Sử dụng các phần mềm công nghiệp tính toán và thiết kế khung máy phay CNC

Những khuôn mẫu đơn giản thì có thể gia công bằng máy tay hoặc máy vạn năng, song để tạo ra các khuôn mẫu, chi tiết máy phức tạp thì bắt buộc phải gia công trên các máy công cụ điều khiể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐÌNH SƠN

SỬ DỤNG CÁC PHẦN MỀM CÔNG NGHIỆP TÍNH TOÁN VÀ

THIẾT KẾ KHUNG MÁY PHAY CNC

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY

Mẫu 2

LÝ LỊCH KHOA HỌC

(Dùng cho học viên cao học)

I Sơ lược lý lịch:

Họ và tên: Nguyễn Đình Sơn Giới tính: Nam

Sinh ngày: 26 tháng 09 năm 1980

Nơi sinh(Tỉnh mới): Gia Lâm – Hà Nội

Quê quán: Gia Lâm – Hà Nội

Chức vụ: Chuyên Viên

Đơn vị công tác: Tổng cục Dạy nghề

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 51 Hàng Bún – Ba Đình – Hà Nội

Điện thoại CQ: 04.39747922 Điện thoại NR:04.3873734 Điện thoại di động: 0988693926 Fax: E-mail : dinhsonbaggio@gmail.com

II Quá trình đào tạo:

1 Trung học chuyên nghiệp (hoặc cao đẳng):

- Hệ đào tạo(Chính quy, tại chức, chuyên tu) : chính quy Thời gian đào tạo: từ 10/1999 đến 04/2002

- Trường đào tạo: cao đẳng sư phạm kỹ thuật Hưng Yên

- Ngành học: cơ khí chế tạo Bằng tốt nghiệp đạt loại: Trung bình - khá

2 Đại học:

- Hệ đào tạo(Chính quy,tại chức, chuyên tu) : chính quy Thời gian đào tạo: từ 10 /2003 đến 04 /2008

- Trường đào tạo: Polytechnic University – Nhật Bản

- Ngành học: Cơ khí chính xác Bằng tốt nghiệp đạt loại:

3 Thạc sĩ:

- Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: từ 10/2009 đến 10/2011

- Chuyên ngành học: Công nghệ chế tạo máy

- Tên luận văn: Sử dụng các phần mềm công nghiệp tính toán và thiết kế khung máy phay CNC

- Người hướng dẫn Khoa học: PGS.TS Nguyễn Việt Hùng

4 Trình độ ngoại ngữ (Biết ngoại ngữ gì, mức độ nào): Tiếng Nhật, Tiếng Anh Tolel 560

III Quá trình công tác chuyên môn kể từ khi tốt nghiệp đại học:

04/2008 đến 04/2009 Trường Cao đẳng nghề công

nghiệp Hà Nội

Gảng viên

IV Các công trình khoa học đã công bố:

Tôi cam đoan những nội dung viết trên đây là đúng sự thật

Ngày tháng năm 2012

NGƯỜI KHAI KÝ TÊN

ảnh 4x6

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các số liệu và kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình khác, trừ những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận văn

Tác giả

Nguyễn Đình Sơn

2

Trang phụ bìa………

Lời cam đoan ……… 01

MỞ ĐẦU ……… 04

1 Tính cấp thiết của đề tài……… 04

2 Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu………… 05

a Đối tượng nghiên cứu 05

b Mục đích nghiên cứu……… 05

c Nội dung nghiên cứu……… …… 05

d Phương pháp nghiên cứu……… 05

3 Ý nghĩa của đề tài……… 06

a Ý nghĩa khoa học ………… 06

b Ý nghĩa thực tiến …… 06

Chương I: MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN SỐ 07 1 Tổng quan về điều khiển số ……… 07

1.1 Lịch sử máy công cụ điều khiển số ……… 07

1.2 Những đặc trưng của máy công cụ điều khiển chương trình số… 09 2 Các khái niệm NC, CNC ……… … 12

3 Đặc điểm về kết cấu của máy CNC… ……… 15

3.1 Đặc điểm chung ………… ……… 15

3.2 Hệ thống điều khiển trục chính.……… 16

3.3 Hệ thống điều khiển chạy dao……… …… 17

3.4 Thiết bị gá kẹp……… 21

3.5 Hệ thống thay dao……… … 22

3.6 Nguyên tắc điều khiển……… 24

3.7 Vai trò, ứng dụng và lợi ích trong sản xuất ……… 28

Chương II: c¬ së lý thuyÕt CỦA PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 31 1 Các phương pháp tính sức bền trong cơ học ……… …… 31

2 Các dạng đối tượng của tính toán sức bền ……… ……… 44

3

3 Các bước thực hiện bài toán phần tử hữu hạn… …… ………… 46

4 Thuật giải bài toán băng phương pháp phần tử hữu hạn…… … 47

5 Giới thiệu phần mềm Ansys tính FEM… ……… ……… 48

6 Tổng quan về mô hình cấu trúc….……… ……… 52

7 Tạo mô hình phần tử hữu hạn……… ……… 68

8 Đặt tải……… ……… ……… 75

Chương III: THIẾT KẾ MÁY PHAY CNC ROUTER 78 1 Thông số kỹ thuật của máy dự kiến….……… ……… 78

2 Mô hình thiết kế….……… ……… 78

3 Khả năng công nghệ của máy ……… 79

4 Thiết kế truyền động… ……… 79

4.1 Chọn và tính toán công suất động cơ ……… 79

4.2 Thiết kế truyền động trục chính ……… 85

4.3 Thiết kế truyền động bằng vít me – đai ốc bi.………… …… 95

4.4 Tính toán chọn ổ………… ……… 99

5 Thiết kế thân máy……… ……… ……… 107

5.1 Yêu cầu thân máy………… ……… 107

5.2 Kết cấu thân máy……….……… 108

5.3 Vật liệu thân máy……… 109

5.4 Tính toán thân máy phay trên phần mềm Ansys ……… 109

a Sơ đồ tính….……… 109

b Đơn vị tính….……… 109

c Phân tích hệ thống ngoại lực tác động….……… 109

d Ứng dụng phần mềm Ansys……… 111

e Kết luận chung và đề xuất hướng nghiên cứu……… 118

Lời cảm ơn ……… 120

Tài liệu tham khảo……… 121

4

Mở đầu

1 Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những thành tựu lớn của tiến bộ khoa học kỹ thuật là tự động hoá sản xuất Phương thức cao của tự động sản xuất là sản xuất linh hoạt Trong dây truyền sản xuất linh hoạt thì máy điều khiển số CNC đóng một vai trò rất quan trọng Sử dụng máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao

độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cũng rút ngắn được chu kỳ sản xuất Chính vì vậy hiện nay nhiều nước trên thế giới đã và đang ứng dụng

Ở Việt Nam các máy CNC đang được sử dụng rông rãi để chế tạo các chi tiết

cơ khí đặc biệt là chế tạc các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công nghiệp quốc phòng Ngoài ra, các máy CNC còn được dùng trong nghiên cứu khoa học, đào tạo đại học sau đại học, học nghề ở các trường kỹ thuật Trên thực

tế ngành khuôn mẫu và ngành nhựa của Việt Nam đang phát triển rất mạnh Những khuôn mẫu đơn giản thì có thể gia công bằng máy tay hoặc máy vạn năng, song để tạo ra các khuôn mẫu, chi tiết máy phức tạp thì bắt buộc phải gia công trên các máy công cụ điều khiển số CNC, chính vì vậy Đảng và Nhà nước

đã có rất nhiều chính sách để đầu tư phát triển CNC.Trên thị trường Việt Nam, các máy CNC bình thường có sai số vị trí là 0,01mm, các máy CNC do Đài Loan

và Trung Quốc sản xuất có phần điều khiển mua của các hãng nổi tiếng như FANUC, MITSHUBISHI, có giá bán khá phù hợp với đại đa số các doanh nghiệp trong nước song còn yếu các khâu như đào tạo, dịch vụ sửa chữa và thay thế sau bán hàng, chất lượng còn chưa đồng đều Máy CNC của các nước phát triển như Nhật, CHLB Đức, có chất lượng tốt song giá thành đắt, rất khó bảo trì bảo dưỡng Giá thành cao, nhu cầu lại lớn nên ở TP Hồ Chí Minh đã hình thành những công ty và nhóm chuyên gia chuyên lắp ráp máy CNC cũ /hỏng thành máy mới Ngoài ra, một số công ty cơ khí cũng bắt đầu tự nhập bộ điều khiển và chế tạo phần cơ khí để cho ra đời những chiếc máy CNC "made in Vietnam" đầu

5

tiên Tuy nhiên do chưa nắm vững công nghệ trong việc quản lý chất lượng cũng như khi lắp ráp, những chiếc máy này thường có độ chính xác không cao, độ tin cậy không lớn.Khó khăn nhất trong phần chế tạo máy CNC "made in Vietnam" không phải ở phần điều khiển hay phần điện tử mà chính là phần cơ khí, phần kết cấu và dẫn truyền cơ khí

Xuất phát từ những đặc điểm và tình hình nêu tác giả đã chọn đề tài “Sử

dụng các phần mềm công nghiệp để tính toán và thiết kế khung máy phay CNC”

để ứng dụng các phần mềm công nghiệp trợ giúp trong thiết kế máy phay nói riêng và máy công cụ nói chung

2 Đối tượng, mục đích, nội dung và phương pháp nghiên cứu

a, Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là tính toán thiết kế khung máy phay CNC Router dạng mô hình với sự trợ giúp của một số phần mềm công nghiệp

Nghiên cứu tổng quan các tài liệu, lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

b, Mục đích nghiên cứu

Xác định các thông số khi thiết kế phần cơ của máy phay, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn với sự trợ giúp của phần mềm Ansys tính toán khung máy Dùng làm tài liệu trong nghiên cứu và chế tạo

c, Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu tổng quan về thiết kế máy: đặc điểm cấu trúc máy cnc, tính toán thiết kế bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu sử dụng các phần mềm công nghiệp để phân tích và tính toán thiết kế thân máy phay

d, Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được thực hiện bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

6

- Phương pháp thiết kế máy công cụ

- Xây dựng mô hình máy phay CNC dạng máy CNC ROUTER

- Kiểm nghiệm thân máy phay bằng phần mềm công nghiệp

- Phân tích và đánh giá kết quả

3 Ý nghĩa của đề tài

a, Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu ứng dụng của các phần mềm công nghiệp để thiết kế máy phay nói riêng và máy công cụ nói chung đã được các nước trên thế giới ứng dụng Tại Việt Nam, công nghệ thông tin cugnx đang rất phát triển và cũng dần ứng dụng các tiện ích của công nghệ thông tin vào thiết kế nhằm thúc đẩy phát triển việc thiết kế và chế tạo máy công cụ tại Việt Nam, do đó đề tài có ý nghĩa khoa học và phù hợp với hướng nghiên cứu khoa học và công nghệ

b, Ý nghĩa thực tiễn

Kết quả nghiên cứu sử dụng trong thiết kế máy công cụ: giảm thời gian thiết

kế, tăng độ chính xác trong thiết kế, giảm chi phí sản xuất, tăng lợi ích kinh tế Kết quả nghiên cứu được ứng dụng thực tế vào thiết kế và chế tạomô hình máy công cụ để phục vụ giảng dạy tại các cơ sở giáo dục

Nội dung

Chương I: Máy công cụ điều khiển số

Chương II: Cơ sở lý thuyết của phương pháp phần tử hữu hạn

Chương III: Thiết kế máy phay CNC Router

7

1.1 Lịch sử máy công cụ điều khiển số

Điều khiển số (Numerical Control) ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đay là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như phay, tiện, robot, băng tải … ) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số kỹ tự đặc biệt tạo nên chưng trình làm việc của thiết bị hay hệ thống

Trước đây, cũng đã có các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật như: chép hình theo mẫu, chép hình bằng hệ thống thủy lực, hoặc điều khiển bằng mạch logic…Ngày nay, với việc ứng dụng các thành quả tiến bộ của khoa học công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển

số và công nghệ thông tin đã cho phép nghiên cứu chế tạo đưa vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một các linh hoạt hơn thích ứng với nền sản xuất công nghiệp hóa hiện đại hóa và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn

Về mặt khoa học, trong điều kiện hiện nay, nhờ các tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ đã cho phép chúng ta giải quyết các bài toán phức tạp hơn với độ chính xác cao hơn trước đây hoặc chưa đủ điều kiện hoặc quá phức tạp khiến chúng ta phải bỏ qua một số yếu tố và dẫn đến kết quả gần đúng Chính vì vậy đã cho phép các nhà chế tạo máy thiết kế và chế tạo các máy công cụ với các

cơ cấu có hiệu suất cao, độ chính xác truyền động cao cũng như những khả năng chuyển động tạo hình phức tạp và chính xác hơn

Lịch sử phát triển của NC bắt nguồn từ các mục đích quan sự và hàng không vũ trụ khi mà các yêu cầu các chỉ tiêu về chất lượng là cao nhất (có độ chính xác và độ tin cậy cao nhất, có độ bền và tính hiệu quả cao nhất khi sử dụng…) Ngày nay, lịch sử phát triển NC đã trải qua các quá trình phát triển

Năm 1947, Không lực Hoa Kỳ cho rằng sự phức tạp trong thiết kế và hình dạng của các chi tiết máy bay như: cánh quạt của trực thăng hay các chi tiết của đầu phóng tên lửa chính là nguyên nhân khiến cho các nhà sản xuất không giao hàng đúng hạn Khi đó John Parsons, Parsons Corporation, thanh phố Traverse, bang Michigan đã bắt đầu nghiên cứu với ý tưởng về một chiếc máy công cụ có thể thao tác ở mọi góc độ, sử dụng dữ liệu số để điều khiển chuyển động của máy Năm 1949, USAMC giao cho Parsons một hợp đồng phát triển NC và phương phapstawng tốc trong sản xuất Parsons sau đó đã chuyển thầu lại cho phòng thí nghiệm Servomechanism – đại học Massachusettl Istitute of

Technology (MIT) Năm 1952 họ đã thành công với chiếc máy có đầu cắt

chuyển động 3 chiều Rất nhanh sau đó, hầu hết các nhà sản xuất máy công cụ đều cho ra các máy NC Năm 1960 tại triển lãm máy công cụ ở Chicago, hơn

100 máy NC đã được trưng bày Hầu hết các máy này đều giống nhau ở nguyên tắcđiều khiển vị trí điểm – điểm Nguyên lý cảu máy NC được thiết lập một cách vững chãi

9

CNC (Cho tới năm 1976, những máy NC điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình mà các thông tin viết dưới dạng số đã được sử dụng rộng rãi Cũng vào năm đó, người ta cũng đưa một máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy, các máy này được gọi là máy CNC (Computer Numerical Control) là các máy công cụ tự động dựa trên tập lệnh được mã hóa bởi các con số, các chữ cái, các ký tự mà bộ

xử lý trung tâm có thể hiểu được Những lệnh này được điều chế thành các xung

áp hay dòng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ cấu chấp hành, tạo thành các thao tác của máy Những con số, chữ cái, ký tự trong tập lệnh dùng để biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái của máy có thể hiểu và thao tác trên phôi

Vào năm 1965, hệ thống thay dao tự động được đưa vào sử dụng, năm

1975 thì hệ thống CAD-CAM-CNC ra đời Năm 1984 thì đồ họa máy tính phát triển và được ứng dụng để mô phỏng quá trình gia công trên máy điều khiển số

Năm 1994, Hệ NURBS (Not uniforme rational B-Spline) giao diện phần mềm CAD cho phép mô phỏng được bề mặt nội suy phức tạo trên màn hình, đồng thời nó cho phép tính toán và đưa ra các phương tình toán học mô phỏng các bề mặt phức tạp, từ đó tính toán chính xác đường nội suy với độ min, độ sắc nét cao

Cho đến ngày nay, người ta còn ứng dụng công nghệ nano vào hệ thống điều

khiển cho máy CNC mở ra 1 trang mới trong việc chế tạo máy công cụ

1.2 Những đặc trưng của máy công cụ điều khiển chương trình số

- Tự động cao

- Tốc độ dịch chuyển, tốc độ quay lớn (> 103 vòng/phút)

- Chính xác cao (Sai lệch kích thước gia công đạt tới  m)

- Năng suất gia công cao (gấp 3 lần máy thường)

- Tính linh hoạt cao (thích nghi nhanh với đối tượng gia công thay đổi, thích hợp với sản xuất loại nhỏ)

10

- Tập trung nguyên công cao (gia công nhiều bề mặt chi tiết trong nhiều

bề mặt chi tiết trong một lần gá phôi)

- Chuẩn bị công nghệ để gia công chi tiết có khác với máy thường ở chỗ là phải lập chương trình NC để điều khiển máy theo ngôn ngữ mà hãng chế tạo máu

đã cài đặt cho hệ điều khiển NC và CNC

- Máy gia công CNC có giá trị kinh tế rất lớn nhưng đắt tiền

- Mỗi máy công cụ có đặc điểm là được chế tạo từ một tổ hợp nhiều trục thẳng và quay (Linear and rotate axises) Để có thể điều khiển các trục này bằng

số phải có hai tiền đề sau cho mỗi trục:

- Mỗi trục cần có một hệ thống đo về dịch chuyển điện tử

- Mỗi trục cần có một bộ phát động điều chỉnh và điều khiển được

- Hệ thống đo về dịch chuyển và bộ phát động được nối ăn khớp trực tiếp với hệ điều khiển số

Nhiệm vụ của hệ NC là so sánh các giá trị cần đạt về vị trí đã định trước với các giá trị thực tế về vị trí đo hệ đo về dịch chuyển thông báo và khi có sai lệch giữa hai giá trị này sẽ phát sinh ra một tín hiệu điều chỉnh truyền đạt tới các

bộ phát động của các trục để cân bằng các giá trị đó

Điều khiển theo quỹ đạo liên tục thông báo các giá trị vị trí mới mà các trục điều khiển phải đạt tới, nhờ đó có thể đạt tới những chuyển động liên tục theo quỹ đạo

Trên máy tiện, trục chính của máy cũng được xá lập là trục NC nếu những dụng cụ được phát động để khoan hoặc phay

Phần lớn các trung tâm gia công được trang bị bàn tròn quay điều khiển

NC Bàn tròn quay theo nhịp, ví dụ nhịp quay 4 x 900 hoặc 12 x 300 , không tính vào các trục điều khiển NC

11

Cấu trúc điện tử của các hệ điều khiển CNC ngày nay được thiết lập trên

cơ sở sử dụng các bộ vi sử lý (Microprocessors) 16 và 32 bit và các mạng tích hợp IC (Integrated Circuit)

Máy CNC là máy có khả năng lập trình tự do, nghĩa là các chuyển động theo từng trục được định trước thông qua một chương trình

Những hệ điều khiển số ngày nay được thiết lập trên cơ sở sử dụng máy vi tính, còn gọi là hệ thống điều khiển CNC tức là điều khiển số bằng vi tính

Để nạp và xuất dữ liệu tự động, các hệ điều khiển CNC được trang bị những giao diện khác nhau và mạch hữu hiệu

Hệ điều khiển NC và CNC đều dựa trên nguyên lý chung nên có thể coi như các khái niệm NC và CNC là đồng nghĩa với nhau

CNC là hệ điều khiển số mà mọi chức năng điều khiển được thực hiện bằng một hoặc nhiều máy vi tính tích hợp và một phần mềm phù hợp

Những đặc điểm của máy CNC so với NC:

- Có một hoặc nhiều màn hình, một hoặc nhiều màu sắc

- Phần lớn với đồ hoạ nhiều màu để lập trình và thử nghiệm chương trình

- Có khả năng hiệu chỉnh trong các chương trình được lưu trữ

- Các lượng hiệu chỉnh dụng cụ (lượng bù dao) về chiều dài, đường kính tuổi bền, có thể được lưu trữ

- Có nhiều nhất 5 tới 10 phím mềm với các chức năng thay đổi

- Có thể cắm một hệ phím bấm ASC II tích hợp hoặc tuỳ chọn

- Không có công tắc thập phân và cũng thường không có công tắc xoay

- Thể tích nhỏ hơn và ít phát sinh nhiệt hơn

12

- Có nhiều chức năng mới thường xuyên bổ sung

Các hệ CNC được chế tạo theo môđun có khả năng đáp ứng nhiều chức năng Khách hàng phải kiểm tra xem mình dùng môđun nào cho phù hợp và có hiệu quả nhất

Những hệ CNC có khả năng lập trình tại xưởng có những công cụ trợ giúp

đồ hoạ rất mạnh

Các hệ CNC sử dụng nhiều bộ nhớ đa dạng và hoàn hảo về cấu tạo cho những mục sau:

- Chương trình sản xuất của xí nghiệp

- Các chương trình gia công chi tiết có thể nạp lại tự động

- Các chu trình cố định và thay đổi

- Những chỉ dẫn tích hợp cho người vận hành

- Phần mềm chuẩn đoán và những trợ giúp tìm lỗi

- Những dữ liệu về máy và về xí nghiệp, chỉ dẫn và hiển thị sai số với văn bản rõ ràng

- Quản lý dụng cụ và quản lý bệ (phiến gá)

- Các chuyển dịch điểm không, bù dao, các dữ liệu dụng cụ

Máy NC là những máy gia công tự động và lập trình tự do, đặc biệt phù hợp để

tự động hoá gia công sản phẩm hàng loạt vừa và nhỏ ưu điểm cơ bản của máy

13

NC là khả năng điều chỉnh nhanh để thích nghi với các chu trình gia công thay

đổi mà không cần phải tác động thủ công hoặc thay đổi máy

2 Các khái niệm NC, CNC

NC là gì?

NC (Numerical Cotrol - Điều khiển số) - Đây là máy được điều khiển bằng

kỹ thuật số theo một chương trình lập sẵn, mô tả về hình học và công nghệ quá trình gia công Các thông số về hình học và công nghệ của quá trình gia công được mã hoá dưới dạng số và lưu trong dữ liệu của máy tính

Sự khác nhau lớn nhất của máy NC và CNC là khả năng của bộ điều khiển.Máy NC không có khả năng phân tích, giám sát như máy CNC

CAD/CAM

CAD: (Computer Aided Design) - Là lĩnh vực sử dụng máy tính trợ giúp cho công tác thiết kế, tính toán kỹ thuật Vì thiết kế sản phẩm gán liền với thử nghiệm, mô phỏng hoạt động của chúng, xuất chương trình cho máy NC, nên ngày nay người ta thường dùng thuật ngữ CAE (Computer Aided Engineering)

CAM: (Conputer Aided Manufacturing) - Là lĩnh vực sử dụng máy tính

để tạo chương trình điều khiển hệ thống sản xuất, kể các trực tiếp điều khiển các thiết bị, hệ thống đảm bảo vật tư kỹ thuật cho chúng

CAD/CAM: Đây là lĩnh vực tích hợp các chức năng CAD, CAM

CAP

14

CAP (Computer Aided Planning) hay CAPP (Computer Aided Process Planning) - Là lĩnh vực sử dụng máy tính trợ giúp thiết kế quá trình công nghệ chế tạo sản phẩm (thường gọi là chuẩn bị công nghệ)

CAQ

CAQ (Computer Aided Quality Assurance) - Là lĩnh vực sử dụng máy

tính trợ giúp toàn bộ công tác đảm bảo, quản lý chất lượng sản phẩm

CNC Router

Router CNC được ứng dụng nhiều trong gia công gỗ, công nghiệp khắc dấu,

đồ gỗ nội thất, trang trí, công nghiệp khuôn mẫu…

Loại vật liệu sử dụng chính trong Router CNC là tất cả các loại gỗ tự nhiên và công nghiệp, nhựa, cao su, nhôm tấm, ACM, đá vôi, đá hoa…và các loại vật liệu cứng như thép, đá hoa cương, đồng thau…

Router CNC là chiếc máy được điều khiển bằng máy tính, có khả năng tạo hình với các chuyển động phức tạp 2D, 3D…với một dao cắt quay nhanh với tốc

độ cao Router CNC bao gồm một thân máy, sống trượt, bạc lót, ổ bi đỡ, vitme thường hay vitme bi, stepper motor hay servo motor, stepper motor hay servo motor driver, nguồn Thân máy là một khung để giữ tất cả các bộ phận khác của máy với nhau Router CNC có hai kiểu cấu trúc chính là: C và Gantry- Style

CNC (computer number control), điều khiển số bằng máy tính, gồm một máy tính điều khiển có nhiệm vụ đọc các dữ liệu từ phần mềm và điều khiển một máy công cụ CNC thực hiện công việc nội suy hướng chuyển động theo biên dạng làm việc của dao cắt Các tham số hoạt động của CNC có thể được chỉnh sửa bằng một chương trình phần mềm Router CNC là một phiên bản phát triển của máy phay hoặc của máy tiện hoặc là sự tích hợp của cả hai loại máy đó Kiều kết cấu thường thấy của Router là Gantry-Style Nói cách khác, Router CNC là sự phát triển các hoạt động điều khiển bằng tay thông thường bằng các chuyển động được điều khiển số bằng máy tính với các đặc tính như: vị trí, tốc độ…và một số tham số máy khác

Router CNC không phải là một kiểu máy mới xuất hiện Nó ra đời cùng thời điểm với các máy phay và máy tiện, nhưng nó lại không được sử dụng rộng rãi như những máy khác Ngày nay, Router CNC cũng đang dần phát triển dưới tác động của ngành công nghiệp quảng cáo và trang trí Càng phát triển thì chiếc máy càng được quan tâm tới chất lượng, sự sáng tạo, độ chính xác, tốc độ và thời gian gia công

Router CNC có thể được sử dụng đồng bộ với các công cụ phần mềm đã được phát triển như : CAD/CAM, Rapid Prototyping, Reverse Engineering, CMM, Networking, Simulation, CAE, NC, DNC …

3 Đặc điểm về kết cấu của máy CNC

16

3.1 Đặc điểm chung

Sự thay đổi trong kết cấu chung của máy CNC chủ yếu do sự có mặt của bộ

điềukhiển Một số đặc điểm dễ nhận thấy như sau:

Hệ truyền động cơ khí được chế tạo cứng vững, chính xác, giảm thiểu ma sát Các đường trượt thường được nhiệt luyện, phủ hợp kim giảm ma sát và mài mòn hoặc dùng con lăn Các truyền động vít me thường được dùng vít me - đai

ốc bi để giảm ma sát và triệt tiêu khe hở Hệ thống hộ số, hộp tốc độ gần như không còn vì các động cơ đều được điều khiển vô cấp

Vùng làm việc của máy CNC thường được bao kín để đảm báo an toàn tối đa cho người sử dụng Việc thay dao, thay và kẹp phôi, tải phoi thường được thực hiện tự động

Máy CNC hầu như không còn các tay quay, cần gạt cơ khí vì các chức năng thay đổi chế độ gia công, dịch chuyển bàn máy (hoặc dao) đều được thực hiện tự động hoặc dùng các phím điều khiển, tay quay điện tử

Thay vì kết cấu đúc, hệ thống khung sườn của máy CNC thường có kết cấu khung hàn, cho phép giảm khối lượng, ít bị biến dạng nhiệt mà vẫn cứng vững và

ổn định

Các máy và các trung tâm gia công CNC thường được trang bị các hệ thống thay dao tự động, cấp phôi tự động, tải phoi tự động Vị trí của đài dao thường được chuyển về phía sau máy để thuận tiện cho điều khiển và không cản trở quan sát của công nhân Băng máy tiện thường được đặt nghiêng để thăng độ ổn định,

giảm kích thước chiều ngang và dễ thoát phoi

3.2 Hệ thống điều khiển trục chính

Cũng như trên các máy thông thường trục chính trên máy CNC đảm bảo chuyển động cắt chính Trên máy phay, đó là trục mang dao phay, còn trên máy tiện là trục mang phôi Trên máy mài, trục chính mang đá mài Trục chính tiêu tốn công suất lớn nhất trên máy Vì vậy công suất trục chính thường được dùng làm chỉ tiêu đánh giá công suất gia công của máy

17

Yêu cầu cơ bản đối với trục chính là có khoảng thay đổi số vòng quay rộng, với momen lớn, ổn định và khả năng quá tải cao Để đảm bảo điều đó, trên các máy thông thường người ta hay dùng động cơ xoay chiều không đồng bộ hoặc đồng bộ kèm hộp số cơ khí có cấp và vô cấp

Trên máy CNC, tốc độ trục chính cần được điều khiển vô cấp, tự động theo chương trình, trong phạm vi rộng Điều đó rất cần thiết, nhất là khi thay đổi đường kính dao phay hoặc đường kính phôi tiện mà lại cần duy trì vận tốc cắt không đổi Một số công việc, ví dụ gia công ren bằng đầu ta rô cứng, gia côngren nhiều đầu mối, còn đòi hỏi phải định vị chính xác góc trục chính Từ các yêu cầu trên, người ta sử dụng các loại động cơ dễ điều khiển tự động tốc độ, như động cơ một chiều, xoay chiều đồng bộ Gần đây, nhờ tiến bộ về kỹ thuật điều khiển số, các động cơ không đồng bộ điều khiển bằng biến tần được sử dụng rộng rãi Khi cần định vị góc trục chính, người ta gẵn encoder lên trục động cơ.So với trục chính của máy thông thường, trục chính của

máy CNC làm việc với tốc độ cao hơn (tới hàng vạn v/ph), thường xuyên có gia tốc lớn Vì vậy, yêu cầu cân bằng, bôi trơn đặc biệt cao hơn ở các máy CNC Ngoài ra, do nhu cầu thay dao nhanh, thay dao tự động, kết cấu kẹp dao trên máy phay CNC khác so với máy thông thường Cơ cấu kẹp dao, phôi trên các máy CNC thường được điều khiển tự động bằng khí nén hoặc thuỷ lực

3.3 Hệ thống điều khiển chạy dao

Hệ thống chạy dao đảm bảo chuyển động tạo hình, nên nó quyết định khả

năng công nghệ (tức là kích thước, hình dạng, độ chính xác của bề mặt gia công) của máy Trên thực tế, chuyển động tạo hình có thể do dao hoặc phôi thực hiện, nhưng người ta quy ước trong mọi trường hợp coi bàn máy đứng yên, còn dao chuyển động

So với các hệ thống khác, hệ thống chạy dao của máy CNC có nhiều thay đổi nhất sovới máy thông thường

Sự thay đổi rõ nhất là mỗi trục chạy dao được điều khiển bằng một động cơ

Các máy hiện đại và các trung tâm gia công thường có tới 4, 5, 6 trục điều khiển hoặc hơn Chúng có thể là trục quay hoặc tịnh tiến Theo tiêu chuẩn quốc

tế, người ta đặt tên 3 trục quay quanh các trục X, Y, Z là A, B, C Nếu có các trục

19

tịnh tiến song song với X, Y, Z thì người ta gọi chúng là U, V, W

Để đảm bảo độ chính xác và êm dịu chuyển động, trong các xích truyền động cơ khí của máy CNC đều dùng cơ cấu vít me - đai ốc bi (H3.4)

Một đầu của trục vít me có lắp động cơ truyền động 1 Động cơ thường được lắp trực tiếp hoặc qua bộ truyền đai răng, có khả năng truyền động êm và chống trượt Một đầu của trục có thể (nếu không dùng thước thẳng) được gắn thiết bị đo

vị trí, encoder quay 3 Bàn máy 2 được gắn trên đai ốc 5.Với mục đích khử khe

hở, đảm bảo độ êm dịu chuyển động khi đảo chiều và tăng độ cứng vững của hệ thống, người ta thường tạo sức căng giữa vít me và đai ốc nhờ lực kẹp giữa 2 nửa của đai ốc bi 1 Lực căng và khe hở được hiệu chỉnh nhờ thay đổi chiều dày của vòng cách 2

Kể cả sau khi đã áp dụng các biện pháp trên thì vẫn còn sai số chế tạo cơ khí,

ví dụ sai số bước vít me, hoặc sai số do biến dạng cơ và biến dạng nhiệt khi gia công Phần lớn các bộ điều khiển hiện đại đều có khả năng bù khe hở và sai số cơ khí nói trên Tuy nhiên xác định giá trị các sai số và quy luật thay đổi của chúng

là việc làm phải rất tỷ mỷ và tốn công

Chuyển động của các trục được điều khiển tự động từ chương trình Trên các máy không đòi hỏi độ chính xác cao thường dùng động cơ bước Hệ điều khiển dùng động cơ bước được gọi là hệ điều khiển hở, vì không có mạch phản hồi vị trí Góc quay của động cơ phụ thuộc số xung và tần số phát xung của bộ điều khiển Ưu điểm của hệ điều khiển dùng động cơ bước là đơn giản và rẻ tiền

20

Nhược điểm chính của nó là độ chính xác thấp và công suất nhỏ Công suất truyền động có thể tăng nếu dùng động cơ bước kết hợp với hệ thống thuỷ lực, nhưng độ chính xác thì không thể tăng được Trên các máy CNC công nghiệp thường dùng hệ thống điều khiển kín, nghĩa là phải có hệ thống đo và phản hồi vị trí

Có 2 phương pháp đo, là đo trực tiếp và đo gián tiếp Hình 1.8 là sơ đồ đo

trực tiếp dịch chuyển của bàn máy Thước quang 2 được gắn trực tiếp lên bàn máy và chuyển động theo bàn máy Khi bàn máy chuyển động, thước thường xhận tín hiệu và chuyển về bộ điều khiển để so sánh với giá trịg Đầu thu 1 tiếp

nn sẽ đưa ra lệnh điều khiển cơ cấu chạy dao theo xu hướng giảm sai lệch giữa giá trị thực và giá trị đặt, cho đến khi giá trị sai lệch nằm trong giới hạn c vào Bộ điềuk hiểuyên phát ra tín hiệu về toạ độ thực của bàn máy dưới dạng xun ho phép Phương pháp đo trực tiếp đạt độ chính xác cao vì khử được sai số của xích truyền động cơ khí

Hệ thống đo lường trực tiếp Hệ thống đo gián tiếp

Nếu thiết bị đo không gắn trực tiếp lên đối tượng đo mà qua một khâu truyền động trung gian nào đó thì chúng ta có hệ thống đo gián tiếp Ví dụ, cùng để đo dịch chuyểncủa bàn máy có thể dùng một encoder quay gắn lên đầu trục vít me Chuyển động tịnh tiến của bàn máy 1 được biến thành chuyển động quay của trục vít me 3 (và của đĩa quang 2) qua bộ truyền vít me - đai ốc Góc quay của đĩa 2, đại diện cho chuyển động của bàn máy, được dùng làm tín hiệu phản hồi Phép đo gián tiếp nói trên phạm phải sai số trên khâu trung gian là vít me - đai

ốc

21

Tuỳ theo phương pháp khắc vạch trên đĩa quang, chúng ta phân biệt phương

pháp đo tuyệt đối và phương pháp đo theo gia số Thước đo tuyệt đối được khắc

theo mã nhị phân Mỗi điểm trên thước mang một mã riêng, tương ứng với khoảng cách từ điểm đó đến gốc M Sensor thu chỉ cần nhận được mã tại vị trí của bàn máy là biết ngay toạ độ thực của nó

Trên thước đo theo gia số chỉ khắc các vạch đơn giản, tạo thành các vùng sáng và tối xen kẽ nhau Khoảng dịch chuyển của bàn máy từ điểm xuất phát 2 đến điểm đích 3 được đánh giá bằng số khoảng sáng - tối trong đó Vị trí của điểm 2 lại được xác định bằng khoảng cách đến một điểm do nhà chế tạo máy

công cụ quy định, gọi là điểm gốc (Reference Point) Như vậy, trong trường hợp

đo tuyệt đối bộ điều khiển luôn luôn nhận được mã vị trí của bàn máy, còn khi đo theo gia số thì nó nhận được số xung phát ra khi bàn máy dịch chuyển khỏi điểm xuất phát Điểm Reference đóng vai trò như cột cây số trên đường, nếu không có

nó thì bộ điều khiển không thể biết được bàn máy đang ở đâu Chính vì vậy mà trước khi điều khiển máy, bộ điều khiển luôn luôn nhắc người dùng chạy bàn

máy về điểm Reference Đó cũng là động tác bắt buộc sau khi bộ điều khiển bị

tắt do mất điện hoặc dừng máy sự cố

Trên các thước đo theo gia số hiện nay không chỉ có 1 mà nhiều điểm

Sơ đồ khắc vạch trên thước đo tuyệt

đối

Sơ đồ khắc vạch trên thước đo theo

gia số

22

Reference Ví dụ, trên thước do hãng Heidenhain (Đức) sản xuất, cứ khoảng 20

mm là có một vạch Reference Điều đó giảm được quãng đường và thời gian chờ

quy không vị trí bàn máy

Toàn bộ những điều nói trên về thước thẳng cũng đúng cho thước quay

3.4 Thiết bị gỏ kẹp

Về cơ bản, cơ cấu kẹp chi tiết trên máy CNC không khác với trên máy thông thường

Một số điểm khác có thể có do các nguyên nhân:

Máy CNC làm việc ở tốc độ cao, gia tốc góc lớn Vì vậy độ cân bằng động phải rất cao để giảm lực ly tâm cũng như rung động Hệ thống ổ và bôi trơn cũng phải có khả năng làm việc ở tốc độ cao

Hệ thống kẹp phải có khả năng được điều khiển tự động Ví dụ, trên các máy CNC, hệ thống kẹp tự động dùng điện cơ, thuỷ lực, khí nén tác động nhanh

từ chương trình hoặc từ robot hay được dùng

Thường cơ cấu kẹp phôi được nối ghép và làm việc với cơ cấu cấp phôi tự động

3.5 Hệ thống thay dao

Nhiệm vụ của hệ thống thay dao là cất trữ được một số lượng dao cần thiết

và đưa nhanh mỗi dao vào vị trí làm việc khi có yêu cầu Các máy CNC hiện đại

thường đượctrang bị hệ thống thay dao tự động theo chương trình (Automatic

Tool Changer - ATC)

Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống thay dao là:độ cứng vững của dao ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất và chất lượng gia công

Quản lý và thay đổi chính xác dụng cụ theo chương trình Mỗi dụng cụ đều

có các đặc trưng hình học và cơ học riêng Nếu hệ thống lắp nhầm dụng cụ thì không chỉ ảnh hưởng đến năng suất, chất lượng gia công mà còn gây nguy hiểm Trên máy CNC, mỗi dụng cụ được đặc trưng bởi một mã riêng Mã đó cùng với

23

các thông số bù dao được lưu trữ trong một CSDL đặc biệt Bình thường các dao được lắp sẵn trên đài dao, tại một vị trí xác định Khi dao được đưa vào vị trí làm việc thì bộ điều khiển phải tham chiếu đến dữ liệu của nó để tính toán lượng bù

Hỡnh dưới bờn trỏi là dạng và các thông số hình học chính của dao phay

Vị trí của dao được bộ điều khiển xác định qua toạ độ điểm B, nằm trên mặt đầu của trục gá dao và đường tâm lỗ gá Chiều dài dao L và bán kính dao R xác định

vị trí của các lưỡi cắt, được gọi là thông số bù dao Tuỳ theo dao to hay nhỏ, dài hay ngắn mà bộ điều khiển tính toán để đảm bảo kích thước gia công

Thông số bù của dao phay Thông số bù của dao tiện

Tương tự như vậy, kết cấu và các thông số bù dao tiện được biểu diễn trong hỡnh bờn phải Chúng gồm khoảng cách từ mũi dao đến điểm gốc tính theo hai phương X, Z và bán kính mũi dao Chi tiết về nguyên tắc bù dao sẽ được trình bày ở chương sau

Yêu cầu thứ hai của hệ thống thay dao là thay nhanh để giảm thời gian chờ.Thường dao được cất giữ dưới 2 dạng: đầu quay dạng đĩa (như đài revolver)

và kho chứa(gọi là Tool Magazine)

Đài revolver có dạng đĩa hay được dùng trên máy tiện, nhưng đôi khi cũngdùng cho máy phay Các dao được lắp trên mặt ngoài hoặc trên mặt đầu của đĩa quay Đĩa có động cơ truyền động riêng, được điều khiển theo chương trình Khi một dao nào đó được gọi theo lệnh trong chương trình thì đài sẽ quay cho đến khi dao đó ở vị trí chờ gia công Thường thời gian thay dao chỉ tính bằng

Khi dùng kho chứa, để thay dao cần có tay gắp có 2 càng gắp Khi có lệnh thay dao, hệ thống làm việc theo trình tự sau:

- Chuyển dao cần lắp trên kho đến vị trí thay;

- Di chuyển trục chính đến vị trí tương ứng, chờ thay dao;

- Quay tay gắp đối diện với dao cũ trên trục chính và dao mới trên kho;

- Chuyển động dọc trục để rút dao cũ khỏi trục chính và dao mới khỏi kho chứa;

25

- Quay 180o để đổi chỗ 2 dao;

- Đặt các dao vào vị trí mới trên trục và trên kho chứa;

- Chuyển động về vị trí chờ

Thường thời gia thay dao kéo dài khoảng vài giây Trên các máy hiện đại

và số dao ít, thời gian thay dao chỉ cỡ 0,1 giây

3.6 Nguyên tắc điều khiển

Về thực chất thì các máy điều khiển theo chương trình số có nguyên lý chuyển động tạo hình cơ bản không khác gì với máy công cụ truyền thống, có nghĩa là về mặt thuật ngữ nó cugnx mang tên như máy công cụ thông thường, nhưng đã được mã số hóa và tin học hóa để có thể điều khiển các chuyển động coogn tác của máy bằng các lệnh được đưa vào hệ thống CNC Tùy theo yêu cầu của từng loại máy và từng loại cơ cấu điều khiển, hệ điều khiển mà có thể phân thành 3 loại cơ bản: điều khiển điểm-điểm, điều khiển đoạn thẳng và điều khiển đường (tuyến tính hoặc phi tuyến tính) Tất nhiên các máy điều khiển đường đều

có thể điều khiển điểm-điểm và đoạn thẳng

a, Điều khiển điểm-điểm:

26

Với các loại máy này, trogn quá trình gia công, người ta cho định vị

nhanh dụng cụ đến tọa độ yêu cầu và trong quá trình dịch chuyển nhanh dụng cụ, máy không thực hiện việc cắt gọt Chỉ đến khi đạt được vị trí yêu cầu nó mới thực hiện các chuyển động cắt gọt, ví dụ như: khoan lỗ, khoét, doa hoặc hàn điểm hay sử dụng trên các máy đột dập…

Ví dụ khi gia công 2 lỗ A và B có tọa độ A(xA,yA) B(xB,yB) trong hệ tọa

độ oxy như hình vẽ trên Chúng ta có thể điều khiển theo cách sau: Trước hết điều khiển dụng cụ dịch chuyển nhanh đén điểm A Sau đó thực hiện gia coogn

lỗ A Tiếp theo thoát dụng cụ ra khỏi lỗ đã gia công (để đảm bảo an toàn cho việc thực hiện dịch chuyển dụng cụ) và di chuyển dụng cụ sang điểm B để gia công lỗ B Quá trình dịch chuyển dụng cụ có thể theo các điểm A-A’-C-B hoặc A-C-B

b, Điều khiển đoạn thẳng:

Ngoài chức năng dịch chuyển nhanh theo các trục tọa độ như ở điểm điều khiển điểm, còn có thể thực hiện việc gia công trong quá trình dịch chuyển theo các trục này Điều đó có nghĩa là dụng cụ sẽ thực hiện chuyển động cắt gọt trong quá trình dịch chuyển song song theo các trục tọa độ

c, Điều khiển đường:

27

Ngoài chức năng điều khiển điểm và điều khiển đoạn thẳng như trên, ở điều khiển đường còn có thể điều khiển được dụng cụ chuyển động theo các đường bất kỳ trong mặt phẳng hoặc trogn không gian có thực hiện gia coogn cắt gọt Tùy thuộc vào đường được điều khiển là mặt phẳng hay không gian mà người

ta có thể bố trí số trục được điều khiển đồng thời là khác nhau Từ đó cũng xuất hiện thuật ngữ mát 2 trục, 3,4,5 trục (tức là số trục được điều khiển đồng thời theo quan hệ ràng buộc) Để chuẩn hóa việc sử dụng thuật ngữ, người ta thường sử dụng thuật ngữ máy điều khiển 2D, 2D1/2, 3D, 4D, 5D (D: Dimension)

- Điều khiển 2D: Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong 1 mặt phẳng nhất định nào đó Thí dụ trên máy phay đứng dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng oxy để tọa nên các đường rãnh hay các mặt bậc có biên dạng bất kỳ

- Điều khiển 3D: Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong 3 mặt phẳng đồng thời để tạo nên đường cong hay một mặt cong trogn không gian bất kỳ Điều này cugnx tương ứng với quá trình điều khiển đồng thời cả 3 trục của máy theo một

hệ ràng buộc nào đótại từng thwoif điểm để tạo nên vết quỹ đạo của dụng cụ yêu cầu

- Điều khiển 2D1/2: Cho phép dịch chuyển dụng cụ theo 2 trục đồng thời

để tạo nên 1 đường cong phẳng, còn trục thứ 3 được điều khiển độc lập Điều khác biệt ở trường hợp này so với điều khiển 2D là ở chỗ 2 trục được điều khiển

bề mặt có trục quay có thể được thực hiện dễ dàng hơn so với khi gia công trên máy 3D Mặt khác vì lý do coongn ghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt khác nhau sẽ có những điểm có tốc độ cắt không bằng nhau hay lưỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện được việc gia công theo mong muốn Tóm lại tùy thuocj vào yêu cầu bề mặt gia công

cụ thể mà có thể lựa chon máy cho thích hợp vì máy càng phức tạp thì giá thành lại càng cao và cần nhiều công cụ hỗ trợ khác như: các phần mềm lập trình, dụng

cụ chuyên dụng… Hơn thế nữa, máy càng phức tạp thì tính an toàn trong quá trình vận hành máy càng thấp (dễ bi va đập, xô máy…) Chính vì thế để sử dụng các máy này người sử dụng phải thành thạo điều khiển 2D và 3D

3.7 Vai trò ứng dụng và lợi ích trong sản xuất công nghiệp

Ta cú thể thấy được khả năng và vai trò của CNC đối với nhiều ứng dụng quan trọng của thực tiễn công nghiệp Điều cũng rất dễ dàng thấy là các ứng dụng đó vô cùng đa dạng, thậm chí rất khác nhau

a, Vai trò của máy CNC trong sản xuất công nghiệp

Máy công cụ CNC là bước phát triển lớn trong lĩnh vực tụ động hoá ngành chế tạo máy, nó tạo ra những khả năng đặc biệt và có những ưu điểu vượt trội so với máy công cụ vạn năng thông thường Máy cho phép cắt với tốc độ cao, chính xác, linh hoạt, giảm thời gian phụ tới mức tối đa do tính năng tự động, vì vậy máy CNC đạt năng suất rất cao Chính vì vậy nó giữ một vai trò vô cùng quan trọng trong sản suất công nghiệp

29

b, Ứng dụng máy CNC trong sản xuất công nghiệp

Xuất phát từ các ứng dụng ban đầu của công nghệ chế tạo máy, chủ yếu là công nghệ cắt gọt kim loại, hiện tại CNC được dùng trong nhiều loại máy thuộc các lĩnh vực khác nhau: trải dài từ chế tạo máy tới nghành dệt may, điều khiển robot hay chế tạo thiết bị điện tử Bao gồm các loại máy cơ bản

Ưu điểm của máy CNC

- Năng suất lao động cao

-Chất lượng sản phẩm ổn định

-Chế tạo sản phẩm cú tinh phức tạp và tinh tế

-Dựng trong những nơi độc hai thay thế con người

-Cú thể gia cụng được những sản phẩm rất nhỏ với độ chớnh xỏc cao

Tự động hoá quá trình sản xuất

Mỏy CNC không chỉ quan trọng trong ngành cơ khí mà cũn trong nhiều ngành khỏc như may mặc, giày dép, điện tử v.v Bất cứ máy CNC nào cũng cải thiện trỡnh độ tự động hóa của doanh nghiệp: người vận hành ít, thậm chỉ không cũn phải can thiệp vào hoạt động của máy Sau khi nạp chương trình gia công, nhiều máy CNC có thể tự động chạy liên tục cho tới khi kết thúc, và như vậy giải phóng nhân lực cho công việc khác Thứ nữa, ít xảy ra hỏng hóc do lỗi vận hành, thời gian gia công được dự báo chính xác, người vận hành không đòi hỏi phải có

kỹ năng thao tác (chân tay) cao như điều khiển máy công cụ truyền thống

c, Độ chính xác và lặp lại cao của sản phẩm

Các máy CNC thế hệ mới cho phép gia công các sản phẩm có độ chính xác và

độ phức tạp cao mà máy công cụ truyền thống không thể làm được Một khi chương trình gia công đã được kiểm tra và hiệu chỉnh, máy CNC sẽ đảm bảo cho

“ra lò” hàng loạt sản phẩm phẩm với chất lượng đồng nhất Đây là yếu tố vô cùng quan trọng trong sản xuất công nghiệp quy mô lớn

30

d, Tính linh hoạt

Máy CNC hơn hẳn máy thông thường ở tính linh hoạt Điều đó biểu hiện ở hai khía cạnh Thứ nhất, trên một máy CNC có thể thực hiện nhiều chức năng công nghệ khác nhau và việc chuyển đổi giữa các chức năng rất dễ dàng Ví dụ, trên máy phay CNC có thể thực hiện các nguyên công khoan, khoét, doa, gia công mặt phẳng, định hình, răng, ren, gia công các rãnh, hốc phức tạp như hốc tròn, chữ nhật, elip, Các mặt cong không gian, như mặt cầu, mặt xoắn ốc, cũng có thể gia công trên máy phay 3 trục Các máy phay 4-5 trục cải thiện đáng

kể năng suất và chất lượng gia công ren với bước thay đổi, ren trên mặt côn Điều quan trọng là các mặt cong định hình có thể gia công trên máy CNC một cách dễ dàng, dùng đồ gá và dao thông thường chứ không cần đồ gá và dao chuyên dùng Trên các trung tâm gia công có thể thực hiện cáccông việc phay, khoan, doa, tiện, mài, đồng thời.Chính vì vậy mà máy CNC có khả năng tập trung nguyên công cao để gia công các chi tiết phức tạp Biểu hiện thứ hai của tính linh hoạt là việc thay đổi đối tượng gia công trên máy CNC rất dễ dàng, gần như chỉ thay đổi chương trình chứ không cần thay đồ gá, dao cụ phiền phức như trên máy thôngthường Nhờ có khả năng thích ứng linh hoạt với đối tượng gia công mà máy CNC là thiết bị cơ bản của các hệ thống sản xuất linh hoạt

Nhờ tính linh hoạt cao của mình mà máy CNC được sử dụng phổ biến không chỉ trên các dây chuyền, trong các tế bào sản xuất tự động mà còn được sử dụng riêng lẻ trong loại hình sản xuất đơn chiếc, loạt nhỏ, thậm chí cả chế thử

Chế tạo một chi tiết mới trên máy CNC đồng nghĩa với nạp cho máy một chương trỡnh gia cụng mới Được kết nối với các phần mềm CAD/CAM, công nghệ CNC trở nên vô cùng linh hoạt giúp các doanh nghiệp thích ứng với các thay đổi nhanh chóng và liên tục về mẫu mó và chủng loại sản phẩm của khỏch hàng

31

Chương II Cơ sở lý thuyết của phương pháp

phần tử hữu hạn

1 Các phương pháp tính sức bền trong cơ học

a, Phương pháp nhân b i ể u đồ Veresaghin kết hợp với phương trình

vi phân đường đàn hồi

Thành lập công thức: Dựa theo công thức tích phân Mor, ta có nhận xét như sau:

- Mô men uốn do tải trọng gây ra Mx là hàm số bất kì f(z)

- Mô men uốn Mk do lực đơn vị gây ra là hàm số bậc nhất ta có thể phân tích là:

Thay vào ta được: I = a zc + b = (a.zc + b) = ηc

* Phép nhân biểu đồ:

32

- Vẽ biểu đồ mô men uốn do tải trọng gây nên, ta được biểu đồ mô men được ký hiệu là MP Giả sử ta tính được diện tích của biểu đồ MP là  và trọng tâm C của biểu đồ

- Tại điểm cần tính chuyển vị ta đặt 1 lực đơn vị (Pk=1) và vẽ biểu đồ mô men do lực đơn vị đó gây nên Ta được biểu đồ Mk gọi là biểu đồ đơn vị Gióng từ trọng tâm C của biểu đồ MP xuống biểu đồ Mk ta được tung độ tương ứng là

Khi đó chuyển vị của điểm K được xác định như sau:

Fk = (Mp).(Mk) = Ω.η

Ta có quy tắc nhân biểu đồ sau: Lấy diện tích của biểu đồ Mp nhân với tung

độ tương ứng với trọng tâm của biểu đồ Mp lấy trên biểu đồ Mk

b, Phương pháp sử dụng các phương trình vi phân : phức tạp, độ chính xác

tương đối cao nhưng việc xác định kết quả của bài toán tại các điểm khác nhau trên chi tiết là rất khó khăn và phức tạp

c, Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM – Finite Element Method) là một phương pháp số, dùng để giải các bài toán cơ học Tư tưởng của phương pháp này là chia phần tử ra thành một tập hợp hữu hạn các miền con liền nhau nhưng không liên kết hoàn toàn với nhau trên khắp từng mặt biên của chúng Trường chuyển vị ứng, ứng suất, biến dạng được xác định trong từng miền con Mỗi miền con được gọi là một phần tử hữu hạn Dạng phần tử có thể là thanh, thanh dầm, tấm, vỏ, khối Các phần tử được kết nối với nhau thông qua các nút, nút được đánh số theo thứ tự từ 1 đến n (n số nút của phần tử)

33

Là phương pháp cho độchính xác cao và kiểm tra kết quả rất thuận tiện Ngày nay duới sự trợ giúp của máy vi tính nên phương pháp này đã và đang được ứng dụng mạnh mẽ

Phương pháp này xây dựng công thức dựa trên cơ sở hai phương pháp: phương pháp b i ế n phân (phương pháp Rayleigh –Ritz) và phương pháp

weighted residuals (phương pháp Galerkin) Các phương trình cơ bản đều được

suy ra từ các phương trình cân bằng tĩnh học bởi các giá trị đặc trưng của điều kiện biên

Quá trình xây dựng các phương trình cân bằng của phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên phương pháp Galerkin:

Trước hết ta chia đoạn [a,b] thành n miền con (hình trên) Các miền con này được gọi là các phần tử trong phương pháp phần tử hữu hạn (FEM)

Quá trình phân chia các miền và nội suy các hàm quan hệ

Giả thiết rằng, ta có thể tính toán xấp xỉ u của chuyển vị u thông qua

phương trình các miền nhỏ có dạng là các đoạn thẳng trong miền con

Trong đó:

ui – giá trị u của phần tử thứ i

xi - toạ độ của điểm nút thứ i (i = 1, , e-1, e, , n, n+1)

là giá trị của hàm quan hệ tại nút ie (ie = 1e, 2e)

ξ là gia số của 1 điểm tùy ý trên phần tử đang xét, ξ = x – xe = x – x1e (

≥ ξ ≥ 0)

chiều dài của phần tử đang xét, = x1e - xe = x2e - x1e Các hàm quan hệ thường được sử dụng là hàm bậc nhất hoặc hàm bậc hai

Nói chung, hàm bậc hai cho lời giải tốt hơn hàm bậc nhất

Phương pháp Galerkin đưa ra cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn thông qua hàm trọng số wi(x) bằng với hàm quan hệ Ni(x)

wi(x) = Ni(x) (i= 1,2,….,n+1)

Phương trình Galerkin:

Trong FEM, toàn bộ các phương trình đại số có các ẩn số là u(x) tại nút ui

và các vi phân du/dx, (dx/di)i được suy ra từ phương trình tích phân trên thông qua các điều kiện biên tại các nút Dưới sự trợ giúp của máy tính thì việc giải các phương trình trên tại tất cả các nút để từ đó đưa ra giá trị của ui và dx/di là rất nhanh và dễ dàng

35

+ Biến dạng phẳng (hai chiều) trong FEM

Nhìn chung, giá trị biến dạng được xác định nhờ giải các phương trình

vi phân riêng thông qua phương trình cân bằng quan hệ ứng suất - biến dạng hoặc các phương trình liên kết (quan hệ biến dạng - chuyển vị) và các phương trình quan hệ thông qua các điều kiện biên Các lời giải chính xác chỉ có thể nhận được trong các bài toán kết cấu tĩnh và nói chung không thể nhận được lời giải trong các kết cấu kín Để khắc phục các khó khăn này, phương pháp FEM đã đưa ra cách giải bằng phương pháp số hoá rất mạnh cho lời giải gần đúng nhận được với biến dạng nhận được rất đa dạng Phương pháp FEM giả thiết phân tích chi tiết thành các miền có hình dạng và kích thước khác nhau (phần tử), các phương trình gần đúng khác nhau tạo lập bởi các phương trình đại

số và số hoá quá trình tính toán các biến dạng Các phần tử có dạng: đoạn thẳng (có một kích thước); tam giác và chữ nhật (hai kích thước); khối tứ diện, khối hộp và khối lăng trụ (có 3 kích thước)

+ Phương pháp FEM trong phân tích biến dạng phẳng

Bước 1: Phân tích đối tượng thành các phần tử

Bước 2: Xác định kiểu phần tử hoặc các hàm quan hệ, xác định gần đúng hàm quan hệ chuyển vị và biến dạng trong các phần tử

Bước 3: Xác định ma trận độ cứng, xây dựng mối quan hệ giữa lực và chuyển vị trong mỗi phẩn tử

Bước 4: Xây dựng ma trận độ cứng chung, xác định quan hệ giữa chuyển vị và lực trên toàn vật thể

Bước 5: Đưa các điều kiện biên (tải trọng, chuyển vị) vào ma trận độ cứng chung

Bước 6: Giải phương trình quan hệ (bước 5)

Bước 7: Xác định giá trị ứng suất và biến dạng

36

+ Khảo sát mối quan hệ của ứng suất, biến dạng và chuyển vị trong biến dạng phẳng

- Phương trình cân bằng

Xét sự cân bằng của của một phân tố diện tích chữ nhật trong một vật thể trên

hệ toạ độ vuông góc với biến dạng hình 2.1 Phân tố chịu tác dụng của hai lực lần lượt theo hai phương x và y, phương trình cân bằng biến dạng

Trạng thái ứng suất và biến dạng của phân tố diện tích phẳng trong hệ xoy

37

Trong đó:

εx - biến dạng pháp tuyến theo phương x εy - biến dạng pháp tuyến theo phương

y γxy - biến dạng góc trên mặt phẳng x-y

u, v - chuyển vị theo hai phương của trục x và y

- Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng

Theo định luật hook ta xây dựng được công thức quan hệ như sau:

Hoặc

E - mô đun đàn hồi dọc

E’ = , v’ = Ứng suất phẳng, biến dạng phẳng

Thay vào trên ta có: