Tối ưu kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền

Bài viết trình bày việc tối ưu hóa kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA). Sau đó thực hiện phân tích đáp ứng điều hòa để xác định chuyển vị của đầu trục chính tương ứng với các chế độ cắt khác nhau.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Tối ưu kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền Structural optimization of gantry CNC router using genetic algorithm method Trần Văn Thùy1,*, Nguyễn Hữu Lộc2 NCS Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP HCM Khoa Cơ khí, Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP HCM *Email: nhloc@hcmut.edu.vn, vanthuy_qn@yahoo.com Tel: +84-82838654535; Mobile: 0908340248 Tóm tắt Từ khóa: Phương pháp giải thuật di truyền; Máy CNC kiểu giàn; Tối ưu kết cấu; Tần số dao động riêng; Các đặc tính động lực học kết cấu giàn ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng tổng thể máy CNC độ xác gia cơng Do tối ưu kết cấu giàn máy CNC giữ vai trò quan trọng thiết kế kết cấu máy Bài báo trình bày việc tối ưu hóa kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA) Sau thực phân tích đáp ứng hòa để xác định chuyển vị đầu trục tương ứng với chế độ cắt khác Kết chuyển vị đầu trục so sánh với phương pháp thực nghiệm Với kết đạt nâng cao độ cứng, nâng cao khả chống rung động cho kết cấu máy nhằm nâng cao độ tin cậy, độ xác gia cơng đạt chất lượng bề mặt gia công tốt Abstract Keywords: Genetic algorithm method; Gantry CNC Router; Structural optimization; Natural frequency The dynamic properties of the gantry structure directly affect the overall rigidity of the CNC machine and machining precision Therefore, Structural optimization of gantry CNC machine plays an important role in the design of the machine This article presents the optimization of the gantry CNC machine structure using multi-objective genetic algorithm (MOGA) Then perform a hamonic analysis to determine the displacement of the spindle head corresponding to the different cutting parameters The displacement of the spindle head is compared with the experimental method With the result achieved, it will increase the rigidity, improve the vibration resistance of the machine structure in order to improve the reliability, machining precision and achieve the best surface quality Ngày nhận bài: 03/07/2018 Ngày nhận sửa: 14/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Kết cấu máy CNC kiểu giàn với lợi khoảng gia cơng mở rộng, độ xác gia công cao độ cứng tốt sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp sản xuất Các đặc HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 tính động lực học kết cấu giàn ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng tổng thể máy CNC độ xác gia cơng Bên cạnh với phát triển ngành khí, nhu cầu thiết kế khí làm để nâng cao việc sử dụng vật liệu giảm chi phí sản xuất máy gia cơng Do thiết kế tối ưu kết cấu giàn máy CNC trở thành trọng tâm nghiên cứu ngày nhiều học giả Các nghiên cứu thực phân tích độ cứng dầm ngang có bố trí gân dạng khác phương pháp phần tử hữu hạn [1, 2] Shi đồng nghiệp tiến hành phân tích tĩnh, dao động riêng điều hịa cho dầm ngang trung tâm máy CNC xác định điểm yếu nhằm giúp cho việc thiết kế tối ưu [3] Wang đồng nghiệp tiến hành tối ưu hóa topo cho dầm ngang cách nghiên cứu cách bố trí gân tăng cứng, độ cứng tĩnh khả chống rung cải thiện nhiều [4, 5] Guan đồng nghiệp phát mối liên kết yếu dầm ngang máy công cụ cách sử dụng FEM đưa kế hoạch sửa đổi, giúp nâng cao đặc tính tĩnh động dầm ngang [6] Zhao thực tối ưu hóa cấu trúc bionic cho tăng cứng dầm ngang máy CNC dựa phân bố gân súng khổng lồ, dầm ngang có khối lượng đặc tính động lực học cải thiện [7] Trong nghiên cứu khác tiến hành [8], liên kết yếu máy phay phát cách sử dụng mơ hình hóa phân tích phận máy Theo độ cứng tĩnh tăng lên 68,4 N/m tần số tự nhiên tăng từ 30 Hz lên 42 Hz với khối lượng giảm 632 kg Bằng cách áp dụng phương pháp sinh học, lấy cảm hứng từ kết cấu gân súng khổng lồ thân xương rồng, Zhao đồng nghiệp hướng đến cải thiện đặc tính kết cấu dầm ngang trung tâm máy kiểu giàn MC6000 Kết cho thấy hiệu phương pháp sinh học với biến dạng tĩnh trọng lượng giảm tương ứng 16,22% 3,31% tăng bốn tần số tự nhiên [9] Cho đến hầu hết nghiên cứu theo hướng nâng cao đặc tính tĩnh động dầm ngang máy kiểu giàn, chưa quan tâm đến đặc tính động lực học cột giàn Tuy nhiên trường hợp kết cấu giàn di chuyển, đặc tính động lực học cột giàn ảnh hưởng trực tiếp đến đặc tính máy Vì nghiên cứu tiêu liên quan đến đặc tính tĩnh, chống rung trọng lượng nhẹ kết cấu giàn bao gồm dầm ngang cột giàn nghiên cứu CƠ SỞ LÝ THUYẾT Lý thuyết giải thuật di truyền (GA) trình bày lần vào năm 1975 J.H Holland [10] Giải thuật di truyền dựa thuyết tiến hóa Darwin, giải tốn việc mơ q trình tiến hóa sinh vật tự nhiên GA sử dụng thuật ngữ vay mượn từ di truyền học Trong di truyền học, cá thể quần thể thường biểu diễn dạng nhiễm sắc thể (NST), NST tạo thành từ đơn vị ghen theo chuỗi định Mỗi gen đặc trưng cho tình trạng định Trong GA, lời giải đặc trưng NST Tập hợp tất lời giải thể hay nhiều quần thể Trải qua nhiều hệ tiến hóa, cá thể phát triển đến trạng thái tối ưu gần tối ưu theo yêu cầu Thuật tốn GA trình bày hình Mã hóa: Để áp dụng tốn tối ưu sử dụng trực tiếp biến thiết kế mà phải mã hóa biến dạng nhiễm sắc thể Có bốn cách mã hóa giải thuật di truyền: Mã hóa nhị phân, mã hóa thập phân, mã hóa số thực mã hóa số tự nhiên Ví dụ mã hóa nhị phân: 0 1 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hàm thích nghi: Dùng để đánh giá cá thể, cá thể có độ thích nghi tốt tồn qua q trình chọn lọc tự nhiên có nhiều hội lai ghép Các cá thể có độ thích nghi dần bị loại bỏ trình tiến hóa có hội q trình lai ghép Hình Trình tự thực giải thuật di truyền [11, 12] Chọn lọc cá thể: Mục đích việc chọn lọc tìm cá thể tốt, có độ thích nghi cao Sau chọn lọc, quần thể lại gồm nhiều cá thể tốt quần thể trước Có nhiều phương pháp để chọn lọc cá thể như: Bánh xe Roulete, chọn lọc xếp hạng chọn lọc cắt Lai ghép: Lai ghép trình hình thành cá thể dựa sở cá thể bố mẹ sau trải qua qáu trình chọn lọc Lai ghép thực việc ghép hay nhiều đoạn gen NST cá thể bố mẹ lai với Phép lai xảy với xác xuất lai Pc Thường chọn Pc có giá trị 0,5 đến 0,8 Lai ghép chia làm nhiều dạng khác như: Lai điểm, lai nhiều điểm lai ghép mặt nạ Ví dụ ta thực phép lai ghép sau: Giả sử có cá thể bố mẹ P1 P2 sau: P1 = 905#21043 P2 = 025#34961 Thực lai vị trí cá thể C1 C2 tạo sau: C1 = 905#34961 9 C2 = 025#21043 Đột biến: Đột biến tượng cá thể mang số tính trạng khác khơng có gen di truyền bố hay mẹ Điểm đột biến chọn ngẫu nhiên, giá trị gen điểm đột biến thay đổi ngẫu nhiên Đột biến bao gồm đột biến điểm, đột biến nhiều điểm, đột biến đảo ngược đột biến chèn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Ví dụ ta thực phép đột biến sau: - Chọn điểm ngẫu nhiên (điểm thứ 5) NST cá thể Thực đột biến gen điểm thứ sau: + Trước đột biến: C1 = 010010101 0 1 + Sau đột biến: C1 = 010000101 0 0 1 - Chọn nhiều điểm ngẫu nhiên (điểm thứ ) NST cá thể Thực đột biến gen điểm thứ sau: + Trước đột biến: C1 = 010010101 0 1 + Sau đột biến: C1 = 010000111 0 0 1 TỐI ƯU KẾT CẤU GIÀN CỦA MÁY CNC Trong phần này, kết cấu giàn máy CNC hình tối ưu hóa cách sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA) nhằm cải thiện nhiều mục tiêu kết cấu máy Ngồi phân tích độ nhạy tiến hành để xác định mức độ ảnh hưởng thông số ban đầu bảng đến thông số đầu Sau xác định tham số hiệu nhất, MOGA thực cách sử dụng hộp công cụ Exploration Design ANSYS để đạt giải pháp tối ưu Hình Kết cấu giàn máy CNC sơ đồ tối ưu ANSYS 3.1 Tham số mục tiêu tối ưu hóa Các tham số đầu vào xác định cho trình tối ưu hóa kích thước kết cấu giàn minh họa hình HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Các kích thước kết cấu giàn Các giá trị kích thước giới hạn (tối thiểu tối đa) cho biến tham số xác định thể bảng Bảng kích thước giới hạn tham số STT Tham số kích thước V1 V2 V3 V4 H1 W1 W2 A Giá trị (mm) 140 139,5 50 210 270 30 20 145 Giới hạn (mm) 126 125,53 45 189 243 27 18 130,5 Giới hạn (mm) 154 153,42 55 231 297 33 22 159,5 Năm mục tiêu tối ưu hóa bao gồm ba tần số tự nhiên kết cấu giàn liên quan đến đặc tính động lực học máy CNC, Chuyển vị đầu trục khối lượng kết cấu giàn Khối lượng giàn chuyển vị trục phải giảm thiểu tần số tự nhiên máy phải tối đa hóa Các mục tiêu tối ưu thể bảng Bảng Các tham số mục tiêu tối ưu STT Tham số tối ưu Tần số tự nhiên mode Tần số tự nhiên mode Tần số tự nhiên mode Chuyển vị đầu trục Khối lượng kết cấu giàn Ký hiệu f1 f2 f3 u m Mục tiêu Cực đại Cực đại Cực đại Cực tiểu Cực tiểu Ràng buộc Không Không Khơng Khơng Khơng 3.2 Kết tối ưu hóa Phân tích độ nhạy cho thấy mức độ ảnh hưởng tham số đầu vào tham số đầu Hình trình bày kết phân tích độ nhạy thu cách sử dụng hộp công cụ Exploration Design ANSYS Kết cho thấy tham số đầu vào V1, V2 V3 ảnh hưởng không đáng kể đến thông số tối ưu đầu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Đồ thị phân tích độ nhạy Sau thực tối ưu hóa, kết đạt minh họa bảng Bảng Kết tối ưu tối ưu STT Tham số đầu vào Kích thước giàn Kích thước giàn Kích thước giàn Kích thước giàn Kích thước giàn Kích thước giàn Kích thước giàn Kích thước giàn Tham số tối ưu Tần số tự nhiên mode Tần số tự nhiên mode Tần số tự nhiên mode Chuyển vị đầu trục Khối lượng kết cấu giàn Ký hiệu V1 V2 V3 V4 H1 W1 W2 A Trước tối ưu 140 140 50 210 270 30 20 145 Sau tối ưu 129,28 133,84 46,151 199,79 261,17 29,915 21,419 151,04 f1 f2 f3 u m 250,64 339,58 405,02 8,215x10-5 mm 140,7 kg 269,68 374,55 447,7 7,044x10-5 mm 136,58 kg PHÂN TÍCH ĐÁP ỨNG ĐIỀU HỊA 4.1 Mơ hình FE kết cấu máy Hình Mơ hình kết cấu máy CNC kiểu giàn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Sử dụng kết sau tối ưu để xây dựng mơ hình 3D hồn thiện cho kết cấu máy Sau sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích đáp ứng điều hịa cho kết cấu máy CNC với cơng cụ phần mềm phân tích kỹ thuật CAE Quá trình thiết lập FEM kết cấu máy CNC thực hình Vật liệu kết cấu thân máy thép có modun đàn hồi E = 2,1x1011Pa, Khối lượng riêng  = 7850 Kg/m3 hệ số Poisson  = 0,3 4.2 Phân tích harmonic Phân tích đáp ứng điều hịa nhằm xác định đáp ứng chuyển vị kết cấu chịu rung động máy vận hành miền giá trị [0-15000] vịng/phút Trong nghiên cứu này, trục máy phay gỗ CNC có tốc độ đạt đến 15000 vịng/phút Biên độ lực kích thích bên ngồi tác động theo phương X, Y Z phụ thuộc vào chế độ cắt Phân tích đáp ứng điều hịa cho kết cấu máy trình bày hình a Phương X b Phương Y c Phương Z Hình Phân tích harmonic kết cấu máy Kết chuyển vị đầu trục theo chế độ cắt khác xác định dựa vào phân tích đáp ứng điều hòa bảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Kết chuyển vị theo phân tích đáp ứng điều hịa No 10 11 12 13 14 15 Lực cắt (N) n (v/ph) t (mm) s (mm/ph) Fx Fy 15000 5000 15000 5000 15000 5000 15000 5000 18410 1590 10000 10000 10000 10000 10000 1,9 1,9 0.7 0,7 1,9 1,9 0.7 0,7 1,3 1,3 2,31 0,29 1,3 1,3 1,3 1500 1500 1500 1500 500 500 500 500 1000 1000 1000 1000 1841 159 1000 720,43 1616,95 288,46 1497,61 629,76 1569,21 196,44 1327,56 561,012 2504,70 914,60 805,43 594,37 463,36 310,53 720,43 1616,95 288,46 1497,61 629,76 1569,21 196,44 1327,56 561,012 2504,70 914,60 805,43 594,37 463,36 310,53 Chuyển vị đầu trục (mm) 0,327 0,542 0,131 0,502 0,286 0,526 0,101 0,445 0,297 0,798 0,377 0,332 0,245 0,191 0,064 THỰC NGHIỆM ĐO DAO ĐỘNG TRỤC CHÍNH Thí nghiệm thực máy phay CNC Bộ dụng cụ đo dao động trục máy bao gồm cảm biến gia tốc PCB 603C01, thiết bị phân tích dao động NI SCXI-1000DC đa kênh, máy tính cá nhân phần mềm NI Signal Express Sơ đồ thí nghiệm xác định biên độ dao động đầu trục máy phay gỗ CNC bố trí hình Trong đó, cảm biến gia tốc gắn vào đầu trục máy, thiết bị đo NI SCXI-1000DC kết nối với cảm biến gia tốc máy tính Số liệu đo thu thập hiển thị thông qua phần mềm NI Signal Express Hình Sơ đồ thí nghiệm Thí nghiệm đo biên độ dao động trục thực q trình gia cơng vật liệu gỗ chi chiết gia cơng có dạng bề mặt phẳng Thực đo giá trị biên độ dao động 15 thí nghiệm thí nghiệm thực 05 lần đo Kết trung bình lần thí nghiệm bảng Tóm lại kết chuyển vị trục theo phương pháp phân tích Harmonic phương pháp thực nghiệm bảng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Bảng Kết đo thực nghiệm No n (v/ph) t (mm) s (mm/ph) 10 11 12 13 14 15 15000 5000 15000 5000 15000 5000 15000 5000 18410 1590 10000 10000 10000 10000 10000 1,9 1,9 0.7 0,7 1,9 1,9 0.7 0,7 1,3 1,3 2,31 0,29 1,3 1,3 1,3 1500 1500 1500 1500 500 500 500 500 1000 1000 1000 1000 1841 159 1000 Phương pháp đáp ứng điều hòa 0,327 0,542 0,131 0,502 0,286 0,526 0,101 0,445 0,297 0,798 0,377 0,332 0,245 0,191 0,064 Chuyển vị (mm) Phương pháp thực nghiệm 0,351 0,581 0,116 0,525 0,310 0,489 0,090 0,491 0,278 0,844 0,398 0,301 0,224 0,176 0,075 Sai số tương đối, % 6,84 6,72 12,94 4,39 7,75 7,57 12,23 9,37 6,84 5,46 5,28 10,3 9,38 8,53 14,67 Như vậy, sai số kết tính tốn phương pháp phân tích harmonic kết tính tốn phương pháp thực nghiệm nhỏ 15% Kết qua chấp nhận thực tế KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc tối ưu hóa kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA) Để thực tối ưu hóa, tám tham số kích thước đầu vào năm mục tiêu đầu gồm chuyển vị trục chính, khối lượng ba tần số tự nhiên kết cấu giàn xác định Kết phân tích độ nhạy cho thấy tham số đầu vào V1, V2 V3 ảnh hưởng không đáng kể đến thông số tối ưu đầu Sau trình tối ưu, khối lượng giàn chuyển vị đầu trục giảm, ba tần số tự nhiên tăng lên Với kết nâng cao đặc tính tĩnh động kết cấu máy CNC Thực phân tích đáp ứng hịa để xác định chuyển vị đầu trục tương ứng với khoảng 15 chế độ cắt khác so sánh với phương pháp thực nghiệm Kết tính tốn phương pháp phân tích harmonic kết tính tốn phương pháp thực nghiệm sai khác 15% Kết qua chấp nhận thực tế Với kết đạt nâng cao độ cứng, nâng cao khả chống rung động cho kết cấu máy nhằm nâng cao độ tin cậy, độ xác gia cơng đạt chất lượng bề mặt gia công tốt LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khuôn khổ Đề tài mã số B2016-20-04 HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Luo, L (2006) Design and research of the structural of cross-rail in the planer type machines Mech Electr Eng Technol, 35(3), 45-47 [2] Zhang, K., Mu, X., Zhao, D.,Wu, Y (2014) Advanced optimization design of cross beams structure Open civil engineering journal, 8, 117-123 [3] Wen, P., Xiangyang, N (2006) Finite Element Analysis and Vibration Control of A Gantry Type Five-axis Machining Center [J] Manufacturing Technology & Machine Tool, 2, 022 [4] Fan, W X J Z Y., Shuli, Z (2009) The Topological Optimation Design and Analysis for Gantry Machine Tool Crossbeam Component [J] Manufacturing Technology & Machine Tool, 11, 023 [5] Liu, S., Li, Y., Liao, Y.,Guo, Z (2014) Structural optimization of the cross-beam of a gantry machine tool based on grey relational analysis Structural and Multidisciplinary Optimization, 50(2), 297-311 [6] Guan, Y., Ren, L., Sun, J.,Mu, D., "Analysis and optimization of crossbeam of gantry machining center," in Information Engineering and Computer Science (ICIECS), 2010 2nd International Conference on, 2010, pp 1-4 [7] Xing, D., Chen, W., Zhao, L.,Ma, J (2012) Structural bionic design for high-speed machine tool working table based on distribution rules of leaf veins Science China Technological Sciences, 55(8), 2091-2098 [8] Guan, Y., Zhao, Y., Mu, D.,Guan, Y., "Finite element analysis of five-axis gantry milling machine main structure," in E-Product E-Service and E-Entertainment (ICEEE), 2010 International Conference on, 2010, pp 1-4 [9] Zhao, L., Ma, J., Chen, W.,Guo, H (2011) Lightweight design and verification of gantry machining center crossbeam based on structural bionics Journal of Bionic Engineering, 8(2), 201-206 [10] Holland, J H (1992) Adaptation in natural and artificial systems: an introductory analysis with applications to biology, control, and artificial intelligence, MIT press [11] Nguyen, H L (2015) Reliability based design and analysis of mechanical systems, National University publisher HCMC, Viet Nam [12] Cazacu, R., Grama, L (2013) Structural optimization with genetic algorithms and particle swarm optimization Proceedings of the Annual Session of Scientific Papers” IMT Oradea, 12(22), 19-22, ... 1 TỐI ƯU KẾT CẤU GIÀN CỦA MÁY CNC Trong phần này, kết cấu giàn máy CNC hình tối ưu hóa cách sử dụng phương pháp giải thuật di truyền đa mục tiêu (MOGA) nhằm cải thiện nhiều mục tiêu kết cấu máy. .. số kết tính tốn phương pháp phân tích harmonic kết tính tốn phương pháp thực nghiệm nhỏ 15% Kết qua chấp nhận thực tế KẾT LUẬN Bài báo trình bày việc tối ưu hóa kết cấu máy CNC kiểu giàn sử dụng. .. cách sử dụng hộp công cụ Exploration Design ANSYS để đạt giải pháp tối ưu Hình Kết cấu giàn máy CNC sơ đồ tối ưu ANSYS 3.1 Tham số mục tiêu tối ưu hóa Các tham số đầu vào xác định cho trình tối ưu