Y 21,5 24,5 27 Z 24,5 27 - X 24,5 - - Y 21,5 24,5 27 Z 24,5 - - X 24,5 27 - Y 24,5 - - Z 24,5 - - V Tr c Z v i spindle ns rung c a máy phay CNC r ng v i nhi u t n s rung Có m t s t n s lúc nhi u v ch xu t hi n m t l ng x y ns ng khác 16 Hz 30 Hz t hi n l n v i l 82 quan sát th y máy phay CNC rung d i t n t 24,5 Hz - 27 Hz v it ti n dao c có th ch p nh i M c chênh l ch 2,5 Hz nh c b ng b i tình tr ng ho ng th c t c a n 6.3 - K t qu c a chi ti t gia công Chi ti t gia cơng có d ng hình tr c gia cơng thành m u - Ti n hành ng kình tròn c a m i m u b gi trên, ta s d ng bình(MSE) K t qu sai s etd c hai c a sai s ng 6.2: MSE B ng 6.2 K t qu e2 (6.1) n ng kính s n ph m gia cơng L M Sai s (mm) 27,02 27,05 27,02 27,01 27,00 0,026 27,02 27,00 27,01 27,01 27,00 0,011 27,04 27,01 27,02 27,05 27,02 0,032 27,00 27,02 27,01 27,03 27,00 0,017 27,02 27,05 27,02 27,03 27,02 0,03 T k t qu trên, ta th y sai s gia công l ph ng b u so v i sai s mô ng 10 mm ) T u n gia công ch y - phân c k t qu - - ck ng c a b ph th y sai s o thành gi m thi u sai s gia cơng, ta có th dùng m (1) T n c ng, gi m thi (2) Th c hi n bù sai s cho b ng c a chi ti t máy u n 83 T NG K T 7.1 Các k t qu c Lu ng h c thi t k mơ hình máy phay CNC tr th i tính tốn mơ ph cho b c rung ng ng c a khung máy thi t l p thông s u n LinuxCNC Ph ng h c ng l c h c: Xây d ng c a máy CNC tr vi c nghiên c ng h c máy c ma tr o thu n l i ng h c c a máy CNC tr n ma tr u có c ma tr n Jacobi có m t cơng c h ng h c máy, toán chuy gi i quy nv ng thu n Tính tốn ki m nghi m b n cho b truy Thi t l ng máy ng l c h c cho h u n Ph n mô ph ng: Thi t l c mơ hình 3D c a máy CNC tr c Mô ph ng rung cho b ng khung máy phân tích t n s nh m t u n Thi t l c mơ hình cho h th u n s Thi t l c hàm truy n mô ph c sai s c a h th u n Mơ hình th c t : Ti c ph c ph 7.2 m h n ch 7.2.1 m ng th c t c a máy t i t ng khâu ti n dao gia công 84 - cn nt tốn thu ng h c c a máy thơng qua vi c kh o sát ng th i ch ng minh kh tr n Denavit- ng h c ng l c h c máy CNC tr c - c mơ hình thi t k hồn thi n cho máy CNC tr c - Mô ph c rung - D a ph rung ng c a khung máy trình làm vi c ng c c t n s rung ng trình làm vi c c a máy - c mơ hình tốn cho b u n s , d a mơ hình tốn c sai s c a b - Thi t l u n c mơ hình th c t ti c kh ng k t c u máy 7.2.2 H n ch - c hi n toán ngh ch c ng h ng l c h c - cb u gi m thi - ng máy t sai s gia công t t nh t 7.3 ng phát tri n c a lu - Gi i quy t thi u sót nêu - Nghiên c u t c ab - Nghiên c u t i gian gia công - Nghiên c gi m thi u ng c a máy gi m thi u sai s 85 DANH M C CÁC CƠNG TRÌNH KHOA H C N ng N Q Thành, ng b u n cho máy phay CNC tr c dao ngang d a h th ng Linux The 7th National Metrology Conference, Hà N i, 2020 ng nh sai s bù sai s cho máy phay cnc tr c dao ngang d a h thông Linux CNC The 7th National Metrology Conference, Hà N i, 2020 86 TÀI LI U THAM KH O [1] Quý, P V B ng, N X Chung, N V Thi n, H T T V Long, Giáo Trình Cơng Ngh CNC, Hà N i: NXB Giáo D c, 2010 [2] ph https://technicalvnplus.com/article/cac-bo-phan-co-khi-trong-may-cnc, Oct.28, 2020 [3] T V [4] N D ch, Công ngh CNC, Hà N i: NXB Khoa h c K thu t, 2004 c, Lý thuy u n n tính, Hà N i: NXB khoa h c k thu t, H Q Nguyen et al - design - manufacture of 4-axis CNC 2009 [5] Vietnam Mechanical Engineering Journal, vol 46, pp 428-437, 2018 [6] T T Huynh et al - rigidity and vibration of 4-axis Presented at The 12th National Conference on Solid Mechanics, [7] ng, 2015 N K Ngo et al -axis CNC milling machine with table- Presented at The 4th National Conference on Mechanical Science & Technology, Tp H Chí Minh, 2015 [8] H Q Nguyen et al -made Vietnam Mechanical Engineering Journal, vol 46, pp 512-520, 2018 [9] H Q Nguyen, T Q Nguyen and vibrating process of multiPresented at The 10th National Conference on Mechanics, Hà N i, 2017 [10] B.E Clancy and Y.C International Journal of Machine Tools and Manufacture, vol 42, pp 1035-1044, Mar 2002 [11] P Shakya, A K Darpe and -based fault diagnosis in rolling element bearings: ranking of various time, frequency and time- 87 frequency domain data- International Journal of Condition Monitoring, vol 52, pp 267-274, Jun 2013 [12] Y Wei et al Review of Early Fault Diagnosis Approaches and Their IEEE 16th International Conference on Control & Automation (ICCA), Japan 2020 [13] C-G Zhou, Y Ou and H- - screw Industrial Lubrication and Tribology, vol 69, no 2, pp 166-173 Mar 2017 [14] W Jin and -screw Component Health International Manufacturing Science and Engineering Conference, vol 2, pp 148-155, 2013 [15] W G Lee et al -Screw by Using Shock and Vibration, 2015, DOI:10.1155/2015/435870 [16] N V Khang, [17] N T c k thu t, Hà N i: Nhà xu t b n giáo d c, 2018 (2010), Chu ng máy [Online] Available: https://tailieu.vn/doc/giao-trinh-chuan-doan-rung-dong-may-phan-2-ksnguyen-thanh-son-1672623.html [18] L c, S tay công ngh ch t o máy t p II, Hà N i: NXB Khoa h c K thu t, 2007 [19] T Ch t L V Uy n, Tính Tốn Thi t K H Th ng D p 1, Hà N i: Nhà Xu t B n Giáo D c, 2015 [20] H Bachmann, B Verlag and Basel Canadian Journal of Civil Engineering, vol.24, pp 336340, Apr 1997 [21] C H Yeung, Y Altintas and K Erkorkmaz, Virtual CNC system Part I System architecture International Journal of Machine Tools Manufacture, vol 46, pp 1107-1123, Aug 2006 [22] H B c ch , Hà N i: NXB Bách Khoa Hà N i, 2010 and 88 [23] What is a PID controller and how it works? Internet: https://plcynergy.com/pid-controller/ , Dec 12, 2021 [24] S D Stan1, M Manic, V and R Kinematics Analysis, Design, and Control of an Isoglide3 Parallel Robot (IG3PR), Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, pp 648-656, Florida, 2008 [25] N P Quang, Matlab & Simulink dành cho k NXB Khoa h c k thu t, 2003 u n t ng, Hà N i: 89 PH L C 1: DANH SÁCH HÌNH NH Hình 1.1 K t c n c a máy ti n CNC [1] Hình 1.2 Bàn xoay cho máy CNC tr c [2] Hình 1.3 Tr c máy CNC [2] .4 Hình 1.4 C m d ng tr c máy CNC [2] Hình 1.5 Tr c VitmeHình 1.6 Các lo i c bi [2] tích d ng c [1] .6 i d ng c [1] Hình 1.8 u m- Hình 1.9 u n th ng [3] Hình 1.10 u ng [3] Hình 1.11 C u trúc b Hình 2.1 H t m [3] u n máy CNC [4] 10 thu n nh t [16] .17 Hình 2.2 Phép quay h t Hình 2.3 Phép bi [16] 18 ih t thi t l p h t [16] 20 khâu [16] 23 Hình 2.5 Mơ hình cánh tay rơ b t có n khâu [16] .27 Hình 2.6 Bi v n t c [17] .32 Hình 2.7 Bi sóng bi u th v n t c theo th i gian [17] .33 Hình 2.8 Bi d ng ph Hình 2.9 M t s ng c a máy [17] 35 Hình 2.10 M t cân b Hình 2.11 Các chi ti t b Hình 2.12 v n t c [17] .33 ng chi ti t quay [17] 35 36 ng m t liên k t [17] 36 ng h c máy CNC tr c 38 Hình 3.2 Quy trình tính v n t c gia t 41 Hình 4.1 Mơ hình máy CNC tr c .55 Hình 4.2 Thơng s v t li u thép 55 Hình 4.3 u ki n biên 56 Hình 4.4 i 56 90 Hình 4.5 D ng th 57 Hình 4.6 D ng th 58 Hình 4.7 D ng th 58 Hình 4.8 D ng th 58 Hình 4.9 D ng th 59 th h s khu Hình 4.11 Ngo i l ng [20] .59 t vào khung máy 60 Hình 4.12 K t qu chuy n v c a khung máy .61 Hình 4.13 K t qu ng su t c a khung máy .61 Hình 4.14 Ph chuy n v c ng khung máy 62 Hình 5.1 Mơ hình h th u n cho tr c [21] .63 cho khâu t nh ti n [21] 63 u n ph n h i vịng kín v i b Hình 5.4 Mơ hình h th Hình 5.5 Kh u n .68 t thơng s cho b Hình 5.6 Quy lu t b Hình 5.7 Tín hi u n PID [4] 66 u n PD 69 u n PD 69 u vào b u n 70 Hình 5.8 Sai s v v trí c a b u n v i e1 x , e2 y , e3 z 70 Hình 5.9 Sai s v v n t c c a b Hình 5.10 L c truy ng c a b Hình 5.11 C a s u n v i de1 x , de2 y , de3 z .71 u n v i F1 x , F2 y , F3 z 71 n c a máy CNC 72 Hình 5.12 C a s thi t l p chân linh ki n m u n .73 Hình 5.13 C a s thi t l p thông s cho tr c X .73 Hình 5.14 C a s thi t l p thông s cho tr c Y .74 Hình 5.15 C a s thi t l p thông s cho tr c Z 75 Hình 5.16 C a s thi t l p thông s cho tr c quay .75 Hình 5.17 Giao di n b u n Linux CNC 76 Hình 6.1 Thi t l p thi t b ng c a tr c Z v i tr ng c a máy phay CNC 77 ng 78 91 ng c a tr uc .79 Hình 6.4 ng c a tr 79 ng c a tr 80 ng c Oz 80 92 PH L C 2: DANH SÁCH B NG BI U B ng 3.1 Các thông s ma tr n Denavit - Hartenberg .39 B ng 3.2 Thông s c a tr c vít 50 B ng 3.3 Thông s 53 B ng 4.1 K t qu t n s riêng c a khung máy .57 B ng 6.1 K t qu B ng 6.2 K t qu ns ng .81 ng kính s n ph m gia công 82 93 PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG H tên: Nguy n Ng a ch liên l c: 226/28 Nguy ng P.17 Gị V p Tp H Chí Minh O i h c: H o t o: Chính quy N i ot i h c Bách Khoa Tp H Chí Minh Ngành h N c Thu t o t o: Vi t Nam B ng i h c 2: Sau - N m t t nghi p: ih c Th N i - N m t t nghi p: 2019 Thu t ot N m c p b ng: 2022 i h c Bách Khoa Tp H Chí Minh Tên lu n án: Kh ng l c h c máy CNC s d ng b Ngo i ng : M c u n Linux s d ng: Toeic 600 Q TRÌNH CƠNG TÁC Th i gian n N i cơng tác Phịng thí nghi d HCM Công vi c m nhi m ng C ng tác viên ... Thi t l p thông s ph n m m Linux CNC 71 KH O SÁT TH C NGHI 6.1 Thi t l p mơ hình k t qu 6.2 K t qu kh 6.3 K t qu NG MÁY CNC 77 ng máy phay CNC 77 ng c a máy phay CNC 77 c a chi ti t gia... c a h Gi i thi u v b u n LinuxCNC Linux CNC m t h th ng ph n m u n máy tính máy cơng c PUMA SCARA máy tính u n tr c LinuxCNC ph n m m mi n phí v i mã ngu n m LinuxCNC có kh Giao di p: i dùng... 1.1 T ng quan v máy CNC 1.1.1 L ch s phát tri n c a máy CNC 1.1.2 K tc 1.1.3 T m quan tr ng c a máy CNC 1.2 n c a máy CNC T ng quan v b u n máy CNC 1.2.1