Nghiên cứu giải pháp tối ưu cho hệ thống tưới nguội và bôi trơn trong máy CNC

ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG TƯỚI NGUỘI VÀ BÔI TRƠN TRONG MÁY CNC Cơ quan chủ trì: PTN Trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật hệ thống Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Tp.HCM Chủ nhiệm nhiệm vụ: TS Nguyễn Huy Hùng Thành phố Hồ Chí Minh - 03/2022 ỦY BAN NHÂN DÂN TP.HCM SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG TƯỚI NGUỘI VÀ BÔI TRƠN TRONG MÁY CNC (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng nghiệm thu ngày 25/03/2022) Chủ nhiệm nhiệm vụ: (ký tên) TS Nguyễn Huy Hùng Thành phố Hồ Chí Minh - 03/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PTN TRỌNG ĐIỂM ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀ KỸ THUẬT HỆ THỐNG CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp.HCM, ngày tháng năm 2022 BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KH&CN I THÔNG TIN CHUNG Tên nhiệm vụ: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG TƯỚI NGUỘIVÀ BÔI TRƠN TRONG MÁY CNC Thuộc: Chương trình/lĩnh vực (tên chương trình/lĩnh vực): Nghiên cứu chế tạo máy CNC công nghệ in 3D giai đoạn 2018-2020, tầm nhìn đến năm 2025 Chủ nhiệm nhiệm vụ: Họ tên: Nguyễn Huy Hùng Ngày, tháng, năm sinh: 18/09/1974 Nam/ Nữ: Nam Học hàm, học vị: Tiến sĩ Chức danh khoa học: Chức vụ: Điện thoại: Tổ chức: 028 3864 7256 số nội bộ: 6259 Mobile: 0914908070 Fax: E-mail: nhhung@dcselab.edu.vn Tên tổ chức công tác: PTN trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống Địa tổ chức: 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, TP.HCM Địa nhà riêng: 14/13 Đường số KP3, P.Linh Trung, Q.Thủ Đức Tổ chức chủ trì nhiệm vụ: Tên tổ chức chủ trì nhiệm vụ: PTN trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống Điện thoại: 028 3864 7256 số nội bộ: 6259 Fax: E-mail: dcselab@dcselab.edu.vn Website: www.dcselab.edu.vn Địa chỉ: 268 Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, TP.HCM Họ tên thủ trưởng tổ chức: Nguyễn Tấn Tiến Số tài khoản: 3713.0.9057441.00000 Kho bạc: Kho bạc Nhà nước: Quận 10, Tp.HCM Tên quan chủ quản đề tài: PTN trọng điểm Điều khiển số Kỹ thuật Hệ thống II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN Thời gian thực nhiệm vụ: - Theo Hợp đồng ký kết: từ tháng năm 2019 đến tháng năm 2021 - Thực tế thực hiện: từ tháng năm 2019 đến tháng năm 2022 - Được gia hạn (nếu có): - Lần từ tháng năm 2021 đến tháng 11 năm 2021 - Lần từ tháng 11 năm 2021 đến tháng 03 năm 2022 Kinh phí sử dụng kinh phí: a) Tổng số kinh phí thực hiện: 1.293,699 triệu đồng, đó: + Kính phí hỗ trợ từ ngân sách khoa học: 1.239 triệu đồng + Kinh phí từ nguồn khác: 54,699 triệu đồng b) Tình hình cấp sử dụng kinh phí từ nguồn ngân sách khoa học: Số TT Theo kế hoạch Thời Kinh gian phí (Tháng, (Tr.đ) năm) 5/2020 619 496 Thực tế đạt Thời gian (Tháng, năm) Kinh phí (Tr.đ) 5/2020 11/2021 591 524 c) Kết sử dụng kinh phí theo khoản chi: Ghi (Số đề nghị toán) 591 524 Đối với đề tài: Đơn vị tính: Triệu đồng STT Nội dung khoản chi Tổng NSKH Nguồn khác Trả công lao động (khoa học, phổ thông) Nguyên, vật liệu, lượng Thiết bị, máy móc Xây dựng, sửa chữa nhỏ Chi khác Tổng cộng Thực tế đạt Theo kế hoạch Tổng NSKH 867 867 173 173 75 1.115 75 1.115 Nguồn khác - Lý thay đổi (nếu có): Đối với dự án: Đơn vị tính: Triệu đồng STT Nội dung khoản chi Theo kế hoạch Tổng NSKH Thiết bị, máy móc mua Nhà xưởng xây dựng mới, cải tạo Kinh phí hỗ trợ cơng nghệ Chi phí lao động Nguyên vật liệu, lượng Nguồn khác Thực tế đạt Tổng NSKH Nguồn khác Thuê thiết bị, nhà xưởng Khác Tổng cộng - Lý thay đổi (nếu có): Các văn hành q trình thực đề tài/dự án: (Liệt kê định, văn quan quản lý từ công đoạn xét duyệt, phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực có); văn tổ chức chủ trì nhiệm vụ (đơn, kiến nghị điều chỉnh có) Số Số, thời gian ban Ghi Tên văn TT hành văn Công văn số V/v thay đổi quan đăng ký 757/SKHCN-QLKH chủ trì nhiệm vụ nghiên cứu ngày 19/4/2019 KHCN Quyết định số V/v phê duyệt nhiệm vụ 423/QĐ-SKHCN nghiên cứu khoa học công nghệ ngày 22/05/2019 Hợp đồng số Hợp đồng thực nhiệm vụ 21/2019/HĐnghiên cứu khoa học công nghệ QPTKHCN ngày 29/05/2019 V/v phê duyệt kế hoạch lựa Quyết định số chọn nhà thầu nhiệm vụ: 1118/QĐ-SKHCN Nghiên cứu giải pháp tối ưu cho ngày 11/11/2019 hệ thống tưới nguội bôi trơn máy CNC Công văn số V/v xin gia hạn thời gian thực 73/CV-DCSELab nhiệm vụ KH&CN cấp thành ngày 28/09/2020 phố Công văn số V/v điều chỉnh thời gian thực 3350/SKHCN-QLKH nhiệm vụ khoa học công ngày 23/12/2020 nghệ Quyết định số V/v điều chỉnh Điều Quyết 1445/QĐ-SKHCN định số 423/QĐ-SKHCN 23/12/2020 22/5/2019 Sở Khoa học Công nghệ Công văn số V/v điều chỉnh thời gian thực 2352/SKHCN-QLKH nhiệm vụ khoa học công ngày 02/11/2021 nghệ Quyết định 749/QĐ-SKHCN ngày 02/11/2021 số V/v điều chỉnh Điều Quyết định số 1445/QĐ-SKHCN ngày 23/12/2020 Sở Khoa học Công nghệ Tổ chức phối hợp thực nhiệm vụ: STT Tên tổ Tên tổ chức Nội dung chức đăng ký tham gia tham gia theo Thuyết thực chủ yếu minh Công Ty Công Ty Tham gia TNHH Cơ TNHH Cơ Điện thực nội Điện Tử Hiệp Tử Hiệp Phát dung 23 Phát Sản phẩm chủ yếu đạt Báo cáo thử nghiệm kiểm tra giải pháp tối ưu cho hệ thống tưới nguội bôi trơn máy CNC Trường Đại Trường Đại học Tham gia Báo cáo học Sài Gòn Sài Gòn thực nội thử nghiệm Tp.HCM Tp.HCM dung đến nội dung 22 - Lý thay đổi (nếu có): Cá nhân tham gia thực nhiệm vụ: Ghi chú* (Người tham gia thực đề tài thuộc tổ chức chủ trì quan phối hợp, không 10 người kể chủ nhiệm) STT Tên cá nhân đăng ký theo Thuyết minh Tên cá nhân tham gia thực Nội dung tham gia Sản phẩm Ghi chủ yếu chú* đạt Báo cáo chuyên đề TS Nguyễn Huy TS Nguyễn Huy Xây dựng thuyết Hùng Hùng minh chi tiết đề tài Nội dung : 1, 2, 3, 6, 13.1, 17, 18, 19.1, 19.2, 20.2, 21.1, 22.3, 23, 24 ThS Võ Thị ThS Võ Thị Bích Xây dựng thuyết Bích Ngọc Ngọc minh chi tiết đề tài Nội dung : 4, 5, 11, 12, 13.2, 13.3, 15, 24 Báo cáo chuyên đề TS Dương Văn TS Dương Văn Nội dung : 16, 20.1 Tú Tú TS Trần Viết TS Trần Thắng Thắng TS Trần Đức TS Trần Đức Anh Nội dung : 8, 9, 10, Anh Minh Minh 13.1, 13.4, 19.1 Báo cáo chuyên đề Báo cáo chuyên đề Báo cáo chuyên đề Báo cáo chuyên đề Báo cáo chuyên đề Viết Nội dung : 12, 15, 22.3, 23 ThS Võ Phi Sơn ThS Võ Phi Sơn Nội dung : 7.1, 10, 14, 16, 17, 20.2 ThS Trịnh Hoài ThS Trịnh Hoài Nội dung : 1, 2, 3, Ân Ân 5, 7.1, 7.2, 21.2 TS Lê Bình Nhật TS Lê Nhật Bình Nội dung : 1, 2, 4, 6, 7.2, 20.1, 20.2, 20.3, 22.2 Báo cáo chuyên đề ThS Phan ThS Phan Hoàng Nội dung : 13.2, Hoàng Long Long 13.3, 19.2, 20.1, 20.3 Báo cáo chuyên đề 10 ThS Nguyễn ThS Nguyễn Hữu Nội dung : 7.1, 7.2, Hữu Phúc Phúc 8, 9, 11, 18, 21.1, 22.1, 22.2 Báo cáo chuyên đề 11 ThS Hùng Khánh Phạm ThS Phạm Hùng Nội dung : 1, 3, 5, Kim Kim Khánh 7.1, 7.2, 15, 16, 17, 18.1, 21.2 Báo cáo chuyên đề 12 ThS Dương ThS Dương Hiển Nội dung : 3, 4, 5, Hiển Thuận Thuận 13.1, 13.2, 13.3, 13.4, 14, 19.2, 22.1 Báo cáo chuyên đề ThS Lê Quốc ThS Đán Đán Báo cáo chuyên đề Báo cáo chuyên đề 13 Lê Quốc Nội dung : 6, 8, 9, 11, 12, 20.3, 22.3 ThS Phạm ThS Phạm Thanh Nội dung : 10, 12, Thanh Đàm Đàm 13.4, 14, 15, 16, 18, 21.2, 22.3, 23 14 - Lý thay đổi ( có): Tình hình hợp tác quốc tế: STT Theo kế hoạch (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn, số lượng người tham gia ) Thực tế đạt (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm, tên tổ chức hợp tác, số đoàn, số lượng người tham gia ) Ghi chú* - Lý thay đổi (nếu có): Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị: Số Theo kế hoạch Thực tế đạt Ghi chú* TT (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm ) Nội dung: Hội thảo Nghiên cứu giải pháp tối ưu cho hệ thống tưới nguội bôi trơn máy CNC Thời gian: Tháng 4/2021 Kinh phí: 25.000.000 Địa điểm: Tp.HCM (Nội dung, thời gian, kinh phí, địa điểm ) Nội dung: Hội thảo Nghiên cứu giải pháp tối ưu cho hệ thống tưới nguội bôi trơn máy CNC Thời gian: 09/04/2021 Kinh phí: 25.000.000 Địa điểm: NH-KS Ngọc Hà Luxury - Lý thay đổi (nếu có): Tóm tắt nội dung, cơng việc chủ yếu: (Nêu mục 15 thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát nước nước ngoài) Số TT Các nội dung, công việc chủ yếu (Các mốc đánh giá chủ yếu) Xây dựng thuyết minh chi tiết đề tài Nghiên cứu thông số ảnh hưởng đến thay đổi nhiệt độ dao phơi q trình thi cơng Nghiên cứu mơ hình phân tích để dự đốn trường nhiệt độ dao q trình gia cơng chiều liên tục Nghiên cứu mơ hình phân tích để dự đốn trường nhiệt độ dao q trình gia cơng chiều ngắt quãng Đánh giá ảnh hưởng phương pháp tưới nguội Thời gian (Bắt đầu, kết thúc - tháng … năm) Theo kế Thực tế hoạch đạt Người, quan thực 05/2019 05/2019 DCSELab 06/2019 10/2019 06/2019 – 10/2019 DCSELab 06/2019 10/2019 06/2019 – 10/2019 DCSELab 06/2019 10/2019 06/2019 – 10/2019 DCSELab 06/2019 10/2019 06/2019 – 10/2019 DCSELab 10 PHỤ LỤC D BẢNG BÁO LỖI HỆ THỐNG BÔI TRƠN VÀ PHƯƠNG PHÁP KHẮC PHỤC LỖI Bảng mã lỗi hệ thống bơi trơn trượt, vít me Mã lỗi Nguyên nhân Bị tắc đường bôi trơn 2082 Cảm biến áp suất phát có áp đường ống bơm không hoạt động Mức dầu bôi trơn thấp 2073 Khơng có áp suất bơm Mạch bơi trơn bị hở hoạt động 2075 Bình chứa dầu rỗng Hư cảm biến áp suất Cách khắc phục Kiểm tra đường bôi trơn, đầu chia Tiến hành tháo, súc rửa thay vị trí bị tắc Kiểm tra, thêm dầu 8h/lần Kiểm tra rò rỉ hệ thống bơi trơn Kiểm tra tín hiệu cảm biến áp suất để dự đốn tình trạng cảm biến Van chiều cho bôi trơn Thay van chiều trục Z bị hỏng Mực dầu bôi trơn thấp Đường bơi trơn bị tắc Dự đốn tất đầu chia, khơng có tín hiệu báo ống dẫn dầu, van phân phôi lỗi đồng hồ áp hiển để tìm vị trí bị tắc thị áp suất (áp suất Tiến hành sục rửa khí đường bơi trơn khác 0) nén dầu có áp lực cao Kiểm tra hệ thống lưới lọc Lượng dầu bơi trơn q định kỳ chu kỳ Bảng mã lỗi hệ thống bôi trơn Oil Air Mã lỗi Lý Cách khắc phục Lỗi 121 Mức dầu thấp Bổ sung thêm dầu Mức dầu áp suất thấp Công tắc áp suất bị hỏng Thay công tắc áp suất Khơng có điện áp cấp cho Kiểm tra nguồn điện cấp bơm, bơm bị hỏng cho bơm tủ điện Bộ lọc bị tắc Thay lọc Khơng có áp suất áp Rị rỉ từ chỗ nối Siết lại đầu nối, suất đầu đo áp suất thay cần thiết khơng đủ Áp suất trì mức cao Một đường dầu Làm đường dầu 10 phút bị tắc thiết bị đo 272 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] L B Bever, M B., Marshall, E R., and Tichenor, “The Energy Stored in Metal Chip during Orthogonal Cutting,” J Appl, Phys., vol 24, 1953 [2] J Hastings, W F., Mathew, P., Oxley, P L B., and Taylor, “Estimating Cutting Temperatures: Their Use as a Predictor of Tool Performance when Machining Plain Carbon Steels,” Int J Mach Tool Des Res, 1979 [3] G Boothroyd, “Fundamentals of Metal Cutting and Machine Tools,” Hemisph Publ Co., 1966 [4] R C Dutt, R P., and Brewer, “On the Theoretical Determination of the Temperature Field in Orthogonal Cutting,” Int J Prod Res, vol 4, 1964 [5] T N [1] Loladze, “Adhesion and Diffusion Wear in Metal Cutting,” J.Inst Eng India, vol 43, 1962 [6] J Hastings, W F., Mathew, P., Oxley, P L B., and Taylor, “Estimating Cutting Temperatures: Their Use as a Predictor of Tool Performance when Machining Plain Carbon Steels,” Int J Mach Tool Des Res, 1979 [7] R Takeyama, H., and Murata, “Basic Investigation of Tool Wear,” ASME J Eng Ind., vol 8, 1963 [8] R Woxen, “Tool Life and Balances of Heat in Lathe Work,” Ingeniorsvelenskapsakademien, 1937 [9] B T Trigger, K G., and Chao, “The Mechanism of Crater Wear of Carbide Tools,” Trans ASME, vol 78, 1956 [10] B N Colding, “A Wear Relationship for Turning, Milling, and Grinding,” Mach Econ., 1956 [11] L B Bever, M B., Marshall, E R., and Tichenor, “The Energy Stored in Metal Chip during Orthogonal Cutting,” J Appl, Phys., vol 24, 1953 [12] J C Jaeger, “Moving Source of Heat and the Temperature of Sliding Contacts,” Proc R Soc New South Wales, vol 76, 1943 [13] M C Loewen, E G., and Shaw, “On the Analysis of Cutting Tool Temperatures,” Trans ASME, vol 76, 1954 (1-9: chương 1) [14] P L B Oxley, “The Mechanics of Machining: An Analytical Approach to Assessing Machinability,” John Wiley Sons Publ Co., 1989 273 [15] J W Sutherland, “A Dynamic Model of the Cutting Force System in the End Milling Process,” Proc ASME Symp Monit Control Manuf Process., vol 33, 1988 [16] A Stephenson, D A., and Ali, “Tool Temperatures in Interrupted Cutting,” Proc ASME Symp Fundam Issues Mach., vol 43, 1990 [17] D Doyle, “Grease Lubrication versus Oil Lubrication,” ALS Tribology, 2020 https://www.alsglobal.com/%2Fen%2Fnews%2Farticles%2F2020%2F01%2Feso urce-123-grease-lubrication-versus-oil-lubrication (accessed May 31, 2021) [18] T Mori, “Taguchi Methods Benefits, Impacts, Mathematics, Statistics, and Applications,” NIR news, vol 12, no 1, pp 8–9, 2001, doi: 10.1255/nirn.597 [19] “DPB Dester Plunger | 株式会社 正和.” https://www.net- showa.co.jp/en/products/dpb/ (accessed Jun 21, 2021) [20] Hiwin Technologies Corp., “Linear Guideway.” p 211, 2018 [21] [D C Montgomery, Design and Analysis of Experiments, vol 106, no 11 2017 [22] [18] G Bosca, “Centralized lubrication systems.,” Oleodin Pneum., vol 30, no 3, Mar 1989, pp 112–116, 1989 [23] E Shashi Menon, “Liquid Pipeline Hydraulics,” J Chem Inf Model., vol 53, no 9, pp 1689–1699, 2013 [24] “China Short Lead Time for Hydraulic Pump Hp - T86 Grease/Oil Pressure Quantitative Dispenser – Jianhe factory and suppliers | Jianhe.” https://www.jxrobotic.com/short-lead-time-for-hydraulic-pump-hp-t86-greaseoilpressure-quantitative-dispenser-jianhe-product/ (accessed Jun 21, 2021) [25] [P Ab, “Lubricant Distributors,” Encycl Lubr Lubr., pp 1053–1053, 2014, doi: 10.1007/978-3-642-22647-2_100391 [26] Hiwin Technologies Corp “Lubricating instruction for linear guideways and ballscrews” p 7-30 [27] “NSK_CAT_E1102m_A105-113” https://www.nsk.com.br/upload/file/flipbook /NSK_CAT_E1102m_A105-113/files/basic-html/page1.html [28] Hiwin Technologies Corp “ballscrews” p 30-50 274 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam ICIUS-2021-39 Active Door Preventing Infectious Air of Hospital Isolation Room 277 Vo Nhut Quang Mo, Duy Anh Nguyen, Tan Huy Nguyen, Phuc Long Duong, Dae Hwan Kim, Le An Pham and Tan Tien Nguyen* ICIUS-2021-40 Design of Powered Air Purifying Respirator Used for Healthcare Workers 285 An Thanh Vo Ta, Thanh Long Le*, Ngoc Dang Tran, Le An Pham, Hoang Long Phan and Tan Tien Nguyen ICIUS-2021-41 Design and Implementation of Upper Limb Rehabilitation Exoskeleton for Poststroke Patients 294 Binh Vo Dang Phuong, Xuan Thang Nguyen, Van Tu Duong, Huy Hung Nguyen and Tan Tien Nguyen* ICIUS-2021-42 Optimal Oil Lubrication for Ball Slide-guide of CNC Milling Machine Using Taguchi Method 302 Huy Hung Nguyen, Quoc Dat Le, Hoang Long Phan, Van Tu Duong and Tan Tien Nguyen* ICIUS-2021-43 An Optimal Method for Distributing Tolerance of Milling Spindle’s Components.310 Xuan Quang Ngo, Van Tu Duong, Thanh Luan Bui, Huy Hung Nguyen and Tan Tien Nguyen* ICIUS-2021-44 Design of Three Axes of CNC Milling Machine Using Lucas Design for Assembly.319 Viet Toan Vu, Van Tu Duong*, Thanh Luan Bui, Huy Hung Nguyen and Tan Tien Nguyen ICIUS-2021-45 One-leg Stance of Humanoid Robot Using Active Balance Control .333 Tri Duc Tran, Anh Khoa Lanh Luu, Van Tu Duong, Huy Hung Nguyen and Tan Tien Nguyen* ICIUS-2021-48 Design and Evaluate the Hardware Framework in Mechanical Ventilator 348 Anh Son Tran, Ngoc Anh Thu Vuong and Ha Quang Thinh Ngo* ICIUS-2021-49 Towards Motion Capture Using a Swarms of Drones 357 John Page*, Faqihza Mukhlish and Michael Bain ICIUS-2021-50 Experimental Modelling of Flapping-wing Micro Air Vehicle .363 Steven Aurecianus, Gi Heon Ha, Hoang Vu Phan, Hoon Cheol Park and Taesam Kang* ICIUS-2021-51 Multi-terrain Hexapod Robot for Search and Rescue Mission 369 R Akmeliawati*, D Harvey, N Mudisi, S Lakshmanan, I Iro and M Ijala ICIUS-2021-52 Laser-equipped Drone for Weed Management 377 R Akmeliawati*, N Sergiienko, L Verbi, L Hunter, A Scarfo, C Alt and B Pedler ICIUS-2021-53 A Smart Assistant Tool for Ship Machinery Arrangement Using Genetic Algorithm………………………………………………………………………………………….385 v The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam Optimal Oil Lubrication for Ball Slide-guide of CNC Milling Machine Using Taguchi Method Huy Hung Nguyen3,4, Quoc Dat Le3, Hoang Long Phan1,2,3, Van Tu Duong1,2,3, and Tan Tien Nguyen1,2,3* Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), 268 Ly Thuong Kiet, District 10, Ho Chi Minh City, Vietnam Vietnam National University Ho Chi Minh City, Linh Trung Ward, Thu Duc District, Ho Chi Minh City, Vietnam National Key Laboratory of Digital Control and System Engineering (DCSELab), HCMUT, 268 Ly Thuong Kiet, District 10, Ho Chi Minh City, Vietnam Faculty of Electronics and Telecommunication, Saigon University, Vietnam *Corresponding author E-mail: nttien@hcmut.edu.vn Abstract Ball slide-guide has been widely used to guide and carry a payload in linear motion of the precise machine tools Because of carrying the main payload, a surface deformation may result in the processing accuracy and lifetime of the CNC machine Therefore, oil lubrication is introduced as a key factor in the design of machinery Lubricants are usually used for modern CNC machines thanks to the fact that the volume and flow of lubricants can be monitored easily Since it is difficult to obtain a mathematical model for estimating the leakage of lubricants, this paper studies the Taguchi method to evaluate factors that affect the time-variant friction force on the ball slide-guide such as the oil amount of feed oil, feed cycle, load, slide-guide installation The distribution of this paper to carry out a useful tool for designing a lubrication system for precise ball slide-guide Keywords: Oil lubrication, Taguchi method, optimization, ball slide-guide, modular CNC machine Introduction CNC (computerized numerical control) has become increasingly popular in manufacturing all around the world To keep CNC machine working with low vibration, high performance and high precision, many factors should be considered, one of which is lubrication for the ball slide guide of axes There are two well know lubricants in the industry for ball rails known as grease and oil (Hiwin Technologies Corp., 2018) The clear benefit of grease is hard to leak, therefore the system does not need to be re-lubricated frequently; beside, it has sealing properties which protects bearing surfaces from dust, chemistry and water However, the grease is difficult to clean and limit a cooling ability (Doyle, 2020) Contrary to grease, oil is easily leaked and requires lubricating periodically, but it includes many advantages such as: providing better cooling properties, the ability to control the accuracy amount needed to lubricate, easy to clean and maintain the system This paper first provides factors that affect the lubrication ability of oil in rail-guideways systems Then, an experiment that investigates the influence of each factor on the effectiveness of lubrication is performed Base on the experimental results, this paper proposes the optimal lubrication method to bring high performance of slide guide movement The main purpose of lubrication process is reducing the friction factor between guideways and slide rail, protecting the slide surface by oxidation, and prevent harmful object from getting into contact surface 302 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam Thus, this leads to lower friction force for slide guide movement Therefore, in this experiment, we measure the friction force of four slide units in different cases to survey the effect of factors on this force There are many independent factors suspected of influencing an output Having more factors and more levels of each factor can create a considerable amount of time and cost to finish experiment The Taguchi method can be applied on this case to lower the number of experiments Many studies have indicated that the Taguchi method can be used for academic research, as well as for production applications (Montgomery, 2017) The advantage of the Taguchi method in designing parameters model is to cut off many experiments, thus lowering the price and performance time but still gives a reliable result to help optimize the design Experimental procedure This section describes the process of conducting the experiment, collecting data as well as method to evaluate the results 2.1 Experimental setup Figure (a) illustrates the mechanism of the experiment used in this study The surveying ball slide-guide include two HIWIN HGR45R1000C ball rail is arranged in parallel, each rail has guideway units (HIWIN HGW45CBZ0C+SH) on it These guideway units are fixed on steel plate, which is pushed by screw nut through loadcell sensor The movement of screw nut is made by turning of screw which is connected to 86HS85 stepping motor by timing belt ͳ ʹ ͵ Ͷ ͷ ͸ ͺ ͹ M (a) ͳ ʹ ͵ Ͷ ͷ ͸ ͹ ͺ ͻ (b) Figure (a) Experiment mechanism (b) 3D model 1: Stepping motor, 2: Timing belt, 3: Ball screw, 4: Ball rail, 5: Sensor, 6: Ball nut, 7: Steel plate, 8: Guideway, 9: Oil distributor 303 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam (a) (b) Figure (a) Lubrication system (b) working principle of oil distributor Each guideway unit connect to multi-output oil distributor by soft plastic line, the oil is supplied from high pressure pump, get into filter before going straight to the distributor The oil connection is present in Figure 2(a) The working principle of a high-pressure oil distributor is shown in Figure (b) when the high-pressure pump is activated; the oil from the oil tank travels to the oil pump through the pipeline; the oil pressure generates the push force to compress the spring in the directional valve to push oil in the discharge chamber to the valve out; when the oil pump is disconnected, the oil loses the high pressure so the spring returns to its original position and pushes the oil from the storage chamber into the discharge chamber in preparation for the next delivery Thus, in one pulse of the oil pump, the volume of oil gone out of the distributor at each time is equal to the discharge chamber volume (Callahan, 1981) This feature of distributor guarantees the amount of oil distribute to each slide guide block is the same, independent of the time operation pump of each cycle and length of connection pipe from pump to each distributor block 2.2 Data collection process In this experiment, a EGQ7–Q9VP loadcell is used to measure force coming from the ball screw to the steel plate The oil is fed one time at the start of each experiment, the stepping motor runs periodic to move the steel plate laterally In one cycle of moving mentioned, the loadcell just measures compression force The motion profile of the stepping motor is defined with acceleration and to reducing the force of inertia of mass The acquisition data of loadcell is sampled at specified points in the whole travel where the steel plate run with constant speed The oil leakage affects the pushing force of ball screw to steel plate during moving operation The data acquisition and the motion control are implemented on the ESP32 microcontroller, meanwhile the data received by loadcell is stored in microSD card and transferred to PC at the end of experiment period There are one limit switches inserted to the terminal of slide rail The feedback signal of the limit switch is captured to reset the starting sampling position in all period Many factors affect lubrication efficiency as well as leaking of oil These factors lead to the varying of the push force to move unit slideway on rail Some factors can be recognized and controlled by CNC processor such as oil volume per cycle, re-lubrication cycle time, sum of 304 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam travel distance on one cycle Some factors change slowly in time or are difficult to be sensed by CNC processor like temperature and moisture of atmosphere, oil viscosity, load on slideway unit Oil viscosity Oil viscosity or oil thickness determines the lubricant’s film strength If the oil viscosity is too high, the isolating coefficient between slide surface and harmful object is better, the time for oil leakage is longer, but high viscosity is also an obstacle to movement and cause the machine to work harder Conversely, if the oil viscosity is too low, the film created by oil may not be thick enough to prevent friction The oil viscosity for slideway lubrication is usually limited from 30cSt to 150cSt (Hiwin Technologies Corp., 2018) The oil used in this paper has a viscosity of 50cSt Load on slideway The data of loadcell is sampled at a constant velocity of slideway unit, at this point, the main force active in loadcell is rolling friction This force is proportional to a coefficient of rolling friction and the weight of the load on the slide unit High friction force leads to the increase of rail temperature, which may affects oil leakage However, in the CNC machine, the fixed load which is the weight of the machine table always impacts slideway while either at rest or in motion, while the weight of the manufacturing product is small compare with the load of the table The weight as a load put on four slide unit for this research is limited to 70kg The atmosphere conditions The temperature and moisture of air in a factory may cause the evaporation of lubricant However, oil evaporation is only significant when the temperature higher than 100oC Thus, oil evaporation is not considered as an effect object to lubrication efficiency Oil volume per cycle The oil volume which is fed on one lubrication cycle affects lubrication efficiency directly Small volume may be insufficient for creating oil film; in contrast, too much oil can waste lubricant Almost all modern CNC machines use a one-line lubrication system to distribute oil to axes The one-line lubrication system has used the distributor which supplies a constant volume of oil, independent of the length of the connection pipeline from the pump to the distributor The distributor which is used for our experiment is SKF MonoFlex 450 with 0.1cm3 metered quantity at bar of relief pressure (Callahan, 1981) Re-lubrication cycle time The lubricant is not necessary to be fed continuously during the operation of the CNC machine, the continuous running of lubrication is harmful to the oil pump as well as wastes power and oil In most CNC machines, the oil is fed periodically at a constant time, the lubrication cycle time installed in the CNC controller relates directly to oil leakage time The relubrication cycle time is not long enough to evaporate the oil, but it may cause leaking oil off the rail by oil gravity This is an essential factor that needs to be investigated to find the reasonable cycle time value for lubrication controllers Speed of slide unit The lubricant does not make the film on the rail surface immediately When the oil is fed to the slideway, it is stored in slideway unit slots and distributed on rail when the slideway unit runs on it Different speeds of slideway lead to different travel distances on the rail in one lubrication cycle This travel distance may affect the quantity of the oil that goes off from the storage slot of 305 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam the slideway unit to the rail In this paper, we perform the experiments with levels of speed of the stepping motor 2.3 Taguchi parameters Before applying the Taguchi analysis, the parameters and number of levels for each parameter must be established Taguchi method shows that levels for each parameter are suitable for finding optimum design values As mentioned above, the Taguchi parameters are the oil volume per cycle, the re-lubrication cycle, and the speed of the slideway With some pre-experiment, we conclude that the change of friction force is only significant when the volume of the oil reaches 1/30 of the amount referred to slide guide manufacturer (Hiwin Technologies Corp., 2018) Therefore, this experiment is performed with 0.1cm3, 0.2cm3 and 0.3cm3 volume of feed oil on start of lubrication cycle The reference re-lubrication cycle from another CNC machines is hours Thus, our experiment investigates levels of the cycle time, which are hours, 16 hours, and 24 hours The speed of one axis fluctuates during the operation of the CNC machine, depending on the machining mode In a high rigidity machine, the tool feed rate can reach 1000mm/min In the limit of this experiment, the tool feed rate is utilized respectively with 300mm/min, 400mm/min, and 500mm/min Table I lists the parameters and levels of each parameter is validated in this experiment Table I Factors and levels for oil lubrication experiments Parameters Oil volume per cycle (cm3) Re-lubrication cycle (hour/cycle) Speed (mm/min) Level 0.1 300 Level 0.2 16 400 Level 0.3 24 500 At the beginning of each experiment, the same initial conditions are made such as drying the oil on the rail, running the slide unit until getting the same initial force with another experiment For each experiment, the load-cell value is collected at three specified points Then, the difference between the collected values at the beginning and the ending are used the getting value for the Taguchi method One measured value from load-cell at one point before and after filtering is illustrated in Fig Figure The force measurement in one lubrication cycle at one point In Taguchi method, the ܵȀܰ (signal-to-noise) ratio is transformed from loss function: 306 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam (2) ‫ ܮ‬ൌ ݇ሺ‫ ݕ‬െ ݉ሻଶ Š‡”‡‹•–Š‡Ž‘••†—‡–‘‡””‘”ˆ”‘–Š‡†‡˜‹ƒ–‹‘‘ˆ”‡…‡‹˜‡†˜ƒŽ—‡›…‘’ƒ”‡†–‘–Š‡ †‡•‹”‡†˜ƒŽ—‡ǡ‹•ƒ…‘•–ƒ–ǤŠ‡Ȁ”ƒ–‹‘‹•„—‹Ž–ƒ†…‘˜‡”–‡†–‘…ƒŽ…—Žƒ–‡ˆ‘”–Š”‡‡ ƒ‹…ƒ•‡•ǣ - Received value ‫ ݕ‬should be “the larger the better” - Received value ‫ ݕ‬should be “the smaller the better” - Received value ‫ ݕ‬should be “best rating” Each case has their own applied formula, in this experiment measured value is friction force change, The ܵȀܰ ratio needs to be “the smaller the better” because more friction force means more leakage of lubricant (having same load on), the ܵȀܰ ratio in this case is calculated using this formula (Mori, 2001): ௡ ͳ ܵܰ௦ ൌ െͳͲ Ž‘‰ ൭ ෍ ‫ݕ‬௜ଶ ൱ ݊ (3) ௜ୀଵ In which ܵܰ௦ is the ratio for “smaller the better”, ݊ number of data, ‫ݕ‬௜ is a change of measured friction force by the time When all ܵܰ௦ ratio is calculated, the medium value of each parameter be achieved, ranking of the parameters as well as efficiency of oil lubrication can be shown From the ܵܰ௦ ratios, the optimum parameters can be found and the experiment’s goal is obtained Experimental result After all data were collected, the Taguchi analysis was carried out to determine the effect of parameters on friction force change The statistical analysis was performed by using Minitab software The ܵܰ௦ ratios are obtained from Eq (3) and the results of friction force change is shown in Table III Since an L9 orthogonal array is used to perform the test, there are experiments in total Table III Friction force change results and ࡿࡺ࢙ ratio Lubrication Cycle No (hour) 8 16 16 16 24 24 24 Oil volume (cm3) Speed (mm/min) 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 0.1 0.2 0.3 300 400 500 400 500 300 500 300 400 Force change point (N) 0.672 0.683 0.722 0.732 0.848 0.681 0.902 0.767 0.874 307 Force change point (N) 0.65 0.661 0.703 0.691 0.829 0.663 0.884 0.745 0.853 Force change point (N) 0.672 0.696 0.739 0.738 0.862 0.697 0.909 0.785 0.886 ࡿࡺ࢙ ratio 3.546865 3.347862 2.835476 2.84568 1.448062 3.343756 0.930653 2.317224 1.198572 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam The mean of S/N response for friction force change of each level of parameters is shown in Table III and Figure From the result of Taguchi analysis, we can realize that the significant factors that affect lubrication efficiency are the re-lubrication cycle and speed of the slide unit, while the parameter with the least impact is oil volume per cycle Base on the Delta of each parameter, the affecting percentage to lubrication efficiency of re-lubrication, oil volume per cycle, and speed are 50%, 6%, and 40.6%, respectively As shown in Figure 4, between the three levels of the re-lubrication cycle, hours is the optimal period time for the lubrication, while slideway unit speed also seriously affects the efficiency of the lubrication process The volumes of oil fed at the beginning of the cycle almost no difference between 0.1cm3, 0.2cm3, and 0.3cm3 Table IV Response Table for Signal to Noise Ratios ReLevel lubrication Oil volume per cycle Speed 3.243 2.441 3.069 2.546 2.371 2.464 1.482 2.459 1.738 Delta 1.761 0.088 1.331 Rank Figure The effect of S/N ratios on the measured force Conclusion From the experiment result set of optimum parameters for re-lubrication is achieved Within the experiment, the Taguchi method is proved to be a robust technique for optimal lubrication method Three parameters are validated, and the result provides insight in designing an oil lubrication system In these parameters, the oil volume and the period time of one cycle 308 The 17th International Conference on Intelligent Unmanned Systems (ICIUS2021) August 25th – 27th, 2021, Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM, Vietnam can be controlled, while the speed of the machinery table can be monitored by the CNC controller Using the result above to proposing the new algorithm for lubrication will make the CNC machine getting smarter, saving the oil for lubrication, while still protecting the slideway surface For the operation of CNC machine in practical, there are other factors which affect to lubrication efficiency such as how slideway is covered, how is the angle of rail relative to the horizontal plane, and how is the vibration of machine during cutting process This paper presents an overview of the main factors that are easily controlled and directly affect to lubrication process Our experimental results will inspire the next experiments with more factors as well as providing data for a smarter control algorithm for the lubrication process Acknowledgement This research is supported by DCSELAB and funded by Vietnam National University Ho Chi Minh City (VNU-HCM) under grant number TX2021-20b-01 We acknowledge the support of time and facilities from Ho Chi Minh City University of Technology (HCMUT), VNU-HCM for this study This research is also funded by Department of Science and Technology under grant number 21/2019/HĐ-QPTKHCN References [1] Callahan, J J (1981) ‘Centralized Lubrication Systems.’, Plant Engineering (Barrington, Illinois), 35(11) [2] Doyle, D (2020) Grease Lubrication versus Oil Lubrication, ALS Tribology Available at: https://www.alsglobal.com/%2Fen%2Fnews%2Farticles%2F2020%2F01%2Fesource-123grease-lubrication-versus-oil-lubrication (Accessed: 31 May 2021) [3] Hiwin Technologies Corp (2018) ‘Linear Guideway’, p 211 [4] Montgomery, D C (2017) Design and Analysis of Experiments, Mycological Research [5] Mori, T (2001) ‘Taguchi Methods Benefits, Impacts, Mathematics, Statistics, and Applications’, NIR news, 12(1), pp 8–9 309
      ... Tên nhiệm vụ: NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG TƯỚI NGUỘIVÀ BÔI TRƠN TRONG MÁY CNC Thuộc: Chương trình/lĩnh vực (tên chương trình/lĩnh vực): Nghiên cứu chế tạo máy CNC công nghệ in 3D giai... THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG TƯỚI NGUỘI VÀ BÔI TRƠN TRONG MÁY CNC (Đã chỉnh sửa theo kết luận Hội đồng nghiệm... công hệ thống bôi trơn 86 Chương NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG BÔI TRƠN CHO TRỤC CỦA MÁY 91 3.1 Phân tích, đánh giá lựa chọn phương pháp bơi trơn cho chi tiết máy cnc bao