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

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 T

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 Nhi 1a , Nguyễn Quang Thành 1b , Nguyễn Huy Khang 1c , Lại Đình Biên 1d

1Phòng thí nghiệm Cơ học Ứng dụng

a ngokieunhi@yahoo.com; b quangthanh_818@yahoo.com.vn

c nhuykhang@gmail.com; d laidinhbien@gmail.com

TÓM TẮT

Bài báo trình bày về hai vấn đề chính: tính toán của máy CNC năm trục loại bàn – bàn

và kiểm tra ứng xử của các khâu của máy trong môi trường Ansys Các kết quả mô phỏng sẽ giúp kiểm tra được độ bền và chuyển vị của các khâu trong máy CNC năm trục nhằm tiết

kiệm thời gian và chi phí rất lớn trong quá 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

1 GIỚI THIỆU

Tại các nước phát triển với nền công nghiệp hiện đại thì máy công cụ điều khiển số CNC đóng vai trò rất quan trọng Máy có khả năng tự động với độ chính xác cao hơn máy công cụ truyền thống nhờ vào các ưu điểm như bộ điều khiển số và bộ điều khiển thích nghi cùng khả năng thay lắp dao và cả khả năng cấp liệu Một thí dụ cụ thể cho khả năng tự động của CNC là tổ hợp CIM (Computer Integrated Manufacturing) có thêm các robot cấp liệu, các

hệ thống đo lường hiện đại, các nhà kho hiện đại mang lại sự linh hoạt cho hệ thống và hiệu quả kinh tế lớn nhờ rút ngắn thời gian phụ Với các khả năng như trên, máy CNC đã đáp ứng được các đòi hỏi cao về khả năng tự động với phương thức linh hoạt của dây chuyền sản xuất [1] Máy CNC đang phát triển nhanh chóng, từ các máy CNC riêng lẻ (CNC Machine-Tools) đến các máy trung tâm gia công CNC (CNC Engineering-Center) Ngày nay người ta còn kết hợp sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lý của máy tính trung tâm DNC (Direct Numerical Control)

Với xu thế của nền công nghiệp hiện đại, các nhà sản xuất tạo ra nhiều loại máy nhiều trục với nhiều kích thước, hình dạng và giá thành khác nhau Việc có một chiếc máy nhiều trục nói chung và năm trục nói riêng sẽ giúp đơn vị doanh nghiệp có khả năng cạnh tranh hơn,

do đó máy nhiều trục đã và đang được quan tâm một cách đặc biệt Máy năm trục (5D) ở nước ta hiện nay còn ít, phân bố chủ yếu ở các công ty lớn, các viện nghiên cứu hay các trường đại học, trường dạy nghề Một số đơn vị như 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 đã chế tạo thành công máy năm trục, điều này đã góp phần đẩy mạnh sự phát triển của

CNC ở nước ta và hỗ trợ cho sản xuất công nghiệp, đặc biệt là công nghệ cao, công nghệ phụ trợ Sự phát triển máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất Tuy máy CNC năm trục mới được phổ biến ở nước ta, nhưng với sự góp sức của các đơn vị nghiên cứu và các doanh nghiệp thì công nghệ CNC đã có một chỗ đứng vững chắc tại Việt Nam [2] Trong những năm gần đây công nghệ này sẽ được áp dụng rất nhiều trong các xí nghiệp, nhà máy, trung tâm công nghệ cao,… Do đó, việc nắm được công nghệ năm trục về mặt thiết kế, nghiên cứu kết cấu và điều khiển sẽ diễn ra nhanh chóng Việc đẩy mạnh phát triển ứng dụng công nghệ và thiết kế CNC năm trục là một nhu cầu cần thiết đối với các cơ sở sản xuất nói chung, và ngành nghề chế tạo máy nói riêng Trong các loại máy CNC năm trục thì máy loại bàn/bàn cũng có khả năng đáp ứng được nhu cầu tạo ra những sản phẩm vừa có yêu cầu cao về mặt nghệ thuật cũng như kỹ thuật (tượng nghệ thuật, các chi tiết có biên dạng phức tạp,…) vừa có tính năng tiện dụng để sản xuất các chi tiết đơn giản của máy CNC 3 trục nếu chúng ta tháo rời khâu hai trục xoay ra Cụ thể, máy có thể gia công được các bề mặt phức tạp như cánh tua bin, cánh chân vịt tàu thủy, v.v

Máy CNC năm trục thường được phân làm ba loại:

• Máy bàn/bàn: Các chuyển động quay của máy do bàn máy đôi thực hiện Bàn máy này gồm một bàn máy chính mang theo một bàn máy phụ, bàn máy phụ có nhiệm vụ mang theo các

đồ gá và chi tiết Loại máy này có khả năng gia công có phân độ và gia công liên tục (H.1)

Hình 1: Máy CNC năm trục loại bàn/bàn [3]

• Máy trụ/trụ: Máy này có đầu trục chính thực hiện tất cả các chuyển động quay và xoay nghiêng, máy này có thể có trục chính thẳng đứng hay nằm ngang, các chuyển động của máy

bị hạn chế Đầu trục chính của máy có thể thẳng, nghiêng 90 độ, hay phân độ liên tục (H.2)

Hình 2: Máy CNC năm trục loại trụ/trụ [3]

• Máy trụ/bàn: Các máy này có bàn quay và trục xoay nghiêng, có thể gia công các máy lớn và nặng Cũng giống như máy bàn/bàn, máy năm trục có thể gia công phân độ và liên tục; ngoài ra, máy có khả năng tính trục phụ, cho phép người dùng lập trình chi tiết trong mặt 2D sau đó quay nó theo một đường kính của trục thứ 4 (H.3)

Hình 3: Máy CNC 5 trục loại trụ/bàn [3]

Trong ba loại máy CNC năm trục ở trên thì loại bàn/bàn thích hợp gia công các chi tiết lớn và nặng Đặc biệt, máy có thể lập trình chi tiết trong mặt 2D thích hợp trong việc gia công các đồ vật mỹ nghệ như trên gỗ Vì vậy, nghiên cứu này tập trung vô phân tích động học, mô phỏng máy phay CNC 5 trục dạng bàn/bàn nhằm đáp ứng với nhu cầu thực tế hiện này

2 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 của loại bàn / bàn , áp dụng rộng rãi cho máy vừa và nhỏ,… Các yếu tố động học của máy bao gồm: phôi, đĩa trục quay C, trục bàn quay A, trục tịnh tiến Y, nền cố định, trục tịnh tiến X, trục tịnh tiến Z, dao cắt (H.4a) Tuy nhiên, để đơn giản hóa các bước thực hiện chúng tôi chia làm ba khâu chính 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 được thể hiện như (H.4b)

(a) (b)

Hình 4: a Mô hình chuyển động của máy 5 trục; b Sơ đồ động học của máy

Mô hình hóa động học được xác định theo phương pháp Denavit-Hartenberg, ta xác

định được ma trận T là ma trân chuyển từ tọa độ địa phương sang hệ tạo độ cố định gắn với

bàn máy (1) và ma trân O là ma trận chuyển của vị trí mũi dao so với vị trí bàn gá phôi (2) [5]

T



(1)

' ' '

1

O

(2)

Trong đó: X', Y', A' và C' là các lệnh điều khiển các trục X, Y, A và C của máy tương ứng

2.2 Mô hình hóa toàn máy phay CNC 5D

Dựng mô hình trên phần mềm Solidworks (H.5) với các thông số tính toán dựa trên phạm vi di chuyển lớn nhất và kích thước của vật liệu như (bảng 1)

Bảng 1 Thông số kích thước sơ bộ mô phỏng của 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 thanh 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 các phương x, y, z, hai khâu quay bao gồm phôi quay 3600 và bàn gá phôi quay 1800 Để khảo sát chuyển động của các khâu, ta

sử dụng phương pháp hệ tọa độ tham chiếu (reference frame) hay hệ tọa độ cơ sở Bằng cách

“gắn cứng” lên mỗi khâu động thứ k một hệ trục tọa độ vuông góc (Oxyz)k – còn gọi là hệ tọa

độ tương đối và gắn cứng với giá cố định hệ trục tọa độ vuông góc (Oxyz)0 - còn gọi là hệ tọa

độ tuyệt đối, hệ tọa độ tham chiếu hay hệ tọa độ cơ sở, dựa vào các hệ tọa độ trên ta có thể khảo sát được chuyển động của một khâu bất kỳ trên tay máy hoặc một điểm bất kỳ thuộc khâu Để khảo sát một khâu bất kỳ, ta khảo sát điểm M bất kỳ trên khâu Tọa độ của điểm M được xác định bởi bán kính vector rM(0) , với các thành phần (hình chiếu) của nó trong hệ tọa

độ cơ sở (Oxyz)0 lần lượt là x M (0) , y M (0) , z M (0) được gọi là tọa độ tuyệt đối của điểm M Tọa độ điểm M thuộc khâu thứ k bất kỳ được xác định bởi vector OkM với các thành phần tương ứng

của nó trong hệ tọa độ (Oxyz) - được gắn cứng với khâu thứ k, lần lượt là x M (k) , y M (k) , z M (k)

được gọi là tọa độ tương đối của điểm M Nếu M là điểm cố định trên khâu thì tọa độ tương đối của M sẽ không thay đổi khi khâu chuyển động [5]

(0) (0) (0) (0) (0) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

k

k

(3)

Bằng cách mô tả như trên, ta có thể coi tay máy như là một chuỗi các hệ toạ độ liên tiếp

có chuyển động tương đối với nhau

2.3 Mô hình hóa các khâu

 Mô hình hóa khâu x

Mô hình khâu X được tách ra từ mô hình toán máy như (H.6), trong đó bao gồm một hệ thống tịnh tiến theo phương x và một bàn gá phôi (bàn quay) Thông số vật liệu được cho theo bảng 2

Hình 6: Mô hình 3D khâu X

Bảng 2 Thông số vật liệu khâu X

Chi tiết Vật liệu Ứng suất giới hạn (MPa) 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 một hệ thống vitme – thanh trượt tịnh tiến theo phương y như (H.7) và được tách ra từ mô hình toàn máy với các thông số vật liệu như bảng 3

Hình 7: Mô hình 3D khâu Y

Bảng 3 Thông số vật liệu khâu Y

Chi tiết Vật liệu Ứng suất giới hạn Đầu chặn trong Sắt 151

Thanh dẫn hướng Thép 420 Trục vít - me Thép 420 Đầu chặn ngoài Sắt 151

 Mô hình hóa khâu Z

Mô hình khâu Z, bao gồm một hệ thống vitme – thanh trượt theo phương Z (H.8),được

tách ra từ mô hình toàn máy với các thông số vật liệu như bảng 4

Hình 8: Mô hình 3D khâu Z

Bảng 4 Thông số vật liệu khâu Z

Chi tiết Vật liệu Ứng suất giới hạn Đầu chặn trên Sắt 151

Thanh dẫn hướng Thép 420 Trục vít - me Thép 420 Con chạy trục Z Sắt 151 Đầu chặn trong Sắt 151

3 TÍNH TOÁN, XÁC ĐỊNH BỀN CHO MÔ HÌNH MÁY

3.1 Mô hình chia lưới và tính bền cho khâu X

Hình 9: a mô hình chia lưới; b mô hình đặt lực tại khâu X

Bảng 5 Thông số phần tử khâu X

Số Node Số phần tử Kích thước phần tử

Bằng hình thức chia lưới với số node và số phần tử thể hiện như bảng 5, với khâu X là hợp của một khâu tịnh tiến theo phương x, một khâu xoay của bàn gá phôi (phép quay 1800)

và khâu xoay của phôi (phép xoay 3600) Sự tích hợp của 3 khâu phụ này tạo thành cụm tổng thể cho khâu X, và đây là khâu quan trọng nhất cho toàn hệ thống máy Lực tác dụng lên khâu được xác định bằng F = lực chạy dao trên khâu X + (khối lượng phôi + khối lượng bàn gá + khối lượng động cơ A) *10 [4,6] Các kết quả về ứng suất (H.10a) và (H.10b) là kết quả theo chuyển vị

Hình 10: a Kết quả ứng xuất của khâu X; b Kết quả chuyển vị của khâu X

Mô hình kết quả cho thấy, thành phần chịu lực (ứng suất lớn nhất) là hệ thống vitme và

thanh trượt phải chịu trong quá trình di chuyển toàn bộ khâu khi thực hiện quá trình gia công

Đối với bàn gá phôi và mâm cặp xoay chịu chuyển vị lớn do bản thân còn là khối chịu tác

dụng trực tiếp do dao và lực quán tính của dao gây ra Kết quả thu được từ mô phỏng cũng

khớp với quy luật thực tế của mô hình máy

3.2 Mô hình chia lưới và tính bền cho khâu Y

Hình 11: Mô hình chia lưới và đặt lực vào khâu Y

Bảng 6: Thông số phần tử khâu Y

Số Node Số phần tử Kích thước phần tử

Đối với khâu Y, do mô hình đơn giản hơn rất nhiều so với khâu X, chúng tôi có thể chia

mịn lưới hơn để kết quả thu được là tối ưu Trong đó kích thước của phần tử là 4mm với lực

đặt vào khâu Y được tính F = lực chạy dao trên khâu Y + (khối lượng khâu X) *10 [4,6] Kết

quả về chuyển vị và ứng suất được thể hiện như (H.12a-b)

Hình 12: a Kết quả ứng suất; b Kết quả chuyển vị của khâu Y

Khi thực hiện dịch chuyển khâu Y trong quá trình hoạt động của máy phay CNC 5D,

nhận thấy ứng suất và chuyển vị lớn nhất đều nằm trên hệ thống vitme mà khâu thực hiện dịch

chuyển; ngoài trọng lượng bản thân, khâu Y còn mang theo trọng lượng của khâu X và phôi

Kết quả trên cho thấy quy luật phân bố ứng suất và chuyển vị trên khâu Y là trùng khớp với

thực tế Tuy nhiên, để đảm bảo cho quá trình gia công, cần tăng kích cỡ của vitme tại khâu Y

để đảm bảo điều kiện bền

3.3 Mô hình chia lưới và tính bền cho khâu Z

Thực hiện chia lưới và đặt lực cho khâu Z (H.13a-b), trong đó khâu Z mang trọng lượng

của bản thân, hệ thống Spindle và dao Khâu Z phải thực sự cứng vững để đảm bảo quá trình

gia công là ổn định nhất Với tính chất quan trọng, chúng tôi chia lưới cho khâu Z mịn hơn,

với kích thước của phần tử là 2mm (bảng 7) Lực phải chịu của khâu Z được tính theo

F = lực chạy dao khâu Z + (khối lượng động cơ + đầu gá dao) *10 [4,6]

Hình 13: Mô hình chia lưới và đặt lực của khâu Z

Bảng 7 Thông số phần tử khâu Z

Số Node Số phần tử Kích thước phần tử

Hình 14: a Kết quả ứng suất; b Kết quả chuyển vị của khâu Z

Kết quả cho thấy (H.14a-b), đối với khâu Z, thành phần chịu lực chủ yếu là hệ thống thanh đỡ, mang theo trọng lượng của toàn bộ khâu Z Như vậy, kết quả cũng phản ánh đúng quy luật chịu tải của máy

3.4 Đánh giá bền của các khâu

Giá trị bền của các khâu được thể hiện như (bảng 8) đối với kết quả ứng suất và (bảng 9) đối với kết quả chuyển vị Các kết quả cho thấy máy đều thỏa điều kiện bền cho phép

Bảng 9 Kiểm tra tính bền các khâu

Ứng suất tại các khâu Ứng suất lớn nhất (MPa) Ứng suất giới hạn (MPa)

Bảng 10 Kiểm tra chuyển vị các khâu

Chuyển vị tại các khâu Chuyển vị (mm)

Khâu X 0,0035926

Khâu Z 0,025043

4 XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ SAI SỐ

Hình 15: Lắp ráp mô hình thực nghiệm trên gỗ MDF

Sau khi xây dựng được phương trình động học xác định vị trí mũi dao so với phôi ở công thức (2), nhóm tác giả sẽ kiểm nghiệm lại kết quả tính toán động học so với phương pháp đo đạc trên mô hình 3D và khi thực hiện mô phỏng Đặt (Xw,Y Zw, w) là tọa độ của mũi dao so với hệ tọa độ trên phôi tính toán được dựa trên công thức (2) và (Xwt,Ywt,Zwt) là tọa

độ của mũi dao so với hệ tọa độ trên phôi đo đạc được trên mô hình 3D sau khi dịch chuyển các khâu Kết quả được thể hiện như (bảng 11) và giá trị sai lệch được thể hiện như (bảng 12)

Bảng 11: Kết quả tính toán so với đo trên mô hình 3D

1 30 0 0 0 0 30 0 35.95 30 0 35.90

2 0 20 0 0 0 0 20 35.95 0 20 35.90

3 0 0 -10 0 0 0 0 25.95 0 0 25.90

4 0 0 0 30 0 0 -54.90 21.22 0 -54.93 21.23

5 0 0 0 0 45 0 0 35.95 0 0 35.90

6 15 20 0 0 0 15 20 35.95 15 20 35.90

7 0 20 -10 0 0 0 20 25.95 0 20 25.90

8 10 0 0 30 0 10 -54.97 21.22 10 -54.92 21.25

9 10 0 0 0 60 5 8.66 35.95 5.15 8.75 35.95

10 10 15 -25 15 120 1.49 12.40 11.94 1.50 12.20 11.80

Bảng 12: Sai số giữa tính toán và đo đạc

10 0.00667 0.016393 0.011864

_

X

 0.003579

_

Y

 0.002814

_

Z

 0.002318 Sai số trung bình giữa kết quả tính toán so với đo đạc trên mô hình 3D theo phương X, phương Y, phương Z lần lượt là: 0,3575%;0,2814%;0,2318% Sai số trên là chấp nhận được Do vậy phương pháp tính toán động học đưa ra công thức xác định vị trí mũi dao là đúng

KẾT LUẬN

Qua nghiên cứu này, nhóm tác giả đã phân tích mô hình động học của máy phay CNC 5D dạng bàn/bàn đồng thời sử dụng các phần mềm chuyên dụng để mô phỏng ảo trước khi đưa vào chế tạo thực tế Với giới hạn về kinh phí và thời gian thực hiện, nhóm nghiên cứu chỉ chế tạo mô hình máy thử nghiệm trên gỗ MDF nhằm kiểm tra sai lệch của các khâu khi cho máy dịch chuyển Các kết quả ban đầu mở ra nhiều hướng trong việc phát triển và ứng dụng trong chế tạo thử nghiệm

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Ngọc Cẩn, Máy cắt kim loại, NXB ĐHQG TP Hồ Chí Minh, tái bản lần 1, 2005

[2] Muc tiêu, nội dung và dự kiến sản phẩm của chương trình khoa học và công nghệ trọng điểm cấp nhà nước, giai đoạn 2011-2015 ký ngày 30 tháng 9 năm 2011 của Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ

[3] Karlo Apro Secrets of 5 - 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 bản lần 1, 2005