KIỂM TRA bền CHO các KHÂU của mô HÌNH máy PHAY CNC 5d DẠNG bàn bàn tự CHẾ tạo để GIA CÔNG vật LIỆU mềm

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KIỂM TRA BỀN CHO CÁC KHÂU CỦA MÔ HÌNH MÁY PHAY CNC 5D DẠNG BÀN / BÀN TỰ CHẾ TẠO ĐỂ GIA CÔNG VẬT LIỆU MỀM THE TESTING TOUGHNESS OF THE STITCHING CNC 5D TYPE OF TWO ROTARY AXES MACHINE TO PROCESS SOFT MATERIALS Ngô Kiều Nhi1a, Nguyễn Quang Thành1b, Nguyễn Huy Khang1c, Lại Đình Biên1d Phòng thí nghiệm Cơ học Ứng dụng a ngokieunhi@yahoo.com; bquangthanh_818@yahoo.com.vn c nhuykhang@gmail.com; dlaidinhbien@gmail.com TÓM TẮT Bài báo trình bày hai vấn đề chính: tính toán máy CNC năm trục loại bàn – bàn kiểm tra ứng xử khâu máy môi trường Ansys Các kết mô giúp kiểm tra độ bền chuyển vị khâu máy CNC năm trục nhằm tiết kiệm thời gian chi phí lớn trình chế tạo Từ khóa: máy CNC 5D dạng bàn/bàn, động học máy CNC, mô hình hóa, độ bền uốn, độ bền xoắn ABSTRACT This article presents the two main issues: calculations for CNC 5D type of two rotary axes in the table and testing the behavior of the stitching machine in the environment of ANSYS The simulation results will test the toughness and displacement of the stitching machine in the CNC 5D that can the time and great costs saving in fabrication process Keywords: CNC 5D type of two rotary axes in the table, CNC dynamical machine, Modeling, bending strength, torsion strength GIỚI THIỆU Tại nước phát triển với công nghiệp đại máy công cụ điều khiển số CNC đóng vai trò quan trọng Máy có khả tự động với độ xác cao máy công cụ truyền thống nhờ vào ưu điểm điều khiển số điều khiển thích nghi khả thay lắp dao khả cấp liệu Một thí dụ cụ thể cho khả tự động CNC tổ hợp CIM (Computer Integrated Manufacturing) có thêm robot cấp liệu, hệ thống đo lường đại, nhà kho đại mang lại linh hoạt cho hệ thống hiệu kinh tế lớn nhờ rút ngắn thời gian phụ Với khả trên, máy CNC đáp ứng đòi hỏi cao khả tự động với phương thức linh hoạt dây chuyền sản xuất [1] Máy CNC phát triển nhanh chóng, từ máy CNC riêng lẻ (CNC Machine-Tools) đến máy trung tâm gia công CNC (CNC Engineering-Center) Ngày người ta kết hợp hoạt động nhiều máy CNC quản lý máy tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control) Với xu công nghiệp đại, nhà sản xuất tạo nhiều loại máy nhiều trục với nhiều kích thước, hình dạng giá thành khác Việc có máy nhiều trục nói chung năm trục nói riêng giúp đơn vị doanh nghiệp có khả cạnh tranh hơn, máy nhiều trục quan tâm cách đặc biệt Máy năm trục (5D) nước ta ít, phân bố chủ yếu công ty lớn, viện nghiên cứu hay trường đại học, trường dạy nghề Một số đơn vị Công ty TNHH Cơ Điện tử Bách Khoa – BKmech, Phòng thí nghiệm Cơ học ứng dụng (LAM) thuộc Trường Đại học Bách Khoa TP HCM chế tạo thành công máy năm trục, điều góp phần đẩy mạnh phát triển 867 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV CNC nước ta hỗ trợ cho sản xuất công nghiệp, đặc biệt công nghệ cao, công nghệ phụ trợ Sự phát triển máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ xác gia công, góp phần nâng cao hiệu kinh tế, đồng thời rút ngắn chu kỳ sản xuất Tuy máy CNC năm trục phổ biến nước ta, với góp sức đơn vị nghiên cứu doanh nghiệp công nghệ CNC có chỗ đứng vững Việt Nam [2] Trong năm gần công nghệ áp dụng nhiều xí nghiệp, nhà máy, trung tâm công nghệ cao,… Do đó, việc nắm công nghệ năm trục mặt thiết kế, nghiên cứu kết cấu điều khiển diễn nhanh chóng Việc đẩy mạnh phát triển ứng dụng công nghệ thiết kế CNC năm trục nhu cầu cần thiết sở sản xuất nói chung, ngành nghề chế tạo máy nói riêng Trong loại máy CNC năm trục máy loại bàn/bàn có khả đáp ứng nhu cầu tạo sản phẩm vừa có yêu cầu cao mặt nghệ thuật kỹ thuật (tượng nghệ thuật, chi tiết có biên dạng phức tạp,…) vừa có tính tiện dụng để sản xuất chi tiết đơn giản máy CNC trục tháo rời khâu hai trục xoay Cụ thể, máy gia công bề mặt phức tạp cánh tua bin, cánh chân vịt tàu thủy, v.v Máy CNC năm trục thường phân làm ba loại: • Máy bàn/bàn: Các chuyển động quay máy bàn máy đôi thực Bàn máy gồm bàn máy mang theo bàn máy phụ, bàn máy phụ có nhiệm vụ mang theo đồ gá chi tiết Loại máy có khả gia công có phân độ gia công liên tục (H.1) Hình 1: Máy CNC năm trục loại bàn/bàn [3] • Máy trụ/trụ: Máy có đầu trục thực tất chuyển động quay xoay nghiêng, máy có trục thẳng đứng hay nằm ngang, chuyển động máy bị hạn chế Đầu trục máy thẳng, nghiêng 90 độ, hay phân độ liên tục (H.2) Hình 2: Máy CNC năm trục loại trụ/trụ [3] 868 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV • Máy trụ/bàn: Các máy có bàn quay trục xoay nghiêng, gia công máy lớn nặng Cũng giống máy bàn/bàn, máy năm trục gia công phân độ liên tục; ra, máy có khả tính trục phụ, cho phép người dùng lập trình chi tiết mặt 2D sau quay theo đường kính trục thứ (H.3) Hình 3: Máy CNC trục loại trụ/bàn [3] Trong ba loại máy CNC năm trục loại bàn/bàn thích hợp gia công chi tiết lớn nặng Đặc biệt, máy lập trình chi tiết mặt 2D thích hợp việc gia công đồ vật mỹ nghệ gỗ Vì vậy, nghiên cứu tập trung vô phân tích động học, mô máy phay CNC trục dạng bàn/bàn nhằm đáp ứng với nhu cầu thực tế MÔ HÌNH HÓA MÁY PHAY CNC 5D DẠNG BÀN-BÀN 2.1 Xây dựng mô hình động học máy phay CNC dạng bàn/bàn Một máy phay năm trục điển hình loại bàn / bàn , áp dụng rộng rãi cho máy vừa nhỏ,… Các yếu tố động học máy bao gồm: phôi, đĩa trục quay C, trục bàn quay A, trục tịnh tiến Y, cố định, trục tịnh tiến X, trục tịnh tiến Z, dao cắt (H.4a) Tuy nhiên, để đơn giản hóa bước thực chia làm ba khâu bao gồm: khâu X (trục tịnh tiến theo x, đĩa trục quay, bàn quay), khâu Y (trục tịnh tiến theo y), khâu Z (trục tịnh tiến theo z) Mô hình hóa động học thể (H.4b) (a) (b) Hình 4: a Mô hình chuyển động máy trục; b Sơ đồ động học máy 869 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mô hình hóa động học xác định theo phương pháp Denavit-Hartenberg, ta xác định ma trận T ma trân chuyển từ tọa độ địa phương sang hệ tạo độ cố định gắn với bàn máy (1) ma trân O ma trận chuyển vị trí mũi dao so với vị trí bàn gá phôi (2) [5] cosC'  sinC'  T     cosA 'sinC' sinA 'sinC' cosA 'cosC'  sinA 'cosC' sinA ' cosA ' 0 X ' cosC'  Y ' cosA 'sinC'   X ' sinC'  Y ' cosA 'cosC'   Y ' sinA '  b   (a  b  Z ) sinA 'sinC'  X ' cosC'  Y ' cosA 'sinC'    (a  b  Z ) sinA 'cosC'  X ' sinC'  Y ' cosA 'cosC'   O (a  b  Z ) c os A '  Y ' sinA '  b    1  (1) (2) Trong đó: X', Y', A' C' lệnh điều khiển trục X, Y, A C máy tương ứng 2.2 Mô hình hóa toàn máy phay CNC 5D Dựng mô hình phần mềm Solidworks (H.5) với thông số tính toán dựa phạm vi di chuyển lớn kích thước vật liệu (bảng 1) Bảng Thông số kích thước sơ mô máy phay CNC 5D dạng bàn /bàn Thông số Kích thước Phôi 150x150x70 (mm) Khoảng cách dao - phôi 35 (mm) Đường kính dao 10 (mm) Đường kính trục vít – me 20 (mm) Đường kính dẫn hướng 25 (mm) Chiều dài máy 0,8 (m) Chiều rộng máy 0,89 (m) Chiều cao máy 0,25 (m) Hình 5: Mô hình 3D toàn máy Với mô hình kết cấu máy gồm ba khâu tịnh tiến theo phương x, y, z, hai khâu quay bao gồm phôi quay 3600 bàn gá phôi quay 1800 Để khảo sát chuyển động khâu, ta sử dụng phương pháp hệ tọa độ tham chiếu (reference frame) hay hệ tọa độ sở Bằng cách “gắn cứng” lên khâu động thứ k hệ trục tọa độ vuông góc (Oxyz)k – gọi hệ tọa độ tương đối gắn cứng với giá cố định hệ trục tọa độ vuông góc (Oxyz)0 - gọi hệ tọa 870 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV độ tuyệt đối, hệ tọa độ tham chiếu hay hệ tọa độ sở, dựa vào hệ tọa độ ta khảo sát chuyển động khâu tay máy điểm thuộc khâu Để khảo sát khâu bất kỳ, ta khảo sát điểm M khâu Tọa độ điểm M xác định bán kính vector rM(0), với thành phần (hình chiếu) hệ tọa độ sở (Oxyz)0 xM(0), yM(0), zM(0) gọi tọa độ tuyệt đối điểm M Tọa độ điểm M thuộc khâu thứ k xác định vector OkM với thành phần tương ứng hệ tọa độ (Oxyz) - gắn cứng với khâu thứ k, xM(k), yM(k), zM(k) gọi tọa độ tương đối điểm M Nếu M điểm cố định khâu tọa độ tương đối M không thay đổi khâu chuyển động [5] rM (0)  xM (0)   xM ( k )        yM (0)   ( xM (0) , yM (0) , zM (0) )T ; RM ( k )   yM ( k )   ( xM ( k ) , yM ( k ) , zM ( k ) )T  zM (0)   zM ( k )      (3) Bằng cách mô tả trên, ta coi tay máy chuỗi hệ toạ độ liên tiếp có chuyển động tương 2.3 Mô hình hóa khâu  Mô hình hóa khâu x Mô hình khâu X tách từ mô hình toán máy (H.6), bao gồm hệ thống tịnh tiến theo phương x bàn gá phôi (bàn quay) Thông số vật liệu cho theo bảng Bảng Thông số vật liệu khâu X Chi tiết Vật liệu Ứng suất giới hạn (MPa) Hình 6: Mô hình 3D khâu X Bàn xoay Sắt 151 Cạnh bàn xoay Sắt 151 Trục vít – me Thép 420 Thanh dẫn hướng Thép 420 Con chạy Sắt 151  Mô hình khâu Y Mô hình khâu Y bao gồm hệ thống vitme – trượt tịnh tiến theo phương y (H.7) tách từ mô hình toàn máy với thông số vật liệu bảng Bảng Thông số vật liệu khâu Y Chi tiết Vật liệu Ứng suất giới hạn Đầu chặn Sắt 151 Thanh dẫn hướng Thép 420 Trục vít - me Thép 420 Đầu chặn Sắt 151 Hình 7: Mô hình 3D khâu Y  Mô hình hóa khâu Z Mô hình khâu Z, bao gồm hệ thống vitme – trượt theo phương Z (H.8),được tách từ mô hình toàn máy với thông số vật liệu bảng 871 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Thông số vật liệu khâu Z Hình 8: Mô hình 3D khâu Z Chi tiết Vật liệu Ứng suất giới hạn Đầu chặn Sắt 151 Thanh dẫn hướng Thép 420 Trục vít - me Thép 420 Con chạy trục Z Sắt 151 Đầu chặn Sắt 151 TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH BỀN CHO MÔ HÌNH MÁY 3.1 Mô hình chia lưới tính bền cho khâu X b) a) Hình 9: a mô hình chia lưới; b mô hình đặt lực khâu X Số Node 451783 Bảng Thông số phần tử khâu X Số phần tử Kích thước phần tử 118383 (mm) Bằng hình thức chia lưới với số node số phần tử thể bảng 5, với khâu X hợp khâu tịnh tiến theo phương x, khâu xoay bàn gá phôi (phép quay 1800) khâu xoay phôi (phép xoay 3600) Sự tích hợp khâu phụ tạo thành cụm tổng thể cho khâu X, khâu quan trọng cho toàn hệ thống máy Lực tác dụng lên khâu xác định F = lực chạy dao khâu X + (khối lượng phôi + khối lượng bàn gá + khối lượng động A) *10 [4,6] Các kết ứng suất (H.10a) (H.10b) kết theo chuyển vị a) b) Hình 10: a Kết ứng xuất khâu X; b Kết chuyển vị khâu X 872 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Mô hình kết cho thấy, thành phần chịu lực (ứng suất lớn nhất) hệ thống vitme trượt phải chịu trình di chuyển toàn khâu thực trình gia công Đối với bàn gá phôi mâm cặp xoay chịu chuyển vị lớn thân khối chịu tác dụng trực tiếp dao lực quán tính dao gây Kết thu từ mô khớp với quy luật thực tế mô hình máy 3.2 Mô hình chia lưới tính bền cho khâu Y a) b) Hình 11: Mô hình chia lưới đặt lực vào khâu Y Số Node 1548159 Bảng 6: Thông số phần tử khâu Y Số phần tử Kích thước phần tử 895049 (mm) Đối với khâu Y, mô hình đơn giản nhiều so với khâu X, chia mịn lưới để kết thu tối ưu Trong kích thước phần tử 4mm với lực đặt vào khâu Y tính F = lực chạy dao khâu Y + (khối lượng khâu X) *10 [4,6] Kết chuyển vị ứng suất thể (H.12a-b) a) b) Hình 12: a Kết ứng suất; b Kết chuyển vị khâu Y Khi thực dịch chuyển khâu Y trình hoạt động máy phay CNC 5D, nhận thấy ứng suất chuyển vị lớn nằm hệ thống vitme mà khâu thực dịch chuyển; trọng lượng thân, khâu Y mang theo trọng lượng khâu X phôi Kết cho thấy quy luật phân bố ứng suất chuyển vị khâu Y trùng khớp với thực tế Tuy nhiên, để đảm bảo cho trình gia công, cần tăng kích cỡ vitme khâu Y để đảm bảo điều kiện bền 3.3 Mô hình chia lưới tính bền cho khâu Z Thực chia lưới đặt lực cho khâu Z (H.13a-b), khâu Z mang trọng lượng thân, hệ thống Spindle dao Khâu Z phải thực cứng vững để đảm bảo trình gia công ổn định Với tính chất quan trọng, chia lưới cho khâu Z mịn hơn, với kích thước phần tử 2mm (bảng 7) Lực phải chịu khâu Z tính theo F = lực chạy dao khâu Z + (khối lượng động + đầu gá dao) *10 [4,6] 873 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV a) b) Hình 13: Mô hình chia lưới đặt lực khâu Z Số Node Bảng Thông số phần tử khâu Z Số phần tử Kích thước phần tử 2286805 652479 (mm) a) b) Hình 14: a Kết ứng suất; b Kết chuyển vị khâu Z Kết cho thấy (H.14a-b), khâu Z, thành phần chịu lực chủ yếu hệ thống đỡ, mang theo trọng lượng toàn khâu Z Như vậy, kết phản ánh quy luật chịu tải máy 3.4 Đánh giá bền khâu Giá trị bền khâu thể (bảng 8) kết ứng suất (bảng 9) kết chuyển vị Các kết cho thấy máy thỏa điều kiện bền cho phép Bảng Kiểm tra tính bền khâu Ứng suất khâu Ứng suất lớn (MPa) Ứng suất giới hạn (MPa) Khâu X 368 420 Khâu Y 296 420 Khâu Z 200,5 420 Bảng 10 Kiểm tra chuyển vị khâu Chuyển vị khâu Chuyển vị (mm) Khâu X 0,0035926 Khâu Y 0,083 Khâu Z 0,025043 874 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ Hình 15: Lắp ráp mô hình thực nghiệm gỗ MDF Sau xây dựng phương trình động học xác định vị trí mũi dao so với phôi công thức (2), nhóm tác giả kiểm nghiệm lại kết tính toán động học so với phương pháp đo đạc mô hình 3D thực mô Đặt ( X w , Yw , Z w ) tọa độ mũi dao so với hệ tọa độ phôi tính toán dựa công thức (2) ( X wt , Ywt , Z wt ) tọa độ mũi dao so với hệ tọa độ phôi đo đạc mô hình 3D sau dịch chuyển khâu Kết thể (bảng 11) giá trị sai lệch thể (bảng 12) Bảng 11: Kết tính toán so với đo mô hình 3D Lần X’ Y’ Z A’ C’ Xw Yw Zw Xwt Ywt Zwt 30 0 0 30 35.95 30 35.90 20 0 0 20 35.95 20 35.90 0 -10 0 0 25.95 0 25.90 0 30 0 -54.90 21.22 -54.93 21.23 0 0 45 0 35.95 0 35.90 15 20 0 15 20 35.95 15 20 35.90 20 -10 0 20 25.95 20 25.90 10 0 30 10 -54.97 21.22 10 -54.92 21.25 10 0 60 8.66 35.95 5.15 8.75 35.95 -25 15 120 1.49 12.40 11.94 1.50 12.20 11.80 10 10 15 875 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng 12: Sai số tính toán đo đạc Lần X Y Z 0 0.001393 0 0.001393 0.001931 0.000546 0.000471 0 0.001393 0 0.001393 0 0.001931 0.00091 0.001412 0.029126 0.010286 10 0.00667 0.016393 0.011864  Y  0.002814  Z  0.002318 _  X  0.003579 _ _ Sai số trung bình kết tính toán so với đo đạc mô hình 3D theo phương X, phương Y, phương Z là: 0,3575%;0,2814%;0,2318% Sai số chấp nhận Do phương pháp tính toán động học đưa công thức xác định vị trí mũi dao KẾT LUẬN Qua nghiên cứu này, nhóm tác giả phân tích mô hình động học máy phay CNC 5D dạng bàn/bàn đồng thời sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô ảo trước đưa vào chế tạo thực tế Với giới hạn kinh phí thời gian thực hiện, nhóm nghiên cứu chế tạo mô hình máy thử nghiệm gỗ MDF nhằm kiểm tra sai lệch khâu cho máy dịch chuyển Các kết ban đầu mở nhiều hướng việc phát triển ứng dụng chế tạo thử nghiệm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Cẩn, Máy cắt kim loại, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, tái lần 1, 2005 [2] Muc tiêu, nội dung dự kiến sản phẩm chương trình khoa học công nghệ trọng điểm cấp nhà nước, giai đoạn 2011-2015 ký ngày 30 tháng năm 2011 Bộ trưởng Bộ Khoa học Công nghệ [3] Karlo Apro Secrets of - Axis Maching, 2008 [4] Nguyễn Đắc Lộc, Sổ tay Công nghệ chế tạo máy Tập II, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2007 [5] GS.TS Trần Văn Địch, Công nghệ CNC NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội, 2004 [6] Nguyễn Kinh Luân, Giáo trình máy công cụ cắt gọt, NXB Hà Nội, tái lần 1, 2005 876