Với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật thì việc thực hiện tối ưu hóa trên trên các máy điều khiển số CNC là một vấn đề rất quan trọng trong việc nâng cao năng suất, đáp ứng
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về máy tiện CNC
Máy tiện CNC có đặc điểm cấu tạo tương tự như máy tiện thông thường Đối với tiện thông thường khi gia công cắt gọt chi tiết người điều khiển phải theo dõi vị trí dao cắt, thao tác kịp thời chế tạo ra những chi tiết đạt yêu cầu kỹ thuật Độ chính xác, năng xuất phụ thuộc vào trình độ tay nghề người điều khiển
Máy CNC hoạt động theo một chương trình đã được lập trình theo một quy tắc chặt chẽ phù hợp với quy trình công nghệ được soạn thảo và cài đặt phần mềm trong máy
Kết quả làm việc của máy CNC không phụ thuộc vào tay nghề của người điều khiển Lúc này người điều khiển máy chủ yếu đóng vai trò theo dõi và kiểm tra các chức năng hoạt động của máy
Những nét đặc trưng cơ bản của máy tiện CNC:
- Tốc độ dịch chuyển, tốc độ quay lớn (> 1000vòng /phút);
- Độ chính xác cao (sai lệch kích thước < 0,001 mm);
- Năng xuất gia công cao gấp 3 lần máy tiện thường;
- Tính linh hoạt cao thích nghi nhanh với các đối tượng gia công phù hợp với sản xuất loạt nhỏ
Hình dáng kết cấu của máy tiện NC cũng tương tự máy tiện thông thường, ngoài ra máy tiện CNC còn có một số đặc điểm riêng sau (Hình 1.1)
Hình 1.1: Cấu tạo bên ngoài của máy tiện CNC
Là bộ phận làm việc chủ yếu của máy tạo ra vận tốc cắt gọt Bên trong lắp trục chính, động cơ bước (điều chỉnh được các tốc độ và thay đổi được chiều quay) Trên đầu trục chính một đầu được lắp với mâm cặp dùng để gá và kẹp chặt chi tiết gia công Phía sau trục chính lắp hệ thống thủy lực hoặc khí nén để đóng, mở, kẹp chặt chi tiết a Truyền động chính: Động cơ của trục chính của máy tiện CNC có thể là động cơ một chiều hoặc động cơ xoay chiều Động cơ dòng một chiều điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng kích từ Động cơ dòng xoay chiều thì điều chỉnh vô cấp tốc độ bằng bộ biến đổi tần thay đổi số vòng quay đơn giản có mô men truyền tải cao b Truyền động chạy dao: Động cơ (một chiều, xoay chiều) truyền chuyển động bộ vít me đai ốc bi làm cho từng trục chạy dao độc lập (trục X,Z) Các loại động cơ này có đặc tính động học ưu việt cho quá trình cắt, quá trình phanh hãm do mô men quán tính nhỏ nên độ chính xác điều chỉnh cao và chính xác
Bộ vít me / đai ốc/ bi có khả năng biến đổi truyền dẫn dễ dàng ít ma sát, có thể chỉnh khe hở hợp lý khi truyền dẫn với tốc độ cao (Hình 1.2)
Trong đó : Đường nối giữa bảng điều khiển và CPU Đường nối giữa CPU với hệ thống động cơ chạy dao
3,4 Đường phản hồi từ động cơ đến CPU
5 Đường nối giữa CPU đến đầu ụ đứng
6 Đường phản hồi từ ụ đứng về CPU
( CPU- Bộ xử lý trung tâm của hệ điều khiển)
Hình 1.2: Hệ thống truyền động chạy dao của máy tiện CNC
,,,,,- Các đường truyền liên hệ giữa các động cơ bộ sử lý trung tâm (CPU) của hệ điều khiển
Quá trình đóng mở và hãm mâm cặp để tháo lắp chi tiết bằng hệ thống thuỷ lực (hoặc khí nén) hoạt động nhanh, lực phát động nhỏ và an toàn Đối với máy tiện CNC thường được gia công với tốc độ rất cao Số vòng quay của trục chính lớn (có thể lên tới 8000 v/ph - khi gia công kim loại màu ) Do đó lực ly tâm là rất lớn nên các mâm cặp thường được kẹp chặt bằng hệ thống thuỷ lực (hoặc khí nén) tự động
Bộ phận này bao gồm nhiều chi tiết dùng để định tâm và gá lắp chi tiết, điều chỉnh, kẹp chặt nhờ hệ thống thuỷ lực (hoặc khí nén)
4 Hệ thống bàn xe dao:
Bao gồm hai bộ phận chính sau: a Giá đỡ ổ tích dao: (Bàn xe dao)
Bộ phận này là bộ phận đỡ ổ chứa dao thực hiện các chuyển động tịnh tiến ra, vào song song, vuông góc với trục chính nhờ các động cơ bước (các chuyển động này đã được lập trình sẵn) b Ổ tích dao: (Đầu Rơvonve)
Máy tiện CNC thường dùng hai loại sau:
- Đầu Rơ von ve có thể lắp từ 10 đến 12 dao các loại;
- Các ổ chứa dao trong tổ hợp gia công với các bộ phận khác (đồ gá thay đổi dụng cụ)
+ Đầu Rơvonve cho phép thay nhanh dao trong một thời gian ngắn đã chỉ định, còn ổ chứa dao thì mang một số lượng lớn dao mà không gây nguy hiểm, va chạm trong vùng làm việc của máy tiện
Trong cả hai trường hợp chuôi của dao thường được kẹp trong khối mang dao tại những vị trí xác định trên bàn xe dao Các khối mang dao phù hợp với các giá đỡ dao trên máy tiện và được tiêu chuẩn hoá
Các kết cấu của đầu Rơvonve tùy thuộc vào công dụng và yêu cầu công nghệ của từng loại máy
Bao gồm các đầu Rơvônve (kiểu chữ thập, các đầu Rơvônve kiểu chữ thập kiểu đĩa kiểu hình trống)
Phổ biến đầu Rơvonve của các loại máy tiện CNC có kết cấu như hình1.3 Đầu rơ-von-ve có thể lắp được các loại dao: Tiện, phay, khoan, khoét, cắt ren… được tiêu chuẩn hoá phần chuôi có thể lắp lẫn và lắp ghép với các đồ gá ở trên đầu rơ-vôn-ve + Ổ chứa dụng cụ dùng cho máy tiện CNC
Các ổ chứa dao cụ thường được sử dụng ít hơn so với đầu rơ-vôn-ve vì việc thay đổi dụng cụ khó khăn so với các cơ cấu của đầu rơ-vôn-ve Song ổ chứa có ưu điểm là an toàn, ít gây ra va chạm trong vùng gia công, dễ dàng ghép nối một số lớn các dụng cụ một cách tự động mà không cần sự can thiệp bằng tay
Hình 1.3 Hệ thống gá đặt dụng cụ
Bảng điều khiển là nơi thực hiện giao diện giữa người với máy Kết cấu của bảng có thể khác nhau tùy thuộc vào nơi sản xuất Thông thường bảng điều khiển của máy tiện CNC có cấu tạo như sau:
Gồm có màn hình CRT giống như màn hình máy tính và một bàn phím gồm các nút chức năng dùng để nhập các dữ liệu, bản vẽ… Các dữ liệu này được chuyển vào máy và dùng nó để mở các thực đơn điều khiển các chức năng vận hành máy Trong máy NC các bảng điều khiển được thiết kế riêng rẽ và được lắp trên máy Người điều khiển máy ở một vị trí làm việc nhất định như hình (1.7) a Vùng điều khiển màn hình
- Màn hình CRT (CRT DISPLAY) màn hình máy tính, để biểu diễn tín hiệu điều khiển số
- Nút điều khiển RESET, nút khởi động START, nút chọn chức năng phần được hiển thị ở phần cuối của màn hình CRT-SOFT KEY Nút địa chỉ nút ADDRESS dùng để khai báo các thực đơn Nút số dùng để nhập dấu và các giá trị số NUMERIC Nút dùng để thay đổi chức năng các địa chỉ SHIFT Nút dùng để nhập chữ, biểu tượng và giá trị số vào bộ điêù khiển CNC–INPUT Nút huỷ bỏ những địa chỉ và giá trị số CANCEL, ngoàii ra còn các nút: di chuyển con trỏ, nút thay đổi trang màn hình, nút thay đổi NC/PC, nút tính toán CALCULATION, nút dùng để nhập khoảng trống AUX (AUXILIARY) b Vùng điều khiển các chức năng vận hành, gia công
- Chế độ soạn thảo: EDITION MODE;
- Chế độ điều khiển nhớ: MEMORY OPERATION MODE;
- Chế độ điều khiển MDI-MDI OPERATION MODE;
- Các hệ thống công tắc (làm vô hiệu hoá các chức năng và cung cấp nhanh, chọn lọc);
- Các công tắc: Chạy và thực hiện từng câu lệnh, khoá các chế độ làm việc của máy, chạy khô
Hình 1.4 Bảng điều khiển máy tiện CNC
6 Một số thiết bị ngoài:
Các thiết bị bên ngoài có khả năng giúp người thợ hoàn thành các công việc một cách độc lập, mở rộng các chức năng hoạt động của máy
Gồm có các thiết bị: a Thiết bị đo dao:
Là một thiết bị dùng để đo vị trí khoảng cách của các dao cụ, với dụng cụ đo đó thì các sai số giữa vị trí chi tiết gia công tới các khoảng cách dao được xác định chính xác
Có 2 loại thiết bị đo:
- Thiết bị đo điện tử
- Thiết bị đo quang học b Hệ thống đo tự động chi tiết:
Là thiết bị đo tự động từ tính toán đến xác định kích thước bù dao hoàn toàn tự động c Hệ thống tải phôi:
Thiết bị này dùng để vận chuyển phoi trong khi cắt gọt
MỤC TIÊU, ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Xác định mức độ và qui luật ảnh hưởng của một số yếu tố chủ yếu thuộc chế độ cắt đến các chỉ tiêu về kinh tế và kỹ thuật của quá trình gia công ren trên máy tiện CNC – NEF 400 Kết quả đạt được làm cơ sở cho việc xác lập chế độ cắt tối ưu góp phần sử dụng máy tiện CNC hiệu quả nhất trong quá trình gia công
2.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Trong đề tài luận văn giới hạn ở các đối tượng và phạm vi nghiên cứu cụ thể sau:
Thiết bị nghiên cứu được sử dụng là máy tiện CNC - NEF 400 Đây là loại máy sản xuất tại Đức và hiện đang được sử dụng rộng rãi trong các xưởng gia công cơ khí của các Công ty, các Trường đào tạo chuyên ngành kỹ thuật và đào tạo nghề cơ khí ở nước ta a) Khả năng công nghệ của máy tiện CNC – NEF 400
Máy tiện CNC – NEF 400 (hình 2.1) là máy tiện điều khiển theo chương trình số và được sản xuất tại Đức
Trên máy tiện CNC – NEF 400 có thể dùng dao tiện gia công mặt trụ ngoài và trong, mặt côn và mặt định hình, mặt đầu mút và gờ, cắt rãnh ngang, dùng dao cắt ren trong và ngoài, dùng mũi khoan, mũi khoét, mũi doa, dùng ta-rô và bàn ren cắt đường ren trong và ngoài
Hình 2.1 Máy tiện CNC – NEF 400 b) Thông số kỹ thuật của máy tiện CNC – NEF 400
Khoảng làm việc Đường kính gia công mm (in) 350 (13.8)
Chiều dài gia công mm (in) 650 (25.6)
Trục chính Đường kính trục chính mm (in) 90 (3.5)
Lỗ trục chính mm (in) 65 (2.6) Đường kính mâm cặp mm (in) 200/250 (7.9/9.8)
Công suất truyền động 100% ED kW (HP) 12 (16.1)
Số vòng quay trục chính tối đa min -1
Mô men xoắn S1 100% ED Nm (ft.lb.) 320 (237)
Hành trình bàn dao ngang X mm (in) 220 (8.7)
Hành trình bàn dao dọc Z mm (in) 700 (27.6)
Vận tốc cắt lớn nhất X / Z m/min 15 (49.2)
Lực cắt X / Z kN (lb.) 3/6 (674/1348) Ổ dao
Số lượng dụng cụ cắt 8
Ký hiệu máy NEF 400 Ụ động
Lực đẩy của ụ động kN (lb.) 6,8 (1528)
Mũi tâm MK 4 Đường kính mũi chống tâm mm (in) 65 (2.6)
Hành trình mũi chống tâm mm (in) 40 (1.6)
Dung tích l (gal) 40 (10.6) Áp lực tối đa bar (psi) 50 (726) Áp lực của chấu kẹp, ụ động bar (psi) 50 (726)
Công suất máy bơm kW (HP) 0,37 (0.5) Điện năng Điện áp làm việc V 400
Kích thước, khối lượng máy
Khối lượng kg (lb.) ca 2800
2.2.2 Vật liệu, chi tiết gia công và dao cắt: Đề tài không nghiên cứu tất cả các loại vật liệu kim loại, cũng không nghiên cứu ở nhiều loại dao cắt của các hãng khác nhau mà chỉ tập trung nghiên cứu loại vật liệu phổ biến trong ngành cơ khí là thép C45, sản phẩm là chi tiết ren Dao tiện được lựa chọn là dao gắn mảnh hợp kim
2.2.3 Các chỉ tiêu và tham số nghiên cứu:
Các chỉ tiêu đặc trưng cho kinh tế và kỹ thuật là độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng Các tham số của chế độ cắt được lựa chọn để nghiên cứu sự ảnh hưởng của chúng tới các chỉ tiêu chất lượng gia công là vận tốc cắt V, bước ren P và chiều sâu cắt t.
Nội dung nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu của đề tài tôi tập trung giải quyết những nội dung sau:
- Nghiên cứu lý thuyết, tổng hợp những cơ sở khoa học quá trình gia công cắt gọt vật liệu, quá trình tiện và thiết bị công nghệ Xác lập cơ sở lý thuyết, những yếu tố ảnh hưởng đến độ nhám bề mặt và chi phí điện năng riêng trên máy tiện CNC
- Nghiên cứu thực nghiệm: Xác lập mục tiêu, nội dung và tổ chức thí nghiệm, thu nhận kết quả thí nghiệm, xây dựng mô hình toán học của các hàm mục tiêu trong mối tương quan với các tham số điều khiển Xác định chế độ làm việc hợp lý khi gia công tạo chi tiết trên máy tiện CNC – NEF 400
- Xác định giá trị tối ưu của các thông số thuộc chế độ cắt
- Thử nghiệm gia công với chế độ cắt tối ưu.
Phương pháp nghiên cứu
2.4.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Dựa vào lý thuyết: " Nguyên lý và dụng cụ cắt"[6],[15],[16], để tính toán lực tác dụng của phôi lên các phần tử cắt, lập công thức tính lực cắt trong quá trình tiện, phân tích ảnh hưởng của các yếu tố đến lực cắt và chất lượng chế độ gia công hợp lý trên máy tiện
2.4.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
- Sử dụng phương pháp nghiên cứu qui hoạch thực nghiệm để xác định hàm mục tiêu, trên cơ sở đó thiết lập được tương quan giữa hàm mục tiêu với tham số ảnh hưởng
- Sử dụng phương pháp giải bài toán tối ưu để tìm ra chế độ sử dụng hợp lý của máy tiện
2.4.2.1 Phương pháp qui hoạch thực nghiệm
Phương pháp quy hoạch thực nghiệm là cơ sở lý luận của nghiên cứu thực nghiệm hiện đại có nhiều ưu điểm, trong đó công cụ toán học giữ vai trò tích cực Cơ sở toán học của lý thuyết quy hoạch thực nghiệm là toán học thống kê với hai lĩnh vực quan trọng là phân tích phương sai và phân tích hồi qui 14 Nội dung của phương pháp quy hoạch thực nghiệm được trình bày trong các tài liệu 9, [10], [14], dưới đây chỉ ứng dụng phương pháp này vào bài toán cụ thể a) Xác định mô hình toán học
Hàm mục tiêu được biểu thị bằng mô hình toán học là phương trình hồi qui bậc 2 dạng tổng quát như sau [9], 14 y =b0 +
Trong đó: K - số yếu tố ảnh hưởng; b0, bi, bij, bii - hệ số hồi qui j = i+1 ; N - số thí nghiệm; i - chỉ số của yếu tố b) Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai
Kiểm tra tính đồng nhất của phương sai theo tiêu chuẩn Kokhren
Trong đó: S 2 m - phương sai lớn nhất trong tổng số thí nghiệm;
S 2 u - phương sai thực nghiệm thứ n với số lần lặp lại mu
Trong đó: mu - số lần lặp lại ở mỗi điểm thí nghiệm;
Y ui - giá trị của thông số ra ở điểm u;
Y ui - giá trị trung bình thông số ra tại điểm u
Thay công thức (2.3); (2.4) vào (2.2), xác định được giá trị Kokhren theo tính toán Gtt, so sánh với giá trị Kokhren tra bảng Gtb
Nếu Gtt < Gtb thì giả thiết H0 không mâu thuẫn với số liệu thí nghiệm, phương sai ở các thí nghiệm coi là đồng nhất cường độ nhiễu là ổn định khi thay đổi các thông số thí nghiệm c) Kiểm tra giá trị có nghĩa của hệ số hồi qui
Các hệ số hồi qui b0; bi; bij; bii của phương trình (2.1) được kiểm tra mức ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student: ti = bi / Sbi
Trong đó: Sbi - Phương sai của hệ số hồi qui, các hệ số chỉ có nghĩa khi ti > tb
,trong đó tb giá trị tra bảng theo tiêu chuẩn Student d) Kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi qui
Sau khi kiểm tra giá trị có ý nghĩa của hệ số hồi qui ta được phương trình hồi qui thực nghiệm và chúng cần phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher: 2
Trong đó: S 2 - phương sai tuyển chọn được tính theo công thức sau:
S e - phương sai do nhiễu tạo nên và xác định theo công thức:
Sau khi xác định được tiêu chuẩn Fisher theo công thức (2.5) so sánh giá trị tra bảng Fb, nếu Ftt < Fb, thì mô hình tương thích và ngược lại mô hình không tương thích e) Kiểm tra khả năng làm việc của mô hình hồi qui
Mô hình hồi qui được xây dựng nhằm mục đích dự báo giá trị hàm Y tại các toạ độ được quan sát, phép kiểm tra để khẳng định mô hình có thực sự phản ánh ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm mục tiêu hay không Mô hình có khả năng làm việc khi giá trị dự báo Y ở toạ độ nào đó là chính xác có sai số nhỏ hơn ít nhất hai lần so với việc gán cho toạ độ đó có giá trị trung bình Ytính theo toàn bộ thí nghiệm
1 1 Để đánh giá khả năng làm việc của mô hình dùng hệ số đơn định (R 2 ) và được tính theo công thức:
Mô hình có khả năng làm việc khi R 2 0,75 f) Chuyển phương trình hồi qui về dạng thực Để mô tả sự ảnh hưởng của các tham số đầu vào đến chỉ tiêu nghiên cứu cần đưa phương trình hồi qui về dạng thực với các biến là các thông số tự nhiên có thứ nguyên
Các hệ số hồi qui a0; ai; ạji được xác định theo hệ số hồi qui dạng mã a0 = b0-
Xi là giá trị thực của tham số đầu vào
2.4.2.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu
Từ mục tiêu của đề tài đặt ra ta có bài toán tối ưu đa mục tiêu như sau:
Nr= f2(v;t) min vmin v vmax ; tmin t tmax (2.8)
Với: v; t - Vận tốc cắt và chiều sâu cắt của máy tiện, đây là thông số tối ưu cần tìm
Ra; Nr - Độ nhám bề mặt gia công và chi phí điện năng riêng, đây là hàm mục tiêu cần đạt được Ta có bài toán tối ưu với 2 mục tiêu:
Phương pháp giải bài toán tối ưu đa mục tiêu này đã được tổng kết trong tài liệu thông tin khoa học kỹ thuật Lâm nghiệp số 6 năm 1997 [3] Ta cần phân tích nội dung và cách giải theo các phương pháp đã nêu để chọn phương pháp thích hợp cho bài toán đặt ra Bài toán tối ưu đa mục tiêu được chuyển về bài toán một mục tiêu qua một phiếm hàm mục tiêu F(xi) min nào đó, cùng với các ràng buộc và điều kiện biên (2.8) Có các phương pháp chuyển như sau: a) Phương pháp thứ tự ưu tiên Đây là phương pháp đầu tiên (theo lịch sử của bài toán) Nội dung là trong số các mục tiêu dạng (2.7) chỉ chọn lấy một chỉ tiêu quan trọng nhất, chủ yếu nhất (theo một quan điểm nào đó), còn các chỉ tiêu khác được coi như những điều kiện giới hạn Bài toán dẫn đến việc tìm cực trị của một chỉ tiêu trong khi đảm bảo các giá trị giới hạn của các chỉ tiêu còn lại (bài toán tối ưu có điều kiện) b) Phương pháp hàm trọng lượng
Nếu các tiêu chuẩn tối ưu có cùng số đo, có thể thành lập tiêu chuẩn tối ưu kiểu tổng như sau:
(2.9) Ở đây j - Trọng lượng ưu tiên (độ nặng) đánh giá mức độ quan trọng tương đối của tiêu chuẩn thứ j và chúng phải có điều kiện: 0