Nghiên cứu lập trình PLC và khảo sát đặc tính ổn định khi gia công trên máy phay cao tốc HSM50

VIỆN SĐH-ĐHBKHN BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN ĐỨC LUẬN NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH PLC VÀ KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG TRÊN MÁY PHAY CAO TỐC HSM50 Chuyên ngành: CHẾ TẠO MÁY LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS-TS HOÀNG VĨNH SINH Hà nội 04 – 2011 VIỆN SĐH-ĐHBKHN LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Nguyễn Đức Luận Học viên lớp: Cao học CTM2009-2011 Mã số học viên: CB 090160 Dưới hướng dẫn TS Hoàng Vĩnh Sinh nhận nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu lập trình PLC khảo sát đặc tính ổn định gia công máy phay cao tốc HSM50” Tôi xin cam đoan, luận văn trình nghiên cứu thân Nếu có sai sót xin hoàn toàn chịu trách nhiệm Hải phòng, ngày 19 tháng 10 năm 2010 Người cam đoan Hoàng Văn Quý VIỆN SĐH-ĐHBKHN MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 12 MỞ ĐẦU 15 1.Lý chọn đề tài 15 2.Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 16 3.Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tiễn đề tài 16 3.1.Ý nghĩa khoa học đề tài 16 3.2.Ý nghĩa thực tiễn đề tài 18 TỔNG QUAN 19 1.Phương pháp nghiên cứu 19 2.Nội dung cần giải đề tài 19 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ GIA CÔNG CAO TỐC 21 1.1.Hiện tượng vật lý gia công cao tốc 21 1.1.1.Nhiệt cắt 25 1.1.2.Lực cắt 30 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 1.2.Hiện tượng động học gia công cao tốc 33 CHƯƠNG XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN CHƯƠNG TRÌNH PLC CHO MÁY PHAY CAO TỐC HSM50 34 2.1.Giới thiệu điều khiển PC - Base 34 2.1.1.Cpu 34 2.1.2.Driver 37 2.1.3 Chức nhiệm vụ I/O 38 2.1.4 Chức nhiệm vụ Operation panel 39 2.1.5.Chức nhiệm vụ keyboard 39 2.1.6.Chức nhiệm vụ motor 40 2.2.Phân loại tính điều khiển PLC 40 2.2.1 Nhóm chức NC điều khiển 41 2.2.2 Nhóm chức PLC điều khiển 41 2.3.Sơ đồ khối điều khiển chức 42 2.3.1.Sơ đồ luồng liệu (DFD) 42 2.3.2.Sơ đồ phân cấp chức hệ thống 43 2.4.Thiết kế sở biến vào-ra 49 2.4.1.MPG 49 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 2.4.2.Bàn phím vận hành 50 2.4.3.Thiết bị ngoại vi 52 2.4.4.Sensor 56 2.4.5.C Bit 57 2.4.6.S Bit 60 2.4.7.Thanh ghi R 64 2.5.Sơ đồ khối số chức 68 2.5.1.Sơ đồ khối điều khiển chức Cycle Start 68 2.5.2.Sơ đồ khối điều khiển chức Feed Hold 69 2.5.3.Sơ đồ khối điều khiển chức chọn hướng trục điều khiển 70 2.5.4.Sơ đồ khối điều khiển chức chọn trục chế độ MPG Dry Run 71 2.5.5.Sơ đồ khối điều khiển chức Emergency Stop Machine lock ……………………………………………………………………72 2.5.6.Sơ đồ khối điều khiển chức động bơm dd làm mát Mode select 73 2.5.7.Sơ đồ khối điều khiển chức thay đổi Feed rate thay đổi tốc độ trục 74 2.6.Bảng kê chương trình 75 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 2.6.1.Nhóm chức điều khiển phụ thuộc 77 2.6.1.1 Cycle start 77 2.6.1.2.Feed hold 78 2.6.1.3.Chọn hướng trục điều khiển 78 2.6.1.4.Chọn trục điều khiển chế độ MPG 79 2.6.1.5 Dry Run 79 2.6.1.6.Emergency stop 80 2.6.1.7.Machine lock 80 2.6.1.7.Chọn chế độ điều khiển, điều chỉnh lượng chạy dao thay đổi tốc độ trục 81 2.6.2 Nhóm chức điều khiển không phụ thuộc 81 2.6.2.1.Động bơm dung dịch làm mát 81 CHƯƠNG 82 KHẢO SÁT ỔN ĐỊNH KHI GIA CÔNG PHAY TRÊN MÁY HSM50 82 3.1.Những kết lý thuyết để khảo sát ổn định 82 3.1.1.Phương pháp phân tích 85 3.1.2.Phương pháp số 90 3.1.3 Phương pháp thực nghiệm 92 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 3.2 Các thông số ảnh hưởng đến tính ổn định 92 3.2.1.Ảnh hưởng hệ số giảm chấn 92 3.2.2.Ảnh hưởng tần số dao động tự nhiên 94 3.2.3.Ảnh hưởng số cắt 95 3.2.4.Ảnh hưởng chiều rộng ăn dao 96 3.3.Xây dựng biểu đồ thực nghiệm 97 3.3.1.Nội dung thí nghiệm 97 3.3.2.Thiết bị thí nghiệm 100 3.3.3.Tiến hành 100 Kết luận 103 Hướng nghiên cứu 103 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 105 VIỆN SĐH-ĐHBKHN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các chữ viết tắt Ký Tiếng Anh Tiếng Việt ARM Application Reference Model Ứng dụng mô hình tham chiếu CAD Computer-Aided Design Thiết kế hiệu trợ giúp máy tính CAM Computer-AidedManufacturing Chế tạo sản phầm trợ giúp máy tính CAD Computer Aided Design Thiết kế trợ giúp máy tính CNC Computer Numerical Control Máy điều khiển số CPU Central Processing Unit Bộ xử lí trung tâm CIM Computer Integrated Sản xuất tích hợp máy tính Manufacturing DFD Data Flow Diagram Sơ đồ dòng liệu FMS Flexible Manufacturing System Hệ thống sản xuất linh hoạt VIỆN SĐH-ĐHBKHN H/W Hardware Phần cứng LD Ladder Diagram Sơ đồ thang LED Light Emitting Diode Đi ốt phát quang MDI Multiple Document Interface Giao diện nhiều ghi MMI Man Machine Interface Giao diện người máy MPG Manual Pulse Generator Máy tạo xung tay NCK Numerical Control Kernel Hạt nhân điều khiển số OS Operating System Hệ điều hành PLC Programmable Logic Control Lập trình điều khiển logic Các kí hiệu aD chiều rộng cắt cx,y hệ số giảm chấn theo phương x y (Ns/m) Frj lực hướng tâm (N) Ftj lực tiếp tuyến (N) Fx,y lực cắt theo phương x y (N) fz tốc độ chạy dao (m/tooth) g(φj) hàm tác động dao phôi VIỆN SĐH-ĐHBKHN h(φj) chiều sâu cắt (m) hxx hệ số cắt (N/m2) j cắt thứ j Kr hệ số lực cắt hướng tâm (N/m2) Kt hệ số lực cắt tuyến tính (N/m2) kx,y hệ số độ cứng theo phương x y (N/m) mx,y khối lượng dụng cụ cắt theo phương x y (kg) n tốc độ vòng quay (rpm) N số dụng cụ căt t thời gian (s) T chu kỳ chuyển động (s) w chiều sâu cắt (m) x dịch chuyển dụng cụ cắt theo phương chạy dao x (m) y dịch chuyển dụng cụ cắt vuông góc phương chạy dao y (m) φj vị trí góc thứ j (deg) φe vị trí góc kết thúc cắt (deg) φs vị trí góc bắt đầu cắt (deg) τ thới gian lặp lại vị trí (s) 10 VIỆN SĐH-ĐHBKHN Hình 3.9 Biểu đồ ổn định hệ số giảm chấn theo phương xvà y thay đổi 0.01, 0.02, 0.04 93 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 3.2.2.Ảnh hưởng tần số dao động tự nhiên Khi tăng số tự nhiên (nói chung cách tăng độ cứng vững hệ) mở rộng vùng ổn định trình phay cách xa tần số lực tác dụng việc gây ảnh hưởng đến phận khác máy Hình 3.10 Biểu đồ ổn định tần số dao động tự nhiên thay đổi 750*2π, 1000*2π, 1500*2π rad/s 94 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 3.2.3.Ảnh hưởng số cắt Việc tăng số dao cắt đồng nghĩa với việc tăng tần số cắt, làm cho trình cắt trở nên khó ổn định Ta thấy rõ ràng qua công thức (2.18) tăng số lên hai lần giới hạn ổn định giảm nửa số đỉnh giảm nửa Khi cắt nhiều cắt lực cắt so với cắt nhờ có sản phẩm tốt Hình 3.11: Biểu đồ ổn định số cắt dao phay thay đổi 1, 2, 95 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 3.2.4.Ảnh hưởng chiều rộng ăn dao Dễ hiểu tăng chiều rộng ăn dao lực cắt tăng, thời gian ăn dao tăng dẫn đến hệ thống ổn định, vùng ổn định nhỏ Vì cách không làm thay đổi suất gia công Hình 3.12 Biểu đồ ổn định hệ số chiều rộng ăn dao đổi 0.1, 0.3, 0.5 96 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 3.3.Xây dựng biểu đồ thực nghiệm 3.3.1.Nội dung thí nghiệm Tiêu chí để đánh giá ổn định độ sóng bề mặt( xét biên độ) Trong trường hợp ổn định: Sóng tắt dần Trong trường hợp không ổn định: Sóng tăng dần Hình 3.13 Biều đồ giới hạn ổn định 97 VIỆN SĐH-ĐHBKHN Hình 3.14.Hình ảnh so sánh với chi tiết Để vẽ biểu đồ ổn định ta tiên hành phay với thông số khác Cụ thể ta thay đổi thông số tốc độ trục chiều sâu cắt Từ xây dựng biểu đồ ổn định từ chất lượng bề mặt đạt VIỆN SĐH-ĐHBKHN TT S F Sz 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.0 1.1 1.2 Vg/ph mm/p mm/rg 6000 720 0.06 6500 780 0.06 7000 840 0.06 IOD 7500 900 0.06 IOD 8000 960 0.06 IOD 8500 1020 0.06 KOD 9000 1080 0.06 KOD 9500 1140 0.06 OD 10000 1200 0.06 KOD 10 10500 1260 0.06 KOD 11 11000 1320 0.06 KOD 12 11500 1380 0.06 IOD 13 12000 1440 0.06 OD OD: Ổn định, KOD: Không ổn định, IOD : Ít ổn định Hình 3.15 Bảng thông số thí nghiệm 99 1.3 1.4 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 3.3.2.Thiết bị thí nghiệm - Máy phay cao tốc HSM50 o Tốc độ trục chính: 6000 – 12000 rpm o Dao: Thép hợp kim D = 10 mm – lưỡi cắt o Tốc độ chạy dao: 0.06 mm/răng - Vật mẫu o Cao: 20 mm (cắt 10x10mm) o Rộng: 100 mm o Dài: 150 mm 3.3.3.Tiến hành - Chạy dao dọc theo chiều rộng phôi với chiều sâu chiều rộng cắt, lượt chạy tăng dần số vòng quay truc từ 6000 đến 12000 vg/ph với bước nhảy 500 vg/ph - Đánh giá rung lắc dựa bề mặt phôi ghi lại kết o Không rung lắc o Có rung lắc - Lặp lại bước tăng dần chiều rộng cắt theo bước từ 0.1 mm đến khoảng 1.4 mm với bước nhảy 0.2mm (tùy thuộc vào giới hạn ổn định) Khi tăng chiều rộng cắt xuất hiện tượng rung lắc Sau gia công chế độ làm việc từ 6000-12000 rpm chiều sâu cắt từ 0.1-1.4 mm ta bảng kết mong muốn trường hợp chiều sâu cắt 1.4mm 100 VIỆN SĐH-ĐHBKHN Hình 3.16.Hình ảnh thí nghiệm Để ý ràng điểm gia công rời rạc nên bảng không phản ánh xác đồ thị ổn định lý thuyết Và ví dụ dạng biểu đồ ổn định sau thí nghiệm xong Chatter 3.5 Ít chatter Không chatter 2.5 1.5 0.5 4000 4400 4800 5200 5600 6000 6400 6800 7200 7600 8000 Hình 3.17 Dạng biểu đồ kết thí nghiệm mong muốn với chế độ cắt khác 101 VIỆN SĐH-ĐHBKHN Mặc dù thí nghiệm kết mong đợi qua thí nghiệm ta chứng minh tồn chế độ cắt cho suất cao mà đảm bảo chất lượng bề mặt Phương pháp cắt thử thực đơn giản, cho ta chế độ cắt hợp lý nhất, tương đối thời gian, dao phôi thay đổi thường xuyên Rõ ràng phương pháp dành cho sản xuất hàng loạt lớn Qua viêc nghiên cứu trình hình thành phát triển chatter rút kết luận quan trọng sau: • Mặc dù hệ thống có hệ số giảm chấn định trình phay xảy trường hợp dao động ổn định • Hệ thống trở nên ổn định tăng chiều sâu hay chiều rộng cắt • Hệ thống ổn định tần số cắt dao xấp xỉ tần số dao động riêng hệ • Ta thay đổi miền ổn định cách thay đổi thông số như, số cắt, chiều rộng hay chiều sâu cắt, độ giảm chấn, độ cứng vững đặc biệt tốc độ trục lượng chyaj dao • Không có khác biệt nhiều đồ thi ổn định phương pháp phân tích với phương pháp số • Ta nâng cao suất đảng kể chọn điểm làm việc hợp lý 102 VIỆN SĐH-ĐHBKHN KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Thông qua việc tìm hiểu nghiên cứu điều khiển máy phay cao tốc HSM50 tác giả rút luận sau: - Luận văn đưa cách cụ thể xác chức máy phay HSM50 - Phương pháp tìm hiểu tiếp cận điều khiển nói chung điều khiển LNC-M600 nói riêng - Gợi mở hướng nghiên cứu điều khiển Việt Nam - Xây dựng sơ đồ khối chức điều khiển máy phay HSM50 tạo tiền đề cho nghiên cứu - Chỉ tồn chatter trình phay - Đưa phương pháp xây dựng biểu đồ ổn định thực nghiệm từ đưa biện pháp nhằm hạn chế chatter nâng cao suất gia công Hướng nghiên cứu Với kết đạt đề tài tác giả nhận thấy để hoàn thiện đề tài nghiên cứu mở rộng theo hướng sau: - Tiếp tục mở rộng chức tích hợp vào điều khiển 103 VIỆN SĐH-ĐHBKHN - Nghiên cứu phương pháp “can thiệp” sâu vào điều khiển tạo sở cho việ phát triển mô hình “gia công thích nghi” khí - Kiểm nghiệm đánh giá biểu đồ ổn định - Nghiên cứu phương pháp phát giảm chatter 104 VIỆN SĐH-ĐHBKHN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO B Ganesh babu V Selladurai and R Shanmugam “ANALYTICAL MODELING OF CUTTING FORCES OF END MILLING PERATION ON ALUMINUM SILICON CARBIDE PARTICULATE METAL MATRIX MPOSITE MATERIAL USING RESPONSE SURFACE METHODOLOGY”, 2008 Barrow, G “A review of experimental and theoretical techniques for assessing cutting temperatures” Ann CIRP,1973 Chao, B T and Trigger, K J “Temperature distribution at the tool– chip interface in metal cutting”,1955 Delphine Perrottet, Roy Housha, Bernold Richerzhagena, John Manleyb Synova SA “Heat damage-free Laser-Microjet cutting achieves highest die fracture strength” D Kim Won T Kwon Chong N Chu “Indirect Cutting Force Measurement and Cutting Force Regulation Using Spindle Motor Current”,2005 Herbert Schulz Prof Dr “The History of High-Speed Machining” 2006 Huang, Y and Liang, S Y “Modeling of cut ting forcesunder hard turning condition considering tool wear effect”, 2001 Jon Robert Pratt” Vibration Control for Chatter Suppression with Application to Boring Bars”,1997 Jianping Yue “Creating a Stability Lobe Diagram”,2006 10.Janez Gradis” On stability prediction for milling”,2005 11.Kai I Cheng” Machining Dynamics - Fundamentals, Applications and Practices”,2008 12.M.H Jussen “Surface quality improvement for high-speed milling by automatic spindle-speed adjustment”,2007 13.LNC-M600_Maintenance_Manual.pdf (hãng LNC) LNC-M600_Operator’s_Manual.pdf (hãng LNC) LNC-M600_Programming_Manual.pdf (hãng LNC) Windows PLC Programmer Manual.pdf( hãng LNC) 105 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 14.N van deWouw , R.P.H Faassen , J.A.J Oosterling , H Nijmeijer “Modelling of High-speed Milling for Prediction of Regenerative Chatter” 15.NISHIDA Susumu ,KAKINO Yoshiaki,SUDO Katsuzo,OHTSUKA Hirotoshi , YAMAJI Iwao,IBARAKI Soichi “A CONSTANT CUTTING FORCE CONTROL FOR FINISHING PROCESS OF DIE AND MOLD BY USING A BALL END MILL”2005 16.Shih-Ming Wang , Zou-Sung Chiang , Da-Fun Chen and Yao-Yang TSAI “A New Cutting Force Model for Micro-milling and Determination of Optimal Cutting Parameters” 17.Pasko, R - Przybylski, L & Slodki, B Lucjan Przybylski Prof Eng., Cracow “High speed machining (HSM) _ The effect way of modern cutting “: 2007 18.Principles of Rapid Machine Design : M.Sc., “Advanced Manufacturing Systems Brunel University”,1993 ; Massachusetts Institute of Technology ,2000 19.Ronald Faassen “Chatter Prediction and control for High-SpeedMilling modeling and experiments”,2007 20.Ronald Faassen Nathan van de Wouw Han Oosterling Henk Nijmeijer Ed Doppenberg “Modelling and detection of machine tool chatter in high speed milling”,2006 21.Tony L Schmitz” Stability in High-Speed Machining”,2001 22.Tlusty, J Dynamics of high-speed milling J of Engineering for Industry, Trans ASME, May 1986, 23.Troy D Marusich “EFFECTS OF FRICTION AND CUTTING SPEED ON CUTTING FORCE”,2001 24.Tae Young Kim, Sung Jin Kim “Fluid ow and heat transfer characteristics of cross-cut heat sinks”,2009 25.Theory and Designof CNC Systems- Suk- Hwan Suh , Seong-Kyoon Kang Dae-Hyuk Chung , Ian Stroud,2008 26.Trigger, K J and Chao, B T “An analytical evaluation of metal cutting temperatures Trans”, 1951 27.Veijo Kauppinen, Professor “HIGH SPEED MILLING _ ANEW MANUFACTURING TECHNOLOGY”,2006 106 VIỆN SĐH-ĐHBKHN 28.X K Luo “A simulated investigation on the machining instability and dynamic surface generation” - 2005 - Vol 26 - pp 457-465 29.Y Huang and S Y Liang “Modelling of the cutting temperature distribution under the tool flank wear effect” ,2008 30.Zhao Ph.D Dissertation, Univ “Dynamics and stability of milling processes” of Maryland, 2000 107 ... 1.Lý chọn đề tài Nghiên cứu lập trình PLC khảo sát đặc tính ổn định gia công máy phay cao tốc HSM50 Điều khi n CNC làm việc não tự động hóa sản xuất, chiếm 30% giá máy công cụ Công nghệ CNC thường... mềm PLC làm cho người sau có nghiên cứu tiếp điều khi n khó tiếp sở đề tài Vì vậy, khuôn khổ đề tài tập trung Nghiên cứu lập trình PLC khảo sát đặc tính ổn định gia công máy phay cao tốc HSM50 ... lớp: Cao học CTM2009-2011 Mã số học viên: CB 090160 Dưới hướng dẫn TS Hoàng Vĩnh Sinh nhận nghiên cứu đề tài: “ Nghiên cứu lập trình PLC khảo sát đặc tính ổn định gia công máy phay cao tốc HSM50