Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)

Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas Oxy điều khiển số (LV thạc sĩ)

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

******&******

TRƯƠNG VĂN HÙNG

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY CẮT GAS – OXY

ĐIỀU KHIỂN SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ

Trang 2

Thái Nguyên, 04/2016

Trang 3

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

******&******

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: T.S PHẠM THÀNH LONG

Trang 4

Trang 5

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

******&******

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƯỞNG KHOA

PGS.TS NGUYỄN VĂN DỰ TS PHẠM THÀNH LONG

PHÒNG ĐÀO TẠO

Trang 6

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trương Văn Hùng

Học viên: Lớp Cao học K16

Đơn vị công tác: Trường cao đẳng nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc

Tên đề tài: Thiết kế, chế tạo máy cắt Gas – Oxy điều khiển số

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã số:

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các ý tưởng, thiết kế, chế tạo cũng như các số liệu là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công

bố trong bất kỳ một công trình nào khác

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2016

Học viên:

Trương Văn Hùng

Trang 8

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đề tài, tác giả đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ từ phía nhà trường, các thấy cô giáo trong Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp – Đại học Thái Nguyên

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, phòng Đào tạo, các thầy cô giáo tham gia giảng dạy đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành chương trình học và hoàn thiện luận văn này

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến thầy giáo PGS.TS Phạm Thành Long đã định hướng, theo dõi và truyền đạt kiến thức để tác giả có thể hoàn thành được luận văn này

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn lãnh đạo trường Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc đã tạo mọi điều kiện cho tác giả được đi học nâng cao trình độ; xin cảm ơn bạn cùng lớp Trần Nam Thắng, xin cảm ơn tập giáo viên khoa Công nghệ Hàn trường CĐN KTCN Việt Nam – Hàn Quốc đã giúp đỡ tác giả tháo gỡ những khó khăn trong khi làm luận văn

Mặc dù đã rất cố gắng song do kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên đề tài chắc chắn còn nhiều thiếu sót và cần bổ sung Do vậy, kính mong quý thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè cùng đóng góp để tác giả hoàn thiện kiến thức và ứng dụng các kiến thức học được vào trong thực tế

Tác giả xin chân thành cảm ơn!

Trang 9

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

Trang 10

MỤC LỤC

Lời cam đoan ……… ……… ………i

Lời cảm ơn ……….….……… ii

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn………iii

Mục lục ……… …….…….iv

Danh mục các từ viết tắt, thuật ngữ ……….…………vii

Danh mục các bảng biểu ……… vii

Danh mục hình vẽ ……… viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT BẰNG NHIỆT 1

1.1 Các nguồn nhiệt cắt, vai trò của cắt nhiệt trong công nghiệp 1

1.1.1 Tổng quan về nhu cầu thép tấm trong công nghiệp 1

1.1.2 Một số phương pháp cắt nhiệt 3

1.2 Yêu cầu kỹ thuật với sản phẩm sau cắt nhiệt 4

1.3 So sánh năng lực các phương pháp cắt nhiệt 6

1.4 Lý do chọn đề tài 7

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC MÁY 10

2.1 Bài toán động học robot 10

2.1.1 Chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian 10

2.1.2 Lựa chọn các khớp của máy 12

2.1.3 Phương trình động học robot 3 khâu (Bài toán thuận): 14

2.1.4 Giải bài toán động học bằng phương pháp số 16

2.1.5 Xác định sai số định trước (bài toán ngược) 19

2.1.6 Kích thước máy 21

Trang 11

2.1.7 Đặc tính lực 21

2.2 Xây dựng kiến trúc chức năng máy 21

2.2.1 Kiến trúc cơ - điện 21

2.3 Một vài dạng nội suy bậc cao cơ bản 26

2.3.1 Khái niệm, nhiệm vụ của bộ nội suy 26

2.3.2 Một số dạng nội suy 29

2.4 Kết luận 35

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG CHO TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ 36

3.1 Điều khiển trục x 36

3.1.1 Tính toán tần số đáp ứng 36

3.1.2 Điều khiển trục Y 37

3.1.3 Điều khiển trục Z 38

3.2 Liên kết ngoại vi của máy 38

3.2.1 Giới thiệu về cổng LPT 38

3.2.2 Cấu trúc cổng LPT( cổng song song) 39

3.3 Kết luận 46

CHƯƠNG 4: ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH MÁY 47

4.1 Điều khiển và điều chỉnh nguồn năng lượng nhiệt 47

4.2 Điều khiển quỹ đạo mỏ cắt 48

4.2.1 Khả năng kết nối ngoại vi 48

4.2.2 Liên kết CAD-CAM 48

4.2.3 Điều khiển quỹ đạo cắt 49

4.3 Tối ưu hóa sắp xếp 51

4.3.1 Đặt vấn đề 51

Trang 12

4.3.2 Cơ sở toán học của bài toán sắp xếp 54

4.3.3 Ví dụ: 58

4.4 Kết luận 59

CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM ĐÁNH GIÁ MÁY 61

5.1 Đánh giá về năng suất 61

5.1.1 So sánh với một số máy CNC trên thị trường 61

5.1.2 So sánh với thợ bậc cao 61

5.2 Đánh giá chấtlượng sản phẩm 62

5.2.1 Đánh giá độ chính xác 62

5.2.2 Kích thước góc 65

5.2.3 Chất lượng bề mặt cắt 67

5.2.4 Mức độ an toàn 69

5.3 Đánh giá sai số khi không gắn đầu bép cắt 69

5.4 Kết luận 70

5.5 Kiến nghị 71

Trang 13

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, KÝ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

TT Kí hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ Đơn vị

1 CAD Computer Adids Design

2 CAM Computer Adids Manufacturing

3 CLU Control Loop Unit

4 CNC Computer Numerical Control

5 DDA Digital Diffrencetial Analyzer

2 Bảng 1.2 So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma 06

3 Bảng 3.1 Danh mục kết nối boar mạch đệm mach3 với các tín

4 Bảng 3.2 Ký hiệu chức năng công CN1 41

5 Bảng 4.1 Thông số cắt bằng Gas – Oxy 44

Trang 14

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sản phẩm thép tấm trong nghành điện 2

Hình 1.2 Sản phẩm thép tấm trong xây 2

Hình 1.3 Một số sản phẩm được chế tạo từ thép tấm 3

Hình 1.4 Ghép ống bằng mối hàn 8

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống công nghệ và sơ đồ chuyển đổi tọa độ giữa các điểm trong không gian 11

Hình 2.2 Vùng không gian làm việc của tay máy 13

Hình 2.3 Mô hình hóa bàn máy thành Robot 3 khâu (TTT) 14

Hình 2.4 Kết quả sử dụng hàm Solver trên Excel 19

Hình 2.5 Xê dịch trong phạm vi cho phép của đầu bép cắt 20

Hình 2.6 Trích kết quả sau khi sử dụng hàm Solver trên Excel 21

Hình 2.7 Sơ đồ kết cấu điện cơ khí trục Z 22

Hình 2.8 Kiến trúc cơ khí trục X, Y 24

Hình 2.9 Kiến trúc cơ điện trục X 24

Hình 2.10 Kiến trúc cơ điện trục Y 25

Hình 2.11 Nội suy trong chuyển động phi tuyến 27

Hình 2.12 Nội suy tuyến tính theo phương pháp DDA 29

Hình 2.13 Sơ đồ khối phương pháp nội suy theo phương pháp DDA[4] 31

Hình 2.14 Nội suy tuyến tính của chi tiết 32

Hình 2.15.Nội suy vòng 33

Hình 3.1 Cơ cấu truyền động trục x 37

Hình 3.2 Mối tương quan tần số phát xung và thời gian 37

Trang 15

Hình 3.3 Hệ thống điều khiển trục Z 38

Hình 3.4 Sơ đồ chức năng từng chân của cổng máy in (LPT) 40

Hình 3.5 Sơ đồ điều khiển động cơ servo 43

Hình 3.6 Sơ đồ kết nối CN1 trên Driver động cơ Mishubishi MR C20A [7] 44

Hình 3.7 Sơ đồ khối vị trí Boar mạch đệm 44

Hình 3.8 Boar mạch đệm mach3 thực tế 45

Bảng 4.1 Thông số cắt bằng Gas – Oxy [6] 47

Hình 4.1 Sơ đồ khối điều khiển tín hiệu 49

Hình 4.2 Sắp xếp chi tiết theo 1 hàng một hướng 52

Hình 4.3 Sắp xếp đảo đầu 52

Hình 4.4 Sắp xếp theo hai hàng hai hướng 53

Hình 4.5 Sắp xếp các chi tiết trên giải cắt 54

Hình 4.6 Dịch chuyển đi 1 khoảng cách và xoay đi một góc 56

Hình 4.7 Chi tiết cần gia công 58

Hình 4.8 Sắp xếp chi tiết trên tấm thép 1200x2500x10 59

Hình 4.9 Sắp xếp chi tiết trên tấm thép 1200x1000x10 mm 59

Hình 5.1 Tham chiếu các đặc tính của máy đã chế tạo với máy trên thị trường 61

Hình 5.2 Kích thước vật cần gia công 62

Hình 5.3 Đo kích thước dài 1 63

Hình 5.4 Đo kích thước dài 2 63

Hình 5.4a Kích thước khi cắt cung tròn 64

Hình 5.4b Kích thước khi cắt cung tròn 64

Hình 5.4c Kích thước khi cắt cung tròn 65

Trang 16

Hình 5.5a Cắt góc 900 66

Hình 5.5b Cắt góc lớn hơn 900 66

Hình 5.5c Cắt góc nhỏ hơn 900 67

Hình 5.6a Cắt đường thẳng với vận tốc cắt hợp lý 67

Hình 5.6b Cắt đường thẳng với vận tốc cắt nhanh 67

Hình 5.7a Bề mặt cắt cung tròn lồi 68

Hình 5.7b Bề mặt cắt cung tròn lõm 68

Hình 5.8a Bề mặt tại giao tuyến góc 900 68

Hình 5.8b Bề mặt tại giao tuyến góc 900 68

Hình 5.9 Thiết bị an toàn trên đầu cắt 69

Hình 5.10 Khảo sát độ chính xác của bàn máy 70

Trang 17

Trang 18

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẮT BẰNG NHIỆT 1.1 Các nguồn nhiệt cắt, vai trò của cắt nhiệt trong công nghiệp

1.1.1 Tổng quan về nhu cầu thép tấm trong công nghiệp

Ngày nay khi nhu cầu về đời sống của con người càng được nâng cao thì nền kinh tế cần phải kịp thời đáp ứng đầy đủ những nhu cầu đó Trong đó ngành công nghiệp, mà đặc biệt là công nghiệp cơ khí nắm vai trò chủ yếu trong việc tạo ra sản phẩm Ở một khía cạnh khác, thì ngành công nghiệp tạo phôi lại đóng một vai trò chủ chốt, là khâu cơ bản đầu tiên trong quy trình sản xuất cơ khí Hơn nữa, một số phương pháp tạo phôi như cán, kéo, cắt kim loại là không thể thiếu góp phần tạo

ra các sản phẩm, vật dụng cho các ngành công nghiệp khác như: Công nghiệp hàng không, công nghiệp điện, công nghiệp ôtô, đóng tàu thuyền, xây dựng, nông nghiệp

Thép tấm hầu như được sử dụng rất nhiều trong các nghành công nghiệp kể trên Thép tấm được tạo thành từ quá trình cán kim loại, kim loại bị biến dạng giữa

2 trục cán quay ngược chiều nhau, có khe hở giữa 2 trục cán nhỏ hơn chiều dày của phôi ban đầu Kết quả làm chiều dày phôi giảm, chiều dài và chiều rộng tăng lên, tạo thành dạng tấm hay còn gọi là thép tấm

Cán thép tấm có thể tiến hành ở trạng thái nóng hoặc trạng thái nguội, ở mỗi loại có các ưu điểm và nhược điểm khác nhau Cán ở trạng thái nóng cho ra những sản phẩm có độ dày từ 1,5mm đến 60mm, còn ở trạng thái nguội cho ra sản phẩm mỏng và cực mỏng độ dày từ 0,007mm đến 1,25mm Các sản phẩm thép tấm được phân loại theo độ dày của tấm thép:

Trang 19

Hình dạng và kích thước của phôi tấm tạo ra trong quá trình cán được tiêu chuẩn hoá, do đó việc sử dụng thép tấm để tạo ra các sản phẩm như: thùng, sàn xe ôtô, khung, sườn xe máy, các thiết bị nghành điện, các kết cấu trong nghành xây dựng như cầu, nhà cửa, hoặc sử dụng trong chính nghành cơ khí chế tạo, nghành tàu thuyền phải qua quá trình cắt thép tấm ra các kích thước và hình dạng khác nhau phù hợp với yêu cầu của từng nghành, từng công việc cụ thể:

- Trong nghành điện: Thép tấm được dùng để tạo ra các sản phẩm như là

thép trong stato của máy bơm nước hay quạt điện, thép tấm được dùng làm các cánh quạt cỡ lớn, các thép tấm mỏng dùng làm các lá thép để ghép lại trong các chấn lưu đèn ống, máy biến thế, trong lĩnh vực điện chiếu sáng nó được dùng làm các cột điện đường

a) Các lá thép b) Tủ điện c) Vỏ máy biến thế

Hình 1.1 Sản phẩm thép tấm trong nghành điện

- Trong xây dựng: Các thép hình cỡ lớn trong các dầm cầu được tạo thành từ

các tấm thép tấm dày cắt nhỏ, hay thép tấm được dùng để liên kết với nhau có thể bằng mối hàn, bulông hoặc đinh tán để tạo nên các kết cấu thép bền vững Rõ ràng nhất thép tấm được sử dụng làm tấm lợp… Ngoài ra còn sử dụng trong kiến trúc như trang trí, cửa họa tiết…

Hình 1.2 Sản phẩm thép tấm trong xây

Trang 20

- Trong cơ khí chế tạo: Nhu cầu lớn đa dạng chủng loại, như chế tạo các

1.1.2.1 Cắt Gas Oxy

Là một quá trình kết hợp Oxy và Gas để cắt kim loại được biết đến đầu tiên

là cắt bằng acetylene và oxy vào năm 1903 Về cơ bản hỗn hợp khí cháy của oxy

và khí đốt nung nóng vật liệu kim loại, đối với thép 700 - 900 0C Kim loại được cắt đứt bằng các phản ứng hóa học ở nhiệt độ cao Điều kiện cắt được bằng khí là:

Kim loại phải có nhiệt độ bốc cháy của vật liệu được thấp hơn điểm nóng chảy của nó nếu không thì liệu sẽ tan chảy và chảy ra trước khi cắt có thể xảy ra Oxit kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn so với các vật liệu xung quanh để nó

có thể được thổi bay đi bởi áp lực Oxy, Oxit sinh ra bởi Oxy và vật liệu cắt phải đủ

để duy trì nhiệt độ cắt, tỷ lệ giữa khí cháy và oxy nung phải mức tối thiểu để không ảnh hưởng tới lượng oxy cắt

1.1.2.2 Cắt Plasma

Trang 21

Được phát minh cách đây khoảng hơn 50 năm[6], người ta phát hiện rằng việc giới hạn độ mở của đường khí trơ đi qua tia hồ quang điện tạo ra một loại vật chất thứ tư (khác với 3 loại vật chất cơ bản là rắn, lỏng và khí) gọi là Plasma, và nó tạo ra một nhiệt lượng vô cùng lớn khoảng 10.000 - 15.000 °C, khi dòng khí thoát

ra khỏi đầu Plasma nó có khả năng thổi bay tất cả các loại kim loại mà nó đi qua

Từ đó, công nghệ này được dùng để cắt kim loại nhưng với quy mô rất lớn vì khi đó chi phí cắt rất cao

1.1.2.3 Cắt Laser

Năm 1917 nhà vật lý Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về tia laser khi ông

mô tả lý thuyết phát xạ kích thích Đến năm 1940 một số kỹ sư đã áp dụng lý thuyết này trong nghành khai thác năng lượng Mãi đến năm 1960 tia laser làm việc đầu tiên được mô tả là "một giải pháp cho một vấn đề" Đó là trong thời gian ngắn, và với một số tư duy sáng tạo, phẩm chất của laser đặc biệt đã được tìm thấy có nhiều ứng dụng [6]

Dùng sức mạnh của tia laser để tạo ra chùm tia rất hẹp, mãnh liệt của ánh sáng gần vùng hồng ngoại theo một định hướng duy nhất đã tạo ra một năng lượng rất lớn có thể được dùng để cắt kim loại có độ dày < 12mm và các vật liệu khác như nhựa, gỗ, kính

1.2 Yêu cầu kỹ thuật với sản phẩm sau cắt nhiệt

Đối với mỗi phương pháp gia công đều có những đặc tính, yêu cầu kỹ thuật khác nhau Đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật cũng như đặc thù riêng của mỗi phương pháp Cắt bằng nhiệt cũng vậy, dưới đây là một trong những yêu cầu cơ bản của phương pháp cắt nhiệt

Sản phẩm sau khi cắt cần đạt những yêu cầu kỹ thuật nhất định, mỗi sản phẩm cắt cần đạt kích thước theo yêu cầu của nhà sản xuât Ảnh hưởng tới độ chính xác cắt có nhiều yếu tố trong đó có các tham số quan trọng sau:

- Sai số do máy

+ Độ cứng vững của máy khi hoạt động

Trang 22

+ Do đầu cắt: Mỗi đầu cắt (bép cắt) đều có kích thước khác nhau, phù hợp với mỗi loại vật liệu, chiều dày khác nhau

Bảng 1.1 Thông số đầu cắt[8]

Dựa vào bảng trên thấy rằng theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất có thể thấy theo biên dạng bản vẽ phần vật liệu sẽ bị hao hụt đi tùy thuộc vào chiều dày vật liệu cắt và đầu cắt Ví dụ sử dụng đầu bép cắt số 1 sẽ có sai số ½ 0.05in ~ 1,77/2 mm Trên thực tế nguyên công cắt Gas - Oxy chủ yếu để gia công thô nên khi thiết kế bản vẽ yêu cầu bù trừ một lượng nhất định

- Sai số gây ra bởi chế độ cắt:

Chế độ cắt khi cắt bằng khí được quyết định bởi các yếu tố tốc độ cắt, khoảng cách giữa bề mặt vật liệu và nhân ngọn lửa, lưu lượng khí, tỷ lệ pha trộn hỗn hợp khí Gas – Oxy

Khi gia công bằng nhiệt, vấn đề biến dạng do nhiệt là điều không thể tránh khỏi đặc biệt trên thép tấm Kích thước chiều dày càng mỏng chiều dài gia công càng lớn thì biến dạng càng lớn Vì thế thông thường với thép có chiều dày < 5mm, việc sử dụng cắt gas oxy ít được sử dụng

Ưu điểm vượt trội của máy cắt gas điều khiển số so với cắt thủ công là chất lượng sản phẩm, sự đồng đều của sản phẩm trong suốt quá trình cắt Khi sản xuất hàng loạt, hàng khối thì sai số cho phép rất nhỏ Bởi các chu trình cắt được duy trì bởi các kết cấu dẫn động cố định, có tính ổn định cao Vì thế việc duy trì tốc độ cắt, khoảng cách giữa bề mặt phôi và mép cắt được đảm bảo, chất lượng sản phẩm đưa

Trang 23

ra sẽ tốt hơn Được sự hỗ trợ từ máy vi tính việc tối ưu hóa các đường chạy dao sẽ tối ưu hoàn toàn Số hóa biên dạng cùng với các thuật toán tối ưu được hỗ trợ bởi máy tính giúp cho quá trình tối ưu cắt được tốt nhất, tiết diện phôi hao phí sẽ được tối ưu hóa, tính kinh tế được nâng lên

1.3 So sánh năng lực các phương pháp cắt nhiệt

Để so sánh ưu nhược điểm của mỗi phương pháp trong cắt bằng nhiệt, bảng dưới đây cung cấp một số đặc điểm cơ bản, của 03 phương pháp cắt phổ biến hiện nay là cắt bằng Laser, Gas - Oxy và Plasma

Bảng 1.2 So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma

Về vật liệu cắt

Cắt được hầu hết vật liệu

bằng kim loại (trừ các kim

loại có độ phản quang cao

như nhôm và đồng) và phi

kim như nhựa, kính, gỗ

Không cắt được hợp kim

có độ nóng chảy khác

nhau

Chỉ cắt được sắt carbon và hợp kim sắt thấp Cắt được tất cả các loại

kim loại

Cắt được hợp kim có độ nóng chảy khác nhau

Về chiều dày vật liệu cắt

Cắt được kim loại có độ

Nhanh hơn cắt Gas Oxy,

Đường cắt hơi bị nghiêng

từ 3 - 10 độ đối với nguồn cắt Plasma thường Từ 0 -

3 độ đối với HD Plasma

Bề rộng đường cắt khoảng 2.2mm Đối với HD Plasma bề rộng đường cắt

Trang 24

Bảng 1.2 So sánh phương pháp cắt laser, Gas-Oxy, Plasma

từ 0.4 - 2mm tùy theo độ dày vật liệu

Chi phí đầu tư ban đầu và chi phí sản xuất

Chi phí đầu tư một máy

cắt Laser CNC 1,5 x 3,0m

rất cao khoảng từ

100.000$ trở lên

Chi phí cho một mét cắt

cao nhất so với cắt gas và

Plasma Chi phí bảo trì

bảo dưỡng cũng cao hơn

Phải định kỳ thay thế các

thấu kính và béc cắt

Chi phí đầu tư một máy cắt Gas CNC 1,5 x 3,0 m chỉ khoảng 15.000$

Chi phí cắt khoảng 0.41USD / foot

Định kỳ thay thế béc cắt

Chi phí đầu tư một máy cắt Plasma CNC 1,5 x 3,0m khoảng 20.000$ đối với nguồn cắt Plasma thường Khoảng 35.000$ đối với nguồn HD Plasma Chi phí cắt khoảng 0.15USD / foot Định kỳ thay thế béc cắt

và điện cực

1.4 Lý do chọn đề tài

Cắt kim loại trong nguyên công chuẩn bị phôi có nhiều phương pháp cắt gọt khác nhau như: Cắt bằng máy cắt thủy lực, cắt bằng đá mài, cắt bằng tia nước, cắt bằng Plasma, cắt bằng tia lửa điện… Mỗi phương pháp có những ưu nhược điểm khác nhau Trong thực tế sản xuất tại Việt Nam thường để cắt các vật liệu lớn, ở các công trường việc trang bị các thiết bị cắt thường khó khăn, do sự cồng kềnh của các loại máy…

Cắt thép bằng khí Gas và Oxy là một trong những phương pháp cắt được sử dụng khá phổ biến trong các nhà máy luyện thép và trong các phân xưởng cơ khí với mục đích là cắt nhỏ thép phế để cho vào lò đối với nhà máy luyện thép và cắt nhỏ phôi theo kích thước sử dụng đối với phân xưởng cơ khí

Trang thiết bị bao gồm: bình Oxy, bình Gas, đường ống, đồng hồ đo áp suất, van an toàn, mỏ cắt và một số chi tiết phụ

Phương pháp này phát huy hiệu quả cao thể hiện ở tính cơ động của thiết bị,thiết bị có thể di chuyển đi các chỗ làm việc khác nhau tùy vào đặc tính và vị trí của công việc Song trên thực tế việc sử dụng cắt bằng Gas - Oxy thường được sử dụng thủ công, cắt với các biên dạng đơn giản, chất lượng bề mặt cắt chịu ảnh hưởng trực tiếp tay nghề của người thợ Trong một số ngành nghề nhất định cần yêu

Trang 25

cầu cao về độ chính xác, đặc biệt các yêu cầu về thẩm mỹ, nghệ thuật Các chi tiết mang hình dáng hoa văn, ngoài tính nghệ thuật, kỹ thuật, tính kinh tế khi sản xuất hang loạt cũng được chú trọng Trên thực tế phương pháp số hóa đã được phổ biến trên thế giới song tại Việt Nam để làm chủ được công nghệ và Việt hóa sản phẩm nhằm mục đích hạ giá thành sản phẩm, tăng năng suất lao động, giảm bớt chi phí đầu tư cho doanh nghiệp, đặc biệt các doanh nghiệp vừa và nhỏ, đang gặp nhiều khó khăn

Khả năng công nghệ của phương pháp cắt kim loại bằng Gas – Oxy có bàn máy điều khiển số sẽ là lựa chọn thích hợp khi cần có một phương pháp chuẩn bị phôi năng suất cao hơn so với cắt bằng xung điện cực, nhưng chính xác hơn cắt thủ công, đặc biệt trong kỹ thuật gia công hàn các ống áp lực rẽ nhánh

Hình 1.4 Ghép ống bằng mối hàn

Chẳng hạn trong mối hàn ở trên, trước khi tiến hành hàn hai phần ống với nhau, cần cắt bỏ những phần kim loại trên mỗi ống để chúng có tạo hình phù hợp trước khi hàn lại, rõ ràng với ưu thế về không gian và năng suất (việc không luồn được điện cực sẽ không thể cắt trên máy cắt dây) máy cắt gas – oxi điều khiển số là lựa chọn hợp lý hơn cả, phương pháp này cho chất lượng bề mặt thích hợp để ghép các mặt bằng mối hàn

Một ưu thế nữa của cắt Gas – Oxy điều khiển số là chiều dày phôi có thể lên đến 300 mm với mạch cắt có bề rộng khoảng 4mm, kích thước chiều dài mà máy cắt dây, cắt Plasma khó đảm nhiệm được Trong phương pháp sử dụng đá mài khó

có thể tạo hình chính xác các cung cong cũng như tiêu hao dụng cắt rất lớn Bên

Trang 26

cạnh đó máy cắt gas còn có ưu thế không cần thoát dao như máy cắt dây và nó cắt được các tấm lớn mà không phụ thuộc bàn máy như máy cắt dây

Đặc thù của các phương pháp cắt nhiệt nói chung cắt Gas – Oxy nói riêng, khi cắt không tạo ra động lực lớn Điều này được thấy rõ nhất khi so sánh giữa phương pháp phay tiện, hay cắt bằng tia nước, kết cấu thân máy, cơ cấu dẫn động phức tạp hơn Dẫn tới các chi phí chế tạo máy tăng lên, cho dù có kết cấu dẫn động tương đương

Đối với trường dạy nghề đặc biệt với nghề Hàn, việc sử dụng phương pháp cắt Gas- Oxy được sử dụng phổ biến nhằm tạo phôi bài tập cho học sinh được tốt hơn, hiệu quả hơn Để tạo một số lượng phôi kích thước bằng nhau, số lượng lớn nếu cắt trong một khoảng thời gian ngắn sẽ rất khó khăn, độ chính xác không cao Việc ứng dụng số hóa trong việc chuẩn bị phôi liệu tại thực tế của trường và các doanh nghiệp trong việc sử dụng phương pháp cắt bằng Gas - Oxy rất cần thiết

Máy cắt gas-oxy với sự điều chỉnh công suất của mỏ cắt thích hợp còn cho phép khắc các họa tiết đơn giản trên mặt kim loại

Trên cơ sở phân tích trên, tác giả đã chọn đề tài: “THIẾT KẾ, CHẾ TẠO

MÁY CẮT GAS - OXY ĐIỀU KHIỂN SỐ”

Trang 27

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ ĐỘNG HỌC MÁY

Dựa vào các đặc tính của máy cắt Gas – Oxy đang chế tạo, có thể xem máy cắt Gas - Oxy điều khiển số là một robot Theo định nghĩa: Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra các hệ trục tọa độ; có khả năng định vị, đinh hướng di chuyển các đối tượng vật chất: chi tiết, dao cụ, đầu cắt… theo những hành trình

thay đổi chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau(Theo tiêu chuẩn AFNOR của Pháp) Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định

khả năng làm việc của robot Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người, tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người Trong thiết kế

và sử dụng tay máy, cần quan tâm đến các thông số hình - động học, và những thông số liên quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nâng, lực kẹp

2.1 Bài toán động học robot

Robot công nghiệp là một thiết bị điều khiển nhiều trục đồng thời, bài toán động học robot được nghiên cứu trên hai phương diện chính là tổng hợp động học

và phân tích động học Trong đó bài toán tổng hợp động học giải quyết các vấn đề

về số lượng, kiểu, kích thước của các khâu (link) và các khớp (joint) hợp thành chuỗi động học (chain) Bài toán phân tích động học có hai nội dung là động học thuận và động học ngược Nghiệm của bài toán động học ngược là một trong các thông tin quan trọng để điều khiển robot hoạt động, trong đó cần quan tâm đến tốc

độ hình thành lời giải và độ chính xác của lời giải bài toán ngược vì những yếu tố

này quyết định chất lượng điều khiển cũng như khả năng điều khiển thời gian thực

2.1.1 Chuyển đổi tọa độ điểm giữa các không gian

Mỗi robot đều nhận gốc tọa độ của mình làm chuẩn, các bản thiết kế cũng nhận gốc tọa độ bản vẽ làm chuẩn Để robot hiểu các tọa độ trên bản vẽ cần đồng

Trang 28

nhất cho robot một điểm chuẩn Vì thế cần chuyển đổi các điểm giữa các không gian để máy có thể định nghĩa đúng vị trí theo yêu cầu bản vẽ

Bất kỳ một cấu hình một tay robot nào cũng là tập hợp của các khâu (Links) gắn liền với các khớp (Joints) Cấu trúc tay máy thiết kế có cấu trúc tương đương với robot có cấu trúc chuỗi hở Đối với robot chuỗi hở, vị trị và hướng của khâu chấp hành cuối luôn được thể hiện thông qua các khâu thành phần nhờ việc gắn tọa

độ lên mỗi khớp cho đến tay máy Để máy có thể hiểu tại vị trí và chuyển vị chính xác tới các điểm trong phạm vi hoạt động cần gắn cho máy một hệ tọa độ Xét một cấu hình robot như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống công nghệ và sơ đồ chuyển đổi tọa độ giữa các điểm

trong không gian

Trong đó:

Ai ma trận mô tả khâu thứ i so với khâu thứ (i-1)

Véc tơ X mô tả vị trí của đồ gá trong hệ quy chiếu cơ sở

Véc tơ E mô tả vị trí gá đặt phôi gia công trong đồ gá

Véc tơ R mô tả quỹ tích các điểm mút dụng cụ trên phôi gia công

ODG là gốc hệ tọa độ đề các gắn với đồ gá

OV gốc hệ quy chiếu gắn với vật, hình thành cùng với quá trình thiết kế của nó

O0 Gốc hệ quy chiếu cơ sở gắn với giá của robot

Trang 29

Nếu lấy điểm O0 gốc của hệ quy chiếu cơ sở làm chuẩn mô tả, đối tượng mô

tả là điểm P mút dụng cụ Vì mút dụng cụ trong quá trình làm việc cần trùng với quỹ đạo gia công trên phôi nên có thể viết được quan hệ này dưới dạng phương trình vòng véc tơ như sau:

A1.A2…An.T = X.E.R (2.1) Trong phương trình trên nếu đồ gá di động ma trận X cần cập nhật, nếu đồ gá đứng yên ma trận X không cần cập nhật Nếu đồ gá mang nhiều chi tiết E cần thay đổi để mô tả điều này, R luôn luôn thay đổi để chỉ dẫn vị trí và hướng thao tác công

cụ cho robot nên nó cần cập nhật Toàn bộ vế phải mô tả trong không gian công tác

và dữ liệu do phần công nghệ xác định Vòng véc tơ trên có đặc điểm đi qua tất cả các hệ quy chiếu có mặt trên sơ đồ

Theo phép chuyển đổi thuần nhất thế của khâu chấp hành là hàm của các biến khớp, mô tả bằng ma trận tổng hợp của phép chuyển đổi:

i i

Vị trí và hướng của khâu chấp hành được xác định từ quỹ đạo cho trước:

1000

z z z z

y y y y

x x x x

n

p a s n

Trang 30

Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản :

• Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động nầy thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic)

• Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation)

Tuỳ thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau Các kết cấu thường gặp của Robot là robot kiểu toạ độ Đề các, toạ độ trụ, toạ độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ toạ

độ góc (phỏng sinh)

Đối với phương pháp cắt Gas – Oxy như đã trình bày ở trên, chủ yếu sử dụng

để cắt thép tấm, đầu cắt luôn hướng theo phương thẳng đứng vuông góc với bàn máy vì thế vùng công tác yêu cầu của máy được giới hạn như hình

Hình 2.2 Vùng không gian làm việc của tay máy

Để có thể hoạt động trong vùng công tác này có thể sử dụng khớp quay và khớp tịnh tiến Đơn giản nhất và tiết kiệm nhất là sử dụng khớp tịnh tiến

Bởi vì trên phương diện lý thuyết các khớp có thể tương đương nhưng trên thực tế việc sử dụng các khớp quay sẽ tạo nên các lực ngoài mong muốn Khiến bàn máy có độ đứng vững không cao do các lực quán tính Khi quán tính lớn cần thiết

kế các công suất động cơ lớn hơn, bàn máy cần độ đứng vững cao dẫn tới chi phí sản xuất, chế tạo sẽ tăng lên

Việc dẫn động bằng các kết cấu tịnh tiến giảm được các sai số do chuyển vị gây ra bởi các lực quán tính…

Trang 31

Sử dụng khớp tịnh tiến làm cho việc gia công các chi tiết dễ dàng đạt yêu cầu

kỹ thuật hơn gia công các khớp quay

Tay máy có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục hệ toạ

độ gốc (cấu hình T.T.T) được xem là robot kiểu tọa độ Đề các

2.1.3 Phương trình động học robot 3 khâu (Bài toán thuận):

Đối với việc giải quyết động học bài toán trên, cần mô hình hóa cấu hình thực tế của thiết bị và tính toán trên lý thuyết Được robot 3 khâu như hình vẽ:

Hình 2.3 Mô hình hóa bàn máy thành Robot 3 khâu (TTT)

Thiết lập bảng thông số DH như sau:

Trang 32

cossin

0

sin.cosq.sin-

cosq.cossin

cos.sinq.sin

cos.sincos

0

d

q a q

010

001

0100

2

2 2

d

a A

100

0010

001

Ma trận tổng hợp chuyển đổi tọa độ là:

100

0010

001

1000

010

001

0100

10

a T

010

001

100

10

d

a T

3 1

3

d a a d

d a T

Ta có hệ phương trình động học của robot như sau:

Trang 33

1 a a d

p z   

2.1.4 Giải bài toán động học bằng phương pháp số

2.1.4.1 Cơ sở lý thuyết:

Đây là phương pháp mới để giải phương trình động học robot áp dụng

phương pháp giảm Gradien tổng quát GRG (Generalized Reduced Gradient) sử

dụng công cụ Solver trong MS_Excel Ưu điểm của phương pháp này là khả năng tính toán với khối lượng lớn, thời gian đáp ứng nhanh chóng và kết quả có độ chính xác cao và ứng dụng cho hầu hết các cấu hính khác nhau của robot Cơ sở của phương pháp này xuất phát từ việc giải quyết các bài toán tối ưu hóa trong kỹ thuật

Mục tiêu của điều khiển động học là đảm bảo độ chính xác về vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối Như vậy cần xác định các biến khớp sao cho thỏa mãn sai

số về vị trị theo yêu cầu đặt ra là bé nhất

Vị trí và hướng của khâu chấp hành cuối được xác định từ quỹ đạo cho trước:

z z z z

y y y y

x x x x

n

p a s n

0

1000



 (2.11)

Ma trận chuyển đổi tổng hợp có dạng:

Trang 34

34 33 32 31

24 23 22 21

14 13 12 11 0

a a a a

An (2.12)

Các thành phần aij với i,j =13 là các cosin chỉ phương của n,s,a; a14, a24, a34

lần lượt là các thành phần chiếu lên hệ oxyz của p

a p

a a

a s

a n

z y x z y x z y x z y x

Trang 35

34 24 14 33 23 13 32 22 12 31 21 11

a p

a a

a s

a n

z y x z y x z y x z y x

32 2

22 2

12 2

31 2

21 2

p a

a a

a

a a a

s a

n a

n

a

n

z y

x z

y

x z

y x

z y

2 14

2 33

2

23

2 13

2 32

2 22

2 12

2 31

2 21

2 11

a p a

p a

a a

a

a a a

s a

n a

n

F

z y

x z

y

x z

y x

z y

2.1.4.2 Tính toán cho cánh tay TTT

Vì khâu cuối là một đầu cắt, không thể hiện khả năng cầm nắm chi tiết nên không xét đến ma trận định hướng (3x3) Chỉ quan tâm đến véctơ vị trí (px,py,pz) như sau:

3

1 d a

1 a a d

p z   

Chuyển vế trái sang vế phải, bình phương 2 vế và cộng vế theo vế được hàm mục tiêu cho quá trình tối ưu như sau:

Trang 36

     2

3 2 1

2 2

2 3

1 d p x d p y d a a p z a

Trong đó:

3 1

Giao diện chương trình Excel tự lập tính toán tối ưu để tìm ra các giá trị biến khớp được minh họa như hình dưới:

Hình 2.4 Kết quả sử dụng hàm Solver trên Excel

Trong đó: a1,a2,a3 và px,py,pz là các số liệu đã biết nhập từ bàn phím; d1,d2,d3 là các biến khớp cần tìm

2.1.5 Xác định sai số định trước (bài toán ngược)

Giả sử sai số định trước nằm trong mặt cầu giới hạn bởi bán kính bằng 0,1mm Có nghĩa là đầu bét phun được phép dịch chuyển trong giới hạn quả cầu sai

số đó Đặt hệ trục tọa độ lên quả cầu như hình vẽ và cắt các trục Ox, Oy, Oz tại các điểm 2, 4, 1, 3, 5, 6 Do đó sẽ tiến hành khảo sát bài toán trên 6 điểm này mà không mất đi tính tổng quát của bài toán

Trang 37

Hình 2.5 Xê dịch trong phạm vi cho phép của đầu bép cắt

Trên cơ sở xác định sai số định trước, giải bài toán động học bằng phương pháp số, hoàn toàn xác định đước các biến khớp d1,d2,d3

Kết quả giả bài toán ngược bằng công cụ Solver-Excel được trình bày như bảng dưới:

Trang 38

Hình 2.6 Trích kết quả sau khi sử dụng hàm Solver trên Excel

Nhìn vào cột d1, d2, d3 của bảng tính nhận thấy, nếu đảm bảo sai số dịch chuyển của đầu bét phun là ±0.1mm thì bàn trượt cần phải dịch chuyển một lượng

Quả cầu sai số có đường kính càng nhỏ thì lượng dịch chuyển d1, d2, d3 càng bé, đồng nghĩa với việc chọn động cơ dẫn động có bước càng bé, yêu cầu cơ cấu chuyển động phải đảm bảo độ phân giải Do đó, giải bài toán ngược có vai trò to lớn trong việc điều khiển robot và tính chọn năng lực của thiết bị khi thiết kế máy (động cơ, cảm biến dịch chuyển …)

Cụ thể sẽ được trình bày trong các mục tiếp theo

Tải trọng trên toàn bộ máy dự tính khoảng ~ 150 KG

2.2 Xây dựng kiến trúc chức năng máy

2.2.1 Kiến trúc cơ - điện

Trong máy công cụ điều khiển theo chương trình số, sự chuyển động của đầu cắt đã được số hóa qua các thiết bị truyền động, nhưng để đạt được độ chính xác

Trang 39

như mong muốn thì trong hệ thống của máy điều khiển số vẫn cần phải hiệu chỉnh chuyển động nhờ một bộ truyền động điều chỉnh

Truyền động điều chỉnh của một máy công cụ tự động là phải tạo điều kiện cho bàn máy chạy dao thực hiện theo một chương trình làm việc cho trước

Do đó truyền động hiệu chỉnh cần phải thực hiện các chức năng sau:

- Đi tới một vị trí với một độ chính xác cao

- Đi tới một vị trí xác định với một tốc độ cao nhất có thể nhằm loại bỏ bớt khoảng thời gian không cần thiết

Ngoài ra đối với điều khiển chép hình và điều khiển phi tuyến do tính chất đường là phức tạp, tồn tại nhiều đường cong bậc cao và để gia công những mặt bậc cao này đòi hỏi phải thông qua việc điều chỉnh tốc độ

Chính vì thế nếu thực hiện được các nhiệm vụ trên thì không phải các khâu truyền động đều có cùng một mức độ như nhau mà là kết hợp từ nhiều dạng

2.2.1.1 Trục Z

Hình 2.7 Sơ đồ kết cấu điện cơ khí trục Z

Trên hình là kết cấu cơ khí - điện của trục Z, kết cấu bao gồm 01 động cơ (motor) được kết nối với trục vitme bi (Ball Screw) qua khớp nối (Coupling), đầu cắt gá lên trục vitme được dẫn hướng bởi thanh trượt và con trượt (Linear guide) Dưới đây là một số thông số của trục Z

Trang 40

Tổng trọng lượng của bàn gá đầu cắt và đầu cắt m=8(kg)

Tốc độ trục Z tối đa Vmax = 15mm/s Lực tác dụng thêm FA= 20N(do áp suất khí trong

ống gây ra) Chiều dài trục vitsme bi Lb= 150mm Đường kính vitme bi Db=15 mm Bước tiến vitme bi Pb=10 mm Khoảng dịch chuyển vitme khi quay được 1 vòng Ab=10 mm

Hiệu suất của vitme Khối lượng riêng của vật liệu chế tạo vitme

Hệ số ma sát tĩnh

Hệ số ma sát bề mặt Thời gian hoạt động 7h/ ngày Tốc độ quay của đầu trục: NG=

Bởi vì vận tốc của 4 cực của động cơ tại tần số 60 Hz là 1450 ~ 1550 r/min

vì vậy tỉ số truyền được tính bởi

Chọn

Tính toán momen xoắn TM(N.m)

Lực dọc hướng dịch chuyển: F = FA+ m.g(sin

Lực không tải của trục vít

Momen tải :

TL= = 1.753*2=3.5(N.m)

Từ đây có thể chọn động cơ phù hợp.[10]

Định dạng
Số trang	90
Dung lượng	3,84 MB