Một số kết quả nghiên cứu, chế tạo máy tiện CNC có trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực

Bài viết này giới thiệu tổng quan một số kết quả chế tạo máy tiện tự động có trục chính truyền động bằng động cơ thủy lực. Trong đó, các tác giả tổng hợp và phân tích các kết quả đã được công bố về động lực học của cụm trục chính truyền động bằng thủy lực, xây dựng sơ đồ nguyên lý và mô hình hóa máy tiện tự động có trục chính truyền động bằng thủy lực và hệ tham chiếu là động cơ điện ba pha.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Một số kết nghiên cứu, chế tạo máy tiện CNC có trục truyền động động thủy lực Results in the development of automatic lathes with hydraulic spindle drive Trần Ngọc Hải*, Lê Cung, Võ Như Thành Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng *Email: tnhai@dut.udn.vn Tel: +84-0511.3842741; Mobile: 0905026649 Tóm tắt Từ khóa: Động thủy lực; Điều khiển Mach3 CNC; Trục máy tiện; Tốc độ trục Hiện nay, truyền động điều khiển tự động thủy lực ứng dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, có ứng dụng máy gia công cắt gọt kim loại (cụ thể: máy bào, bàn máy mài, bàn máy phay, kẹp phôi, chuyển động chạy dao máy tiện) Tuy nhiên, ứng dụng thủy lực truyền động trục máy tiện hướng nghiên cứu ứng dụng hệ truyền động Bài báo giới thiệu tổng quan số kết chế tạo máy tiện tự động có trục truyền động động thủy lực Trong đó, tác giả tổng hợp phân tích kết cơng bố động lực học cụm trục truyền động thủy lực, xây dựng sơ đồ nguyên lý mơ hình hóa máy tiện tự động có trục truyền động thủy lực hệ tham chiếu động điện ba pha Các kết chế tạo cụm trục chính, lắp đặt bàn dao, chi tiết chuyển động máy tiện tự động, hệ thống điều khiển phần mềm điều khiển máy trình bày báo Các tác giả miêu tả số chi tiết gia công máy, so sánh kết gia công đề xuất số hướng ứng dụng hệ thống Abstract Keywords: Hydraulic motor; Mach3 CNC Controller; Main shaft, Lather machine; Speed Control Ngày nhận bài: 12/09/2018 Ngày nhận sửa: 12/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 Nowadays, hydraulic automatic transmission and control are widely used in many fields including applications in metal machining (particularly planning machine, grinding table, milling table, workpiece clamps, lathe turning motion) However, the application of hydraulic system in controlling the main shaft of the lathe table is still a new research direction This paper presents an overview of some results in developing an automatic lathe with hydraulic driven system In particular, the study focused on the published results of the dynamics of the hydraulic transmission spindle, the principle diagram of automatic lathes’ hydraulic spindles, and the reference system is a three-phase electric motor Here we present results of spindles manufacturing, the installation of the cutting tools, the moving parts of the automatic lathes, the control system and the machine control software We also introduce results of machining, comparison between machining results and some suggestions for this application HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TỔNG QUAN Các hệ truyền động trục máy CNC thị trường thường ứng dụng truyền động động điện chiều động servo phù hợp cho máy có cơng suất nhỏ trung bình, cịn với máy có cơng suất lớn thường ứng dụng truyền động động điện ba pha Còn chuyển động chạy dao thường động bước, động servo bên cạnh có số nghiên cứu ứng dụng truyền động xilanh thủy lực hãng sản xuất Senday, Fuji [9, 10] có ưu điểm suất gia cơng cao, kết cấu nhỏ gọn cụm chấp hành Tuy nhiên, chuyển động thường điều khiển tốc độ thấp gần khơng có tính đàn hồi dầu, q trình điều khiển dễ đạt độ xác Còn yêu cầu điều khiển tốc độ cao cịn gặp nhiều khó khăn độ đàn hồi, độ nhớt biến đổi nhiệt độ dầu Tuy nhiên, kỹ thuật điều khiển tự động phát triển mạnh, đặc biệt giai đoạn “cuộc cách mạng công nghiệp 4.0” với kỹ thuật điều khiển đại (điều khiển tối ưu, điều khiển thích nghi, điều khiển phi tuyến, điều khiển bền vững) điều khiển thông minh (điều khiển logic mờ, điều khiển mạng nơron, thuật tốn di truyền) việc ổn định tốc độ trục truyền động động thủy lực điều khiển Do đó, đề xuất nghiên cứu ứng dụng truyền động trục máy cắt gọt kim loại cần thiết mà chưa nhà khoa học nước quan tâm Để có sở lý thuyết thực nghiệm đề xuất nghiên cứu nghiên cứu độ ổn định tốc độ cụm van tỷ lệ động thủy lực công bố báo trước, cụ thể: Theo [1], 2014 Cơng bố mơ hình nghiên cứu lý thuyết cụm trục máy tiện, truyền động động thủy lực giả thiết có tính đến biến dạng đàn hồi truyền đai thang, ma sát giá trị mơmen qn tính khối lượng trục giá trị rơto động thủy lực Ứng dụng luật điều khiển PID cho mơ hình trục máy tiện, kết khảo sát đáp ứng độ thể tốc độ trục phản ứng nhanh, khơng có độ vượt lố sai số xác lập nhỏ Theo [2], 2016 Công bố nghiên cứu thực nghiệm ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực Kết khảo sát thực nghiệm độ ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực, điều khiển van tỷ lệ hoàn toàn phù hợp với kết khảo sát lý thuyết [1] Tuy nhiên, thấy đáp ứng hệ thống có thay đổi sau khoảng thời gian hoạt động nhiệt độ dầu thay đổi Từ đó, chúng tơi đề xuất mơ hình thực nghiệm ổn định tốc độ vị trí cụm trục công tác truyền động động thủy lực điều khiển van tỷ lệ [4, 5], 2017 Trong nghiên cứu này, ứng dụng điều PID tự điều chỉnh mờ thông số điều khiển Kp, KD, KI Kết cho thấy đáp ứng hệ thống tốt ứng dụng điều khiển PID cổ điển Với nghiên cứu cơng bố, chúng tơi hồn tồn tin tưởng ứng dụng động thủy lực truyền động cho trục tiện NỘI DUNG 2.1 Xây dựng nguyên lý máy tiện tự động Sơ đồ nguyên lý máy thể hình 1a 1b [3] Trong đó, hình 1a thể sơ đồ nguyên lý máy tiện có trục truyền động động thủy lực hình 1b thể sơ đồ nguyên lý máy tiện có trục truyền động động điện pha thường ứng dụng với máy có cơng suất lớn (đây hệ truyền động tham chiếu) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bàn dao nghiêng với hai trục X, Z truyền động từ động bước qua truyền vít me - đai ốc bi, bàn dao có ổ dao thay dao tự động Truyền động cho Ụ động chuyển động tịnh tiến đầu chống tâm qua truyền vít me - đai ốc bi (có động bước điều khiển dễ dàng) Ngồi ra, trục lắp thêm thiết bị đo tốc độ tốc kế, tốc kế để kiểm soát tốc độ động thủy lực Điều khiển vô cấp tốc độ động thủy lực truyền động cho trục van tỷ lệ, cịn động điện ba pha biến tần Z- Z+ Ụ động Mâm cặp Động thủy lực Động trục Z Tốc kế Ổ dao Dao Ụ động Ụ máy Đai thang Ụ máy Z+ X- Mâm cặp Động điện 3pha Động trục Z M a) Động Ụ động Ổ dao Dao Đai X- Tốc kế Động Ụ động Đai thang Đai Z- X+ Động trục X X+ Động trục X b) Hình Sơ đồ nguyên lý máy tiện tự động [3] 2.2 Các thông số kết cấu máy 62 60 34 51 Hệ truyền động chạy dao theo trục X trục Z từ động bước qua truyền vít me - đai ốc bi, với thơng số chọn tính tốn: Chọn lực dọc trục cần thiết cho vít me Fa = 2KN, khoảng cách dịch chuyển cần thiết l = 300mm, chọn vật liệu vít - thép 45, đai ốc - sắt Dùng ren đầu mối, bước ren p = 3h chọn p = 4(mm) chiều cao H số vòng ren đai ốc: H = H.d2 = 18 (mm), x = H/p = Fa Ta có: d  = 9,4(mm), Chọn d2 = 10 (mm) h  H [q] Động truyền động chạy dao theo hai phương X, Z hai động bước có cơng suất tối thiểu (W), có thơng số sau: Động đơn cực, hai pha có điện áp làm việc 5,7 (V) Số bước vòng quay 200 bước/vòng (1,80/bước) Dòng lớn 1,6 (A), tốc độ tiến dao đạt v = 750 (mm/phút) 304 413 A 76 153 A-A A 160 Hình Kết cấu cụm trục X 1- Khớp nối, 2- Bàn máy, 3- Ray trượt vng, 4- Vít me bi, 5- Bích, 6- Động bước 81 60 34 51 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 504 549 A 76 153 196 A-A A 160 Hình Kết cấu cụm trục Z 1- Khớp nối, 2- Bàn máy, 3- Ray trượt vng, 4- Vít me bi, 5- Bích, 6- Động bước 38 59 127 179 Ụ động lắp sống trượt bi truyền động từ động bước qua truyền vít me bi di trượt tự động điều khiển tay qua phần mềm tới vị trí A 147 191 A-A A 230 475 Hình Kết cấu cụm ụ động 1- Mũi chống tâm, 2- Ụ động, 3- Ray trượt vuông, 4- Nối trục, 5- Bích, 6- Động bước, 7- Ray trượt, 8- Vít me bi, 9- Đai ốc 101 153 225 Cụm ổ dao với vị trí mang dao, thay dao tự động q trình gia công 196 146 349 Hình Kết cấu cụm ổ dao 1- Đầu khoan, 2- Mâm dao, 3- Thân hộp, 4- Trục, 5- Động bước, 6- Khớp nối HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Trục máy cắt gọt kim loại đóng vai trị quan trọng q trình gia cơng cung cấp tốc độ cắt cho dao phần chuỗi truyền lực máy dụng cụ chi tiết Khi chế tạo máy công cụ, nhà sản xuất nghiên cứu vấn đề Tuy nhiên, ứng với máy thiết kế mà trục có đặc tính khác Dẫn động trục cấu cung cấp truyền chuyển động đến trục chính, bao gồm động truyền động qua truyền Thơng thường [11], có bốn loại trục phụ thuộc vào dạng dẫn động sử dụng, trục dẫn động đai (hiệu suất 95%), dẫn động bánh (hiệu suất 90%), dẫn động trực tiếp dẫn động tích hợp (hiệu suất 100%) Trong nghiên cứu này, chọn truyền chuyển động từ động thủy lực điều khiển vô cấp van tỷ lệ [4] động điện pha điều khiển vô cấp biến tần (hệ truyền động tham chiếu) thông qua truyền đai thang (tỷ số truyền 1:2) nhằm chuyển đổi hai phương án truyền động đơn giản 9 10 373 575 668 540 622 447 373 575 4a 4b 578 Hình Kết cấu cụm trục 1, 2, 5- Bộ truyền đai thang; 3- Khớp nối trục; 4a- Động thủy lực, 4b- Động điện pha; 6- Ổ bi đỡ; 7- Trục chính; 8- Nắp ổ; 9- Mâm cặp; 10- Vòng phớt Các thơng số cụm trục thơng số kỹ thuật máy thể bảng Bảng Các thơng số cụm trục thơng số kỹ thuật máy Tên gọi Mâm cặp chấu tiêu chuẩn (khả cặp) Đơn vị tính mm Giá trị 7÷110 mm Tỷ số truyền Số vịng quay (vịng/phút) Kw Cm3/vịng Kg/cm2 vịng/phút Kw vịng/phút mm 30 1:2 ÷ 2400 2,2 12.5 150 ÷ 1200 2,2 1450 300 Hành trình trục Z mm 500 Khoảng cách chống tâm mm 550 Đường kính lỗ trục Cụm trục truyền đai thang Động thủy lực (4a) (Cơng suất, thể tích riêng áp suất làm việc số vòng quay) Động điện pha (4b) (Cơng suất số vịng quay) Hành trình trục X HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Số đầu dao - Kích thước máy (dài x rộng x cao) mm 1340x630x1200 Trọng lượng máy kg 735kg - Mach Bo mạch phần mềm điều khiển 2.3 Hệ thống điều khiển Mạch Mach3 VM4 mạch kết nối phần mềm điều khiển (Mach3Turn) máy tính phần tử điều khiển driver điều khiển động bước, bo trang bị cổng Spindle với tín hiệu điều khiển 0-10vDC phù hợp với tín hiệu điều khiển biến tần khuếch đại điều khiển van tỷ lệ thủy lực Ngồi cịn có nhiệm vụ nhận tín hiệu phản hồi từ cảm biến cơng tắc hành trình phần mềm xử lý Bo mạch Mach3 VM4 Việt Nam sản xuất [6] FAN FAN MASS Truc X 11 Truc Z DRIVER TB6600 BOB MACH3 VM4 NGU? N AC/DC U dong Mam dao 220VAC/IN 10 YASKAWA V1000 FAN NOISE FILTER SPINDLE CB Hình Sơ đồ mạch lắp ráp hệ thống điều khiển 1- Cảm biến hành trình, 2- Nhóm động bước, 3- Các Driver TB6600, 4- Đèn báo hiệu, 5- Bo mạch Mach3 VM4, 6- Các rơ le tín hiệu, 7- Trục biến tần Yaskawa V1000, 8- Cơng tắc điều khiển, 9- Rơ le khởi động, 10- Nguồn DC, 11- Lọc nguồn Một số đặc điểm Mach VM4: Mạch Mach3 VM4 hỗ trợ tối đa điều khiển trục tọa độ, hỗ trợ điều khiển động bước động servo Trên bo mạch có thích rõ ràng tín hiệu điều khiển cho trục X, Y, Z, A, B, C Với trục ta có tín hiệu điều khiển, tín hiệu xung Step cung cấp đến driver động để điều khiển tốc độ động cơ, tín hiệu cịn lại tín hiệu Direct điều khiển hướng quay động Tất tín hiệu điều khiển từ Mach3 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 VM4 phải đưa qua driver động điều khiển động tín hiệu tín hiệu điều khiển với mức điện áp 5V, ngồi có đèn LED báo trạng thái kết nối cổng LPT trạng thái hoạt động mạch Tương thích với Windows 2000/XP/Vista/7 Sơ đồ lắp ráp hệ thống điều khiển thể hình Để điều khiển xác tốc độ trục truyền động động thủy lực điều khiển van tỷ lệ, sử dụng thêm bo Arduino Uno R3 ứng dụng luật điều khiển PID tự điều chỉnh mờ [4] Phần mềm Mach3 [7] gói phần mềm chạy PC (máy tính cá nhân) xem hệ điều khiển CNC trục, trục, trục trục Mach3 bao gồm tính tích hợp (được gọi Mach Wizards) cho phép lập trình chi tiết đơn giản cách nhập đoạn liệu, tránh việc phải sử dụng thêm phần mềm CAD/CAM riêng biệt Mach3 giao tiếp với máy công cụ drivers thơng qua (hoặc hai) cổng song song cổng nối tiếp (COM) sử dụng giao thức ModBus Cổng song song sử dụng cổng giao tiếp máy in DB25 Mach3 chương trình có tính phong phú dễ dàng sử dụng Nó làm việc với chương trình khác nhận tập tin DXF, tạo G-Code hồn tồn tùy chỉnh Mặt khác, chế độ gia công ren phần mềm tích hợp cơng cụ cài đặt (hình 8) cho phép người dùng chọn thông số ren mong muốn Hình Giao diện mơi trường thiết lập chức gia công Mach3Turn KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Hình ảnh máy chế tạo Hình Cụm bàn dao cụm trục HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Động điện pha Tủ điều khiển Ổ dao Nguồn thủy lực Động thủy lực Hình 10 Máy chế tạo, lắp ráp hồn chỉnh 3.2 Gia công số chi tiết gia công Ø20 44 44 65 Ø18 Ø20 Ø20 Ø13 39 35,5 49 65 24 14 44 44 Ø20 Ø14 Ø22 Ø22 Ø20 Ø20 39 39 R3,5 Ø14 R6 4,8 75 R3,5 C2x45° 65 65 Hình 11 Bản vẽ chi tiết gia cơng Hình 12 Ảnh chụp chi tiết gia cơng Các thông số gia công: vc = 113 mm/ph, lượng chạy dao sd = 0,05 mm/vòng, chiều sâu cắt t = 0,3mm, số vịng quay trục ntc = 1000 - 1200 vịng/ph Chúng tơi gia cơng số biên dạng với vật liệu khác thép CT38, C45, đồng hợp kim, nhơm hợp kim (hình 12) Qua thực nghiệm, chuyển động tạo hình với chu trình gia cơng thiết lập phần mềm Mach3Turn, ảnh chụp chi tiết gia cơng có kích thước với kích thước vẽ Về so sánh chất lượng bề mặt chi tiết gia công hệ truyền động đo độ nhám bề mặt, công bố [3] với vật liệu gia công CT38, sai lệnh độ nhám bề mặt hệ truyền động tương đối giống nhau, kết đo độ nhám cấp nhám (cấp 5) KẾT LUẬN Bài báo trình bày số kết máy tiện tự động có trục truyền động động thủy lực, cụ thể: Thiết lập thông số động học, số vẽ kết cấu cụm bàn dao nghiêng X, Z, cụm trục chính, ụ dao ụ động; Thiết bị điều khiển có sẳn thị trường Việt Nam HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Máy chế tạo với cụm trục truyền động động thủy lực có kết cấu nhỏ gọn Tuy nhiên có nhược điểm nguồn, phần tử điều chỉnh điều khiển cồng kềnh Với số kết ban đầu gia công biên dạng khác với chương trình thiết lập, so sánh độ nhám bề mặt [3] với hệ truyền động trục động điện pha Từ kết nghiên cứu tiếp tục ứng dụng hệ truyền động điều khiển thủy lực cho trục máy cơng cụ cắt gọt kim loại vạn máy CNC chuyên dụng Các tiêu chất lượng khác sai số hình dáng hình học nhằm để đánh giá chất lượng máy chế tạo trình bày cơng bố tới LỜI CẢM ƠN Nhóm tác giả chân thành cảm ơn nhân viên thuộc Viện cơng nghệ khí tự động hóa, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng tạo điều kiện trợ giúp thời gian thực nghiên cứu DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU d2 H h [q] : : : : Đường kính trung bình ren; Hệ số chiều cao đai ốc (1,8 đai ốc nguyên); Hệ số chiều cao ren thang (0,5); Áp suất cho phép (8 Mpa); h: Chiều cao profin ren (1mm) d: Đường kính ngồi (11mm) d1: Đường kính (9mm) H: Chiều cao ren; x: Số vòng ren TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Ngọc Hải, 2014 Nghiên cứu độ ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện điện tử, 180-185 [2] Trần Ngọc Hải, Lê Cung, Ngô Anh Dũng, 2016 Nghiên cứu thực nghiệm ổn định tốc độ trục máy tiện truyền động động thủy lực Hội nghị Toàn quốc lần thứ Cơ điện điện tử, 494-499 [3] Trần Ngọc Hải, Trần Xuân Tùy, Nguyễn Thượng Lý, 2017 Nghiên cứu độ nhám bề mặt chi tiết gia công máy tiện trục truyền động động thủy lực Tạp chí Khoa học Công nghệ ĐHĐN 11(120), 22-25 [4] Ngoc Hai Tran, Cung Le, Anh Dung Ngo, 2017 Experimental Investigation of Speed Control of Hydraulic Motor Using Proportional Valve IEEE International Conference on System Science and Engineering 350-355 [5] Hai Tran Ngoc, Cung Le, Thanh Vo Nhu and Tuy Tran Xuan, 2018 The Research On Position Response Of Table Transmission By Hydraulic Motor Proceedings the first International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development, 481-488 [6] Information on http://www.codientuviet.com [7] Information on http://www.machsupport.com/software/mach3/ [8] Art Fenerty and John Prentice, 2003 Using Mach3Turn [9] Information on http://www.senday.com.tw/en/feeding01.html [10] Information on http://mt.fuji.co.jp/e/products/hardturning/ [11] Information on http:// www.bkmech.com.vn/tim-hieu-ve-truc-chinh-may-cnc.html ... truyền động tương đối giống nhau, kết đo độ nhám cấp nhám (cấp 5) KẾT LUẬN Bài báo trình bày số kết máy tiện tự động có trục truyền động động thủy lực, cụ thể: Thiết lập thông số động học, số vẽ kết. .. động thủy lực truyền động cho trục tiện NỘI DUNG 2.1 Xây dựng nguyên lý máy tiện tự động Sơ đồ nguyên lý máy thể hình 1a 1b [3] Trong đó, hình 1a thể sơ đồ nguyên lý máy tiện có trục truyền động. .. độ động thủy lực truyền động cho trục van tỷ lệ, cịn động điện ba pha biến tần Z- Z+ Ụ động Mâm cặp Động thủy lực Động trục Z Tốc kế Ổ dao Dao Ụ động Ụ máy Đai thang Ụ máy Z+ X- Mâm cặp Động điện