THIẾT KẾ MÁY Phay trung tâm gia công DMU 60T, thuyết minh trung tâm gia công DMU 60T, động học máy trung tâm gia công DMU 60T, kết cấu trung tâm gia công DMU 60T, nguyên lýtrung tâm gia công DMU 60T
LỜI NÓI ĐẦU
Máy công cụ điều khiển theo chương trình số và rôbốt công nghiệp cũng như các hệ thống linh hoạt hoá đều thuộc về các thế hệ thiết bị, máy móc của công nghệ cao cấp (High-Tech).
Sự tiến bộ vượt bậc của Điện tử và Tin học, sự phát triển đầy hứa hẹn của ngành Vật liệu mới đã khiến cho công nghệ cao cấp trở thành cuộc cách mạng kỹ thuật mang tính thời đại. Tiến bộ mạnh mẽ của kĩ thuật vi điện tử đã tạo điều kiện nâng cao một cách đáng kể công năng của các hệ điều khiển số, đồng thời với việc giảm giá thành của các bộ điều khiển này. Những cụm vi xử lý với tư cách là bộ phận chính yếu của thiết bị, cùng những cụm ngoại vi tương thích và bản thân các máy vi tính, đều là những phần cứng (Hardware) không thể thiếu trong mỗi hệ điều khiển số CNC (Computerized Numerical Control).
Do những điều kiện thuận lợi trên cùng với những khả năng đặc biệt của các máy công cụ điều khiển số nên ngày nay đa số các máy công cụ hiện đại được điều khiển theo chương trình số. Đây là điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những dự án tự động hoá linh hoạt (Flexible Automatization) trên từng máy công cụ điều kiển số riêng lẻ, hay ở các trung tâm gia công điều khiển số (CNC Engineering Centre), cũng như việc ghép nối chúng thành một hệ thống linh hoạt (Flexible Automatical Machine System), điều khiển liên thông bằng các máy tính ghép mạng (CIM).
Trong hệ CNC, máy công cụ và hệ điều khiển số hợp thành một thiết bị gia công có khả năng điều khiển bằng lập trình trực tiếp. Như vậy thay cho điều khiển các rơle tương ứng, thông qua các mạch logic ghép cứng, người ta dùng hệ điều khiển vi điện tử, có thể lập trình tự do, máy công cụ thực hiện các nhiệm vụ chuyên môn thông qua các chương trình điều khiển được thiết lập trước. Việc lập trình trực tiếp trên máy nhờ đối thoại giữa người và hệ điều khiển số làm cho máy công cụ CNC trở nên hữu dụng và kinh tế ngay cả cho các xí nghiệp có quy mô nhỏ và trung bình. Mặt khác, do tất cả thông tin cần thiết để máy công cụ CNC thực hiện từ một công đoạn công nghệ riêng lẻ nào đó, đến một quy trình công nghệ tổng thể, đều được đưa vào hệ điều khiển dưới dạng mã số, mà các thiết bị gia công CNC cho phép đặt chúng vào quá trình vận hành của cả xí nghiệp thông qua hệ thống quản lý dữ liệu tổng hợp. Đó là một lợi thế mạnh mẽ để nâng cao trình độ quản lý của các xí nghiệp công nghiệp hiện đại, nhờ ứng dụng của các mạng liên thông cục bộ LAN (Local Area Network).
Để bắt kịp với nhịp phát triển của các nước trong khu vực và trên thế giới, đẩy nhanh công cuộc công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước, trong những năm gần đây nước ta nhập rất nhiều các máy CNC trong đó bao gồm cả các trung tâm gia công lớn của các nước Tây Âu và Nhật Bản. Các thiết bị này được nhập vào nhằm đáp ứng một số nhu cầu sản xuất chi tiết chính xácvà các thiết bị công nghiệp mà các thiết bị hiện có của ngành cơ khí trong nước không đáp ứng được. Do một số điều kiện hạn chế nhất định nên phần lớn các máy công cụ này không được nhập đầy đủ các tài liệu thiết kế cũng như các văn bản kiểm tra kèm theo, đặc biệt nhà chế tạo không cung cấp tài liệu đặc trưng động lực học của các thiết bị nêu trên, cần phải có các công trình khoa học nghiên cứu nhằm kết luận một cách chính xác và đầy đủ các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật đồng thời có thể đưa ra được phương hướng nghiên cứu thiết kế chế tạo thử máy công cụ CNC ở trình độ công nghệ cao ở Việt Nam.
Bản đồ án tốt nghiệp này nghiên cứu khảo sát một thiết bị CNC cụ thể được nhập vào Việt Nam đó là trung tâm gia công CNC (TTGC CNC) DMU 60T của hãng DECKEL MAHO chế tạo năm 1998. Đây là một trong những loại trung tâm gia công vào loại hiện đại nhất nước ta hiện nay. Trung tâm gia công được chế tạo theo các công nghệ cao nhất và thoả mãn được tất cả các tiêu chuẩn về chất lượng, các đặc tính kỹ thuật cũng như các tiêu chuẩn về an toàn quốc tế.
Bản thuyết minh này gồm 4 chương:
Chương I: Nghiên cứu cơ bản về kỹ thuật điều khiển theo chương trình số và ứng dụng trong các TTGC điều khiển số
Nội dung: Chương này bao gồm những nghiên cứu, nhắc lại một số về kỹ thuật điều khiển số trang bị cho trung tâm gia công. Giới thiệu các thông số của TTGC khảo sát DMU 60T
Chương II: Nghiên cứu ngôn ngữ lập trình điều khiển số cho TTGC DMU 60T
Nội dung: Giới thiệu về ngôn ngữ lập trình HEIDENHAIN và các hệ điều khiển TNC 426/430 ứng dụng trên các trung tâm gia công. Bao gồm những khái niệm cơ bản nhất và phương pháp lập trình đối với hệ TNC 426 trên trung tâm DMU 60T.
Chương III: Nghiên cứu thiết kế động học kết cấu theo mẫu máy DMU 60T
Nội dung: Thiết kế một số cụm chi tiết cơ bản theo mẫu máy DMU 60T
Chương IV: Những nghiên cứu mở đầu trên lĩnh vực ứng dụng kỹ thuật mô phỏng
Nội dung: Bao gồm những khái niệm cơ bản về mô phỏng, các kỹ thuật mô phỏng nói chung và ứng dụng cụ thể mô phỏng dao động xoắn cụm trục chính TTGC DMU 60T với các công cụ tin học hiện đại như Dynamic Designer Motion và MatLab Simulink.
Do điều kiện hạn chế về kiến thức, tài liệu, vả lại đây là một đề tài hết sức mới mẻ nhất là về lĩnh vực mô phỏng nên chắc chắn sẽ không tránh khỏi thiếu sót. Nhóm tác giả rất mong sự đóng góp ý kiến của các thầy và các bạn đồng nghiệp.
Nhóm tác giả cũng xin bày tỏ lòng cảm ơn đến PGS. TS. .... và các thầy giáo, các bạn đồng nghiệp đã hướng dẫn, chỉ bảo cặn kẽ và tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ nhóm chúng em hoàn thành nhiệm vụ.
CHƯƠNG I
NGHIÊN CỨU CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN THEO CHƯƠNG TRÌNH SỐ VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC TTGC ĐIỀU KHIỂN SỐ
1.1. KỸ THUẬT TẠO HÌNH TRÊN MÁY CÔNG CỤ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN SỐ
-
Truyền động chạy dao trong máy công cụ diều khiển số
- Nguyên tắc cấu trúc
Chuyển động chạy dao là chuyển động tạo ra biên dạng của chi tiết, trong đó nội suy các lệnh ghi bằng mã số chuẩn, thành chuyển động phù hợp với tốc độ các bàn chạy dao trong máy công cụ.
Cấu trúc có tính nguyên tắc của một hệ truyền động chạy dao được thể hiện trên hình 1.1. Hệ truyền động bao gồm: một động cơ dẫn động qua một cặp truyền động nữa đi tới bộ vít me đai- ốc bi biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến. Đó là phương thức tiêu chuẩn của một hệ truyền động chạy dao hiện đại.
- Các nhiệm vụ của truyền động chạy dao
Nhiệm vụ chính của các hệ truyền động chạy dao là chuyển đổi các lệnh trong bộ điều khiển thành các chuyển động tịnh tiến hay quay tròn của những bàn máy mang dao hoặc chi tiết gia công trên máy công cụ. Các chuyển động tịnh tiến là các chuyển động thẳng theo phương ba trục toạ độ của không gian ba chiều, còn các chuyển động quay tròn là các chuyển động xung quanh các trục toạ độ này.
Chuyển động chạy dao là chuyển động dịch chuyển tương đối giữa dao và chi tiết theo một phương trình xác định và phải đảm bảo được tốc độ cắt.
Truyền động chạy dao phải đảm bảo dịch chuyển của dụng cụ cắt theo quỹ đạo và đảm bảo các yếu tố: biên dạng đường cắt, biên dạng của dụng cụ cắt và các yêu cầu chi tiết gia công khác phải đạt được, do đó sẽ có các động cơ khác nhau điều khiển chuyển động cắt.
Hệ truyền động chạy dao của một máy công cụ CNC phải thể hiện được những tính chất sau đây:
- Có tính động học rất cao: nếu đại lượng dẫn biến đổi, bàn máy phải theo kịp biến đổi đó trong thời gian ngắn nhất.
- Có độ vững chắc số vòng quay cao: khi các lực cản chạy dao biến đổi, cần hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưởng của nó đến tốc độ chạy dao, tốt nhất là không ảnh hưởng gì. Ngay cả khi chạy dao tốc độ nhỏ nhất cũng đòi hỏi một quá trình tốc độ ổn định.
- Phạm vi điều chỉnh số vòng quay cao nhất như có thể: từ 1:10000 đến 1:30000.
- Phải giải quyết được cả những lượng gia tăng dịch chuyển nhỏ nhất (£ 1mm).
1.1.1.3. Mạch điều khiển cho các xích chạy dao
Hình 1.2. Sơ đồ điều khiển vị trí và điểm điều chỉnh vị trí
A - Mạch hở; B – Mạch kín có kết hợp nhiều mạch thứ cấp
Truyền động chạy dao trên máy công cụ CNC có thể làm việc theo nguyên tắc như điều khiển vị trí kiểu mạch hở (dùng động cơ bước không phản hồi) hoặc như điều chỉnh vị trí điểu khiển mạch kín (có dùng vòng phản hồi của hai hay nhiều đại lượng điều khiển).
Nguyên tắc điều khiển này được trình bày trên hình 1.2. Trong đó điều khiển vị trí kiểu mạch hở hoặc đặc trưng bởi một quá trình tác dụng tuyến tính, mỗi một xung tác dụng tạo ra một bước chạy dao tương ứng.
Điều khiển vị trí kiểu mạch hở có thể được ứng dụng trong các trường hợp lực cản trên đường dịch chuyển ổn định hoặc không đáng kể hay không có tác dụng cản chuyển động chạy dao. Trong các máy công cụ cắt gọt kim loại thường không áp dụng được kiểu mạch này vì ở đây tồn tại hàng loạt đại lượng ảnh hưởng tác động đến lực cản trong quá trình chạy dao, do đó các máy công cụ điều khiển theo chương trình số hầu như chỉ ứng dụng chạy dao điều chỉnh vị trí kiểu mạch kín có phản hồi.
Từ bộ nội suy, mỗi giá trị vị trí cần là đại lượng dẫn được cấp vào vòng mạch điều chỉnh. Mỗi trục điều khiển số của một máy công cụ CNC cần có một mạch điều chỉnh vị trí. Tin tức phản hồi lại được đưa vào vòng mạch điều chỉnh để tính toán các yếu tố ảnh hưởng khi gia công chi tiết. Từ hệ thống đo vị trí đưa ra kết quả so sánh là sai lệch điều chỉnh cũng là đại lượng điều chỉnh cho động cơ dẫn động.
Mạch điều chỉnh cần thoả mãn những điều kiện sau:
- Có độ khuếch tán tốc độ cao để giữ cho khoảng cách sai lệch điều chỉnh là thấp nhất.
- Bộ truyền có hằng số thời gian nhỏ
- Mô men quán tính khối lượng của các bộ phận chuyển động nhỏ
- Tần số riêng về dao động cơ học cao
- Các chi tiết cơ khí nằm trong dòng truyền lực có độ bền cao
- Các yếu tố truyền động cơ khí có khe hở nhỏ.
Các động cơ dẫn động thẳng như động cơ điện tuyến tính hoặc xy lanh thuỷ lực trên thực tế ít đưọc ứng dụng cho truyền động chạy dao trên máy CNC.
1.1.2. Các xích động học cơ bản trên máy CNC
Toàn bộ các con đường truyền động đến từng cơ cấu chấp hành của các máy CNC đều dùng những nguồn động lực riêng biệt (truyền dẫn độc lập triệt để). Bởi vậy các xích động học của máy CNC chỉ gồm hai loại cơ bản là:
- Xích động công xuất cắt gọt
- Xích động học của chuyển động chạy dao.
Việc tính toán, thiết kế và chế tạo chúng được thực hiện theo nguyên tắc mô đun hoá.
Nhìn tổng quát, xích công suất cắt gọt thường bắt đầu từ một động cơ có tốc độ thay đổi vô cấp, dẫn động trục chính thông qua một hộp tốc độ chỉ có 2 đến 3 cấp, nhằm khuếch đại các mômen cắt đạt trị số cần thiết trên cơ sở tốc độ ban đầu.
Xích động học chạy dao bao gồm các phần tử, các cụm kết cấu đảm bảo các chuyển động của các xe dao trên máy. Về mặt chức năng xích chạy dao phải thoả mãn những yêu cầu đặt ra là:
- Truyền động cho các bộ phận dịch chuyển với tốc độ đều, chạy êm và ổn định.
- Thực hiện được các thay đổi vận tốc theo chương trình, xác định cả về trị số và chiều, không có sự tháo lỏng chi tiết hoặc sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết gia công.
- Cung cấp lực cần thiết để thắng những thành phần lực cắt theo chiều chuyển động.
- Trong trường hợp cần thiết, một bộ phận nào đó của xích chạy dao cần phải đảm nhiệm chức năng đo lường các dịch chuyển của xe dao.
Để thoả mãn hai yêu cầu đầu tiên, xích chạy dao cần có tần số dao động riêng lớn nhất theo điều kiện có thể, tính ngay từ đầu nguồn động lực của xích.
Với giả định rằng khối lượng bàn máy và chi tiết gia công là một dữ kiện, ta cố gắng dùng những cơ cấu có quán tính (quay và tịnh tiến) nhỏ nhất có thể, đồng thời lại có độ cứng vững cao nhất.
Ta có thể thấy ngay rằng mọi lý thuyết tính toán thiết kế động học xích truyền động trong máy công cụ vạn năng thông thường đối với máy CNC không còn có ý nghĩa nữa. Do các nguyên tắc như truyền dẫn vô cấp, truyền dẫn độc lập và nhất là nguyên tắc mô đun hoá kết cấu, người ta quan tâm nhiều đến các cụm kết cấu cụ thể, đầu tư nghiên cứu theo chiều sâu và ứng dụng nhanh nhất các tiến bộ kỹ thuật trong khi chế tạo các mô đun. Dưới đây là mô tả đôi điều về hai cụm kết cấu quan trọng nhất của mô đun các xích động.
Cụm cơ khí
Để truyền động từ động cơ chạy dao tới điểm tác dụng của dao cụ người ta dùng các cụm truyền động gọi chung là các khâu truyền động cơ khí. Phương án bố trí các khâu truyền động ảnh hưởng đến độ chính xác gia công, quan trọng nhất phải kể đến các yếu tố sau:
- Sự cộng hưởng giữa các tần số riêng của các khâu truyền động với tần số biểu kiến của truyền động. Sự cộng hưởng này có thể gây ra dao động tại vị trí cần.
- Khe hở giữa trục vít me và đai ốc
- Tính mềm hoá phụ thuộc vào lực thay đổi do nguyên nhân của những biến dạng khác nhau.
Kết cấu vít me - Đai ốc bi
Kết cấu này được ứng dụng phổ biến trong xích động chạy dao, trong đó hầu hết là bộ truyền vít me - đai ốc bi có ứng lực. Sơ đồ nguyên tắc trình bày trên hình 1.3.a. Ứng lực tạo ra để khử các khe hở ngược chiều và tuyến tính hoá đường đặc tính tải trọng/dịch động trong vùng tải trọng yếu.
Cơ cấu này có ưu điểm là ma sát rất nhỏ và ít bị mòn. Nhược điểm chủ yếu của chúng là có độ giảm chấn thấp. Nhờ một cặp đai ốc ghép cũng theo chiều trục có thể khử được khe hở giữa trục vít me và bản thân đai ốc mà không làm tăng ma sát giữa chúng.
Các vít me trong bộ truyền này bị hạn chế về chiều dài. Ở độ dài 3 hay 4m nó khó thực hiện được các tốc độ dịch động cao.
Truyền động quay cho vít me được thực hiện theo một trong số các phương án sau đây:
- Thông qua một hộp tốc độ gồm các bộ truyền bánh răng, trong đó phải dùng các kết cấu khử độ hở ăn khớp và dẫn động bằng động cơ tốc độ cao (động cơ điện quán tính yếu hoặc động cơ thuỷ lực kiểu quay).
- Dựa vào khoảng cách giữa hai gối tựa, sử dụng một bộ truyền đai (có tỷ số giảm tốc lớn) được dẫn động bởi các động cơ có tốc độ chậm.
- Dùng các khớp nối trực tiếp với trục của động cơ dẫn động (động cơ có tốc độ chậm).
Đối với các hành trình lớn, người ta thay vít me có chiều dài lớn bằng một vít me ngắn và thay đai ốc bởi một thanh răng xoắn.
Kết cấu thanh răng - Bánh răng
Kết cấu này được áp dụng trước hết cho các máy NC cỡ lớn, có hành trình chạy dao dài. Ở đây không có sự hạn chế về tốc độ như trường hợp vít me - đai ốc bi, nhưng các biện pháp khử khe hở ăn khớp bánh răng nhất thiết phải được thực hiện. Thông thường người ta thiết kế hai xích đồng nhất cùng làm việc nhưng hướng đối ngược nhau trên thanh răng hình 1.3.b. Các tốc độ dịch chuyển chậm của bàn máy cũng yêu cầu các bánh răng quay với tốc độ rất thấp, ta buộc phải dùng các hộp giảm tốc để tạo ra vùng số vòng quay nhỏ này
a - chạy dao bằng vít me - đai ốc bi
b - chạy dao bằng thanh răng – bánh răng
C: thanh răng liền bàn máy; V: vít me bi; E: đai ốc;
R: hộp giảm tốc; P1: ổ có hoặc không có cữ chặn;
M: động cơ; T: bàn máy; P2: ổ có cữ chặn; P3: bánh răng;
Hình 1.3. Xích động học chạy dao
Cụm phát động lực
Gồm có các động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực. Động cơ thủy lực ưa được dùng vào giai đoạn phát triển ban đầu của máy NC, ngày nay chúng không còn được sử dụng nhiều nữa mà thay vào đó là đông cơ điện. Các động cơ điện được chia ra như sau:
Động cơ điện dòng một chiều
Có hai dạng cơ bản được sử dụng là:
- Động cơ dẹt: có tốc độ tương đối cao với quán tính nhỏ và hiệu ứng nhiệt động nhỏ. Động cơ thường truyền động qua một hộp giảm tốc trước khi vào vítme. Hầu hết các động cơ kiểu này đều có bộ phận cảm ứng là các nam châm vĩnh cửu.
- Động cơ dài: có tốc độ tương đối thấp, có thể có quán tính nhỏ tuỳ theo mức tăng của tỷ lệ chiều dài/đường kính nhưng chúng chịu hiệu ứng nhiệt động lớn. Động cơ này có thể được nối trực tiếp bằng khớp nối trục với vítme. Chúng cũng có bộ phận cảm ứng là các nam châm vĩnh cửu nhưng thường có mật độ đường sức lớn (ở điểm khởi động có thể đạt tới 7 đến 10 lần các mật độ thường), do đó tạo ra các mô men quay ổn định.
Động cơ điện dòng xoay chiều
Ta thường gặp các động cơ không đồng bộ đi kèm một hệ thống biến đổi tần số để điều khiển thay đổi tốc độ động cơ. Hệ thống này ngày càng được hoàn thiện không kém gì đặc tính của các động cơ điện dòng một chiêù.
Động cơ bước
Có hai dạng cơ bản được sử dụng là:
- Động cơ bước chạy điện thuần tuý: chúng hoạt động với một hệ thống các cực là nam châm vĩnh cửu trong các khoảng tần số tương đối bé (< 1000 Hz). Công suất của các động cơ này chỉ đủ dùng cho dịch động bàn máy của các máy nhỏ với khoảng tốc độ vài m/ph.
- Động cơ bước có khuếch đại mô men bằng thuỷ lực. Trong trường hợp này động cơ bước vừa nêu trên đóng vai trò dẫn động điều khiển một động cơ thuỷ lực công suất lớn. Bản thân động cơ bước chạy điện thuần tuý có công suất thấp và thiết kế hoạt động trong vùng tần số 16-18KHz. Các hệ thống động cơ bước có khuyếch đại mô men bằng thuỷ lực thường được dùng trong các máy NC hạng nặng nhưng vì lý do giá thành cao và những vấn đề có liên quan đến sử dụng hệ thống thuỷ lực nên ngày một hiếm thấy hơn các trường hợp áp dụng.
1.1.3. Modul nội suy - so sánh - đo lường tạo ra sự phối hợp toạ độ vị trí
1.1.3.1. Vòng lặp điều khiển
Sơ đồ điều khiển của máy CNC được cho trên hình 1.4. Quá trình xử lý bên trong của máy diễn ra như sau: các dữ liệu về vị trí trục từ chương trình gia công được tiếp nhận thông qua bộ đọc và chuyển đổi thành tín hiệu điện (tín hiệu tương tự). Tín hiệu này hình thành giá trị danh nghĩa của vị trí bàn máy. Nó được dẫn đến bộ chuyển đổi và kiểm tra. Giá trị thực về bàn máy được thu thập qua hệ thống đo lường dịch chuyển và và phản hồi trở lại dẫn tới bộ so sánh.
Nhiệm vụ của bộ so sánh là so sánh thông tin đường dịch chuyển đưa ra từ chương trình (giá trị danh nghĩa) với đoạn dịch chuyển đo được trên máy (giá trị thực). Sự so sánh nhằm xác định sai lệch của cặp giá trị danh nghĩa – thực và cấp cho hệ truyền dẫn những tín hiệu cần thiết để điều khiển sao cho chênh lệch giữa giá trị danh nghĩa và giá trị thực dần dần trở về 0, nhằm đạt vị trí chính xác của bàn máy.
Sơ đồ chi tiết hơn về mạch điều khiển được cho trên hình 1.5. Ta thấy rõ ràng là mạch điều khiển được sắp xếp theo lớp (Cascade Control). Đó là nguyên tắc hoạt động chung của các máy công cụ điều khiển số. Mạch điều khiển vị trí là tiền đề cho các mạch điều khiển vận tốc và các mạch điều khiển dòng. Điều khiển theo lớp có những lợi ích sau đây:
- Có cấu trúc tổng quan về mỗi mạch cụ thể.
- Nhiễu thông tin có thể nhanh chóng được bù bởi các bộ điều khiển tiếp sau.
- Mạch điều khiển vòng ngoài tương ứng bảo vệ mạch bên trong nó bằng cách hạn chế các giá trị gốc đầu vào.
Phản hồi
Điều khiển trục đầu vào
Phản hồi
Hình 1.4. Sơ đồ điều khiển của máy CNC
Hình 1.5. Sơ đồ mạch điều khiển chi tiết
Ta đi xem xét từng modul:
1.1.3.2. Bộ nội suy
Trong các máy công cụ điều khiển số, những đường tác dụng giữa dao cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển toạ độ trên nhiều trục.
Trong chương trình bộ phận, toạ độ các điểm trên đường tác dụng, tốc độ gia công được xác định bởi điều kiện công nghệ cũng như quy luật chuyển động yêu cầu đều được đưa ra trước.
Bộ điều khiển phải xác định từ các dữ liệu này những đại lượng của véctơ tốc độ cũng như một trình tự các giá trị toạ độ vị trí trung gian, có mật độ đủ dầy đặc, dọc theo biên dạng cần. Các điểm phải nằm dầy đặc đến mức sao cho đường cong được mô tả đủ chính xác và không có vị trí nào vượt ra ngoài vùng dung sai cho phép. Khác với các hệ điều khiển đơn giản dạng điểm và đường, các dữ liệu cần thiết tăng rất lớn. VD: cần tới 20.000 điểm cho một vòng tròn bán kính 100mm và dung sau 0,01 mm. Việc sản sinh một số lượng lớn các điểm như vậy chỉ có thể giải quyết bằng máy tính.
Những giá trị toạ độ vị trí trung gian này hình thành các đại lượng dẫn của mạch điều chỉnh vị trí trên từng trục chạy dao riêng lẻ.
Giá trị toạ độ vị trí trung gian được tìm ra trong một cụm chức năng của điều khiển số mà ta gọi là bộ nội suy, nó có các nhiệm vụ sau đây:
- Tìm ra vị trí các điểm trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho trước trong một giới hạn dung sai xác định trước.
- Có thể nội suy một cách thích hợp với các yếu tố biên dạng đòi hỏi. Thông thường những yếu tố biên dạng cơ bản có trong các chi tiết kỹ thuật là những đoạn thẳng và những đường cong. Tương ứng với thực tế đó, các bộ nội suy của điều khiển số thường chỉ giới hạn trong nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn.
- Tốc độ đưa ra toạ độ vị trí trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao cho trước.
- Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra trước trong chương trình.
Nội suy chỉ có thể là việc theo nguyên tắc số (digital). Nó có thể được thực hiện hoặc bằng các mạch logic nối cứng (chương trình hoá các mối liên hệ NC) hoặc bằng các phần mềm nội suy được lập trình (CNC). Bộ nội suy có thể là một hay nhiều cụm vi xử lý cài đặt trong hệ điều khiển máy (nội suy trong) hoặc có thể là một máy tính xử lý số liệu bên ngoài hệ điều khiển máy (nội suy ngoài). Các giá trị đưa ra từ bộ nội suy đóng vai trò là giá trị danh nghĩa điều khiển các mạch điều chỉnh hay điều khiển động cơ bước làm việc.
Các hệ thống CNC hiện đại thực hiện nội suy ở hai mức:
1. Một phần mềm nội suy xác định toạ độ các điểm trung gian giữa điểm đầu và điểm cuối của một đoạn biên dạng đã được đưa ra trước trong chương trình (nội suy thô).
2. Một mức nội suy tinh xác, thực hiện tiếp theo nội suy tuyến tính giữa các điểm trung gian này.
1.1.3.3. Hệ thống đo đường dịch chuyển
Đại bộ phận các máy NC làm việc bằng nguyên tắc liên hệ ngược hay là đường tác dụng kín, trong đó đường dịch chuyển được một hệ thống đo thu thập định lượng.
Độ chính xác của máy NC bởi thế phụ thuộc rất lớn vào hệ thống đo. Ngoài việc thiết lập chi phí cho bộ điều khiển, đặc biệt là bộ so sánh trong modul điều khiển, cũng do hệ thống đo xác định. Có rất nhiều thiết bị đo được thiết kế chế tạo mà sự khác biệt giữa chúng chủ yếu do giải pháp kỹ thuật linh kiện. Trên cơ bản chúng đều dựa theo một vài nguyên tắc mà theo đó, ta có thể chia các hệ thống đo đường dịch chuyển thành nhóm sau đây:
- Theo hình thức truyền động, từ đó trích lấy các giá trị đo: kiểu đo tịnh tiến hoặc kiểu quay.
- Theo hình thức định lượng giá trị đo: kiểu số hoặc kiểu tương tự.
- Theo nguyên tắc đo: kiểu gia số hoặc kiểu tuyệt đối.
1.1.3.4. Bộ so sánh
Nhiệm vụ của bộ so sánh là so sánh thông tin đường dịch chuyển đưa ra từ chương trình (giá trị danh nghĩa) với đoạn dịch chuyển đo được trên máy (giá trị thực). Sự so sánh là nhằm xác định sai lệch của cặp giá trị danh nghĩa – thực và cấp cho hệ truyền dẫn những tín hiệu cần thiết để điều khiển sao cho chênh lệch giữa giá trị cần và giá trị thực dần dần trở về 0. Cấu trúc của một bộ so sánh được xác định trước hết do nguyên tắc đo đường dịch chuyển cũng như dạng tín hiệu điều khiển cần thiết. Các bộ so sánh như vậy về cơ bản cũng được phân chia như các nguyên tắc đo đường dịch chuyển. Ngoài ra còn có thể phân biệt theo dạng tín hiệu điều khiển truyền động. Ta có:
- Bộ so sánh chỉ đưa ra tín hiệu điều khiển khi giá trị danh nghĩa và giá trị thực đồng nhất (tín hiệu đồng nhất).
- Bộ so sánh đưa ra tín hiệu điều khiển liên tục chừng nào giá trị danh nghĩa và giá trị thực chưa đồng nhất (tín hiệu sai khác hay tín hiệu chênh lệch).
Trong quá trình đi tới đồng nhất giữa giá trị danh nghĩa và giá trị thực, các tín hiệu sai khác nhỏ dần đi liên tục và hoàn toàn triệt tiêu khi gặp giá trị danh nghĩa – thực đưọc đồng nhất và truyền động đạt tới trạng thái dừng.
Bộ so sánh thứ nhất chỉ cho phép xây dựng một mạch điều khiển ngắt đo tín hiệu đồng nhất không có tính liên tục, do vậy chỉ được ứng dụng trong điều khiển điểm hoặc điều khiển đường.
Trái lại, bộ so sánh thứ hai có tín hiệu chênh lệch liên tục cũng được dùng vào mạch điều khiển và điều chỉnh vị trí, và do đó có thể thiết lập hệ điều khiển phi tuyến.
1.2. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT CNC TRÊN TRUNG TÂM GIA CÔNG
1.2.1. Đặc điểm của một trung tâm gia công
1.2.1.1. Trung tâm gia công là gì?
Trung tâm gia công (Manufacturing Centre) là một máy công cụ có ít nhất ba trục điều khiển số, có thể thực hiện công việc cắt gọt cần thiết trên ít nhất 4 mặt của một phôi có hình khối vuông mà không có tác động của con người. Thiết bị thay đổi dụng cụ tự động đưa các dụng cụ cần thiết, điều khiển theo chương trình, theo thứ tự lần lượt, từ một ổ tích dụng cụ tới trục chính của máy và ngược lại (từ trục chính của máy trở về ổ tích dụng cụ). Khi các phôi chi tiết gia công, được kẹp trên đồ gá lắp trên bệ phiến gá chuẩn (pallete), được chuyển tới và chuyển đi tự động thì TTGC tương ứng và hệ cung ứng phôi, dụng cụ tự động như vậy sẽ tạo thành một tế bào gia công (Manufacturing Cell).
1.2.1.2. Phân loại TTGC
Người ta phân loại các TTGC theo dạng kết cấu của chúng như sau:
- Theo vị trí của trục chính máy có: TTGC ngang, TTGC đứng.
- TTGC có bàn toạ độ, nghĩa là chuyển động X/Y của phôi và chuyển động Z của dụng cụ.
- TTGC có trụ đứng chuyển dịch, ở đây: dụng cụ thực hiện các chuyển động X,Y và Z; còn phôi, tuỳ theo yêu cầu, nghiêng hoặc quay theo 1 hoặc 2 trục (ở các trung tâm gia công 5 trục diều khiển số).
- TTGC có dầm ngang cố định hoặc chuyển dịch.
Các dạng kết cấu này có một hoặc nhiều trục để có thể gia công đồng thời nhiều chi tiết giống nhau, đặc biệt ở dạng sản xuất hàng loạt lớn thường sử dụng các TTGC có hai, ba hoặc bốn trục chính, điều đó đòi hỏi phải có những đồ gá kẹp nhiều phôi.
Như vậy, có thể tóm tắt như sau:
Ở TTGC, các dụng cụ có trong một máy đều lần lượt tiến tới và tác động đến phôi gia công. TTGC là một loại máy NC điển hình, chỉ được hình thành từ khi có phương pháp điều khiển NC; nghĩa là trước khi có NC không có TTGC.
1.2.1.3. Yêu cầu đặt ra đối với TTGC
TTGC điều khiển theo chương trình số là phương tiện thực hiện mục tiêu thông qua gia công toàn bộ các chi tiết tương tự với nhiều biện pháp công nghệ trong phạm vi một lần gá kẹp, đạt tới năng suất cao và tính kinh tế ưu việt. Phạm vi ứng dụng của TTGC NC rất rộng lớn. Để hoàn thành các nhiệm vụ công nghệ đặt ra, các TTGC NC phải thoả mãn những đòi hỏi sau đây:
- Thực hiện được nhiều biện pháp công nghệ khác nhau.
- Bàn kẹp chi tiết phải có khả năng quay và lật để có thể thực hiện gia công trên nhiều mặt toạ độ. Khi sử dụng một đầu lắp dụng cụ (đầu dao) có thể nghiêng theo phương ngang hoặc đứng, có thể gia công cả trục NC thứ 5.
- Thực hiện việc tự động đổi dao, đổi chi tiết để giảm bớt thời gian phụ hữu ích.
- Có kết cấu hai trục chính, một để thực hiện quá trình gia công thô và một để thực hiện quá trình gia công tinh và tinh xác nhằm đảm bảo độ chính xác gia công cao.
- Có thể thực hiện mọi công việc gia công (phay, khoan, tiện, cán phẳng, cắt ren), với kết cấu mở rộng phù hợp có thể phay biên dạng, khoan nghiêng hoặc tiện ren. Tốc độ quay và tốc độ tiến dao phải được lập trình cho từng dụng cụ.
- Các dụng cụ được đưa vào ổ tích dao nối ghép với máy gia công, được truy cập theo chương trình và thay đổi vào trục chính của máy. Kết cấu và khả năng thu nhận của ổ tích dụng cụ (Tool Magazine) rất khác nhau. Trong thực tế thường sử dụng các ổ tích dụng cụ dạng băng xích, dạng đĩa tròn và dạng hộp cassette (xem hình 1.6, 1.7).
- Có thêm các tay máy thay đổi phôi, thường là thiết bị thay đổi bệ/phiến gá (Pallete Changer), giảm thời gian dừng máy do phải thay đổi phôi gia công. Việc gá kẹp và tháo dỡ phôi được thực hiện trong thời gian cắt vật liệu ở bên ngoài phạm vi gia công của máy.
- Những TTGC phức tạp hơn còn có thêm các thiết bị khác, như có thêm bàn tròn thứ hai quay được, có thêm đồ gá nghiêng dùng cho phôi, hoặc có thêm một đầu lắp dao ngang hoặc đứng có thể điều chỉnh theo góc bất kỳ.
Ngày nay, người sử dụng có thể lựa chọn TTGC từ nhiều dạng và cỡ kết cấu khác nhau. Trước hết cần lựa chọn giữa hai dạng kết cấu: trục chính thẳng đứng và trục chính nằm ngang. Trong khi TTGC có các trục chính thẳng đứng thường thích hợp hơn với chi tiết gia công có dạng tấm, thì để gia công 4 hoặc 5 mặt của phôi có dạng khối vuông lại chủ yếu sử dụng các TTGC có trục chính nằm ngang. Ở các máy có trục chính nằm ngang, chuyển động X (dọc) và chuyển động quay chủ yếu do phôi thực hiện, chuyển động Y và Z do dụng cụ thực hiện. Từ đó có các ký hiệu trục là X’ YZB’.
Ở các TTGC có trục chính thẳng đứng, chủ yếu có các chuyển động X”Y’ZA’, tức là chỉ có chuyển động thẳng góc của trục chính theo trục Z là do dụng cụ thực hiện, còn lại do phôi thực hiện.
Tính vạn năng của một TTGC chỉ được tận dụng nhờ điều khiển theo quỹ đạo, trong nhiều trường hợp, điều khiển 2 1/2 D đã là đủ. Do độ phức tạp của chi tiết cơ khí tăng lên, những TTGC hiện nay cần có dạng điều khiển 3D, ít nhất là các trục có thể nội suy tuyến tính (Linear Interpolate) đồng thời. Khi sử dụng một đầu dao nghiêng phải nội suy đường thẳng theo 3 trục đối với lỗ nghiêng. Khi dùng một đầu dao tiện mặt đầu còn có thêm một hoặc hai trục điều khiển NC khác.
Các bảng giá trị hiệu chỉnh ứng với chiều dài dụng cụ, đường kính dao phay, tuổi bền dao và chế độ cắt cho các dụng cụ là một yêu cầu thường được đặt ra cho phạm vi sử dụng có giới hạn.
Ở các máy mới hơn, hệ CNC cũng phải có khả năng lưu trữ các thông số về trọng lượng dụng cụ, ký hiệu dụng cụ, biên dạng dụng cụ và những dữ liệu đặc trưng khác, để có thể quản trị dụng cụ tốt.
1.2.2. Các hệ thống thành phần của một TTGC
1.2.1.1. Hệ thống thay dụng cụ tự động
Nhiều máy NC yêu cầu sử dụng nhiều dụng cụ theo thứ tự gia công. Các đầu dao revolver từ lâu đã được sử dụng theo mục đích này, từ trước khi có máy NC, đặc biệt là ở các máy khoan và các máy tiện. Sau một nguyên công, đầu revolver tự động xoay thêm một vị trí, các vị trí không lắp dụng cụ sẽ được nhảy qua. Ở các máy NC có đầu dao revolver, dụng cụ yêu cầu phải được lập trình thông qua vị trí tương ứng của đầu dao revolver.
Hạn chế ở đây là số lượng dụng cụ có trong một đầu dao revolver dùng cho khoan có giới hạn 6…8, vì nếu số dụng cụ nhiều hơn có thể có nguy cơ xảy ra va đập giữa dụng cụ và phôi. Với những thiết kế cải tiến, đầu dao revolver có thể lắp tới 18 dụng cụ. Các máy tiện hiện nay còn sử dụng tới ba đầu dao revolver dạng đĩa tròn.
Ở những trung tâm gia công, số lượng các vị trí dụng cụ cần thiết lớn hơn nhiều, ở các trường hợp đặc biệt là 100 hoặc nhiều hơn. Vì vậy nhiều dạng kết cấu ổ tích dao (Tool Magazine) khác nhau đã được thiết kế, chế tạo và sử dụng, ví dụ : ổ tích dài, ổ tích dạng đĩa tròn, ổ tích vòng, ổ tích dạng xích, ổ tích dạng hộp băng casssete. Ở ổ tích dài nhiều dụng cụ được cắm hoặc treo thành một hay nhiều hàng bên cạnh nhau, ổ tích dạng đĩa tròn được lắp đặt về hai phía bên cạnh, phía sau hoặc phía trên trục chính máy, ổ tích vòng (Ring Magazine) có kết cấu gồm nhiều vòng tích dao (2...3) vòng tích dao bố trí đồng tâm nhau, các vòng tích dao này có khả năng quay độc lập với nhau, ổ tích dạng xích có kết cấu đơn hoặc kép, được bố trí về hai phía bên cạnh hoặc phía trên máy có thể nới rộng tuỳ nhu cầu sử dụng, ở ổ tích dao dạng hộp casssete, nhiều hộp cassete thay đổi nhau tiếp nhận dụng cụ. Trên hình 1.6, 1.7 là một số TTGC có ổ tích dao dạng đĩa, dạng xích.
Cơ cấu thay đổi đầu khoan tự động là phương tiện hỗ trợ để thực hiện các chức năng chuẩn bị các đầu khoan lớn hoặc các đầu khoan nhiều trục chính để sử dụng và thay đổi tự động khi gia công.
Máy, ổ tích dao và đồ gá thay đổi tạo thành một kết cấu thống nhất. Đối với khâu thay đổi dụng cụ giữa ổ tích dao và trục chính của máy cần có cơ cấu thay đổi dụng cụ, gồm một tay đón đơn hoặc kép, cũng có thể thực hiện thay đổi trực tiếp dụng cụ từ ổ tích dao vào trục chính của máy mà không cần có thêm tay tóm, giải pháp này có kết cấu đơn giản nhưng lại cần nhiều thời gian để thực hiện hơn.
Hình 1.6. Trung tâm gia công 5 trục với ổ tích dao dạng đĩa
Hình 1.7. Trung tâm gia công 4 trục chính với ổ tích dao dạng xích
1.2.1.2. Mã hiệu dụng cụ và nhận dạng dụng cụ
Trên máy CNC, mỗi dụng cụ được đặc trưng bởi một mã riêng. Mã đó cùng với các thông số bù dao được lưu trữ trong một cơ sở dữ liệu đặc biệt. Bình thường các dao được lắp sẵn trên đầu 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.
Để mã hiệu dụng cụ có nhiều cách khác nhau, nhưng trước hết cần phải nhận biết ưu điểm và hạn chế của từng cách mã hiệu dụng cụ hiện được áp dụng. Đó là: mã hiệu vị trí, mã hiệu dụng cụ theo cách cơ khí, mã hiệu dụng cụ theo điện tử, mã hiệu vị trí thay đổi.
- Ở cách mã hiệu vị trí, các vị trí trong ổ tích dao từ 1 đến n, được đánh số và trong chương trình gia công chi tiết không phải là dụng cụ mà là vị trí được lập trình. Sau khi được sử dụng, từng dụng cụ lại trở về vị trí quy định của nó trong ổ tích dao. Ưu đIểm của cách này là: tìm kiếm vị trí nhanh, xác nhận vị trí năng động bằng hệ thống thích hợp như dùng cam mã hiệu dài hoặc dùng các dạng khác; vì vậy, tốc độ tìm kiếm có thể cao; dụng cụ cỡ lớn có thể nhận vị trí bất kỳ, các vị trí lân cận là để trống, hiện tượng va đập không xuất hiện. Nhược điểm của cách này là: khi thay đổi chương trình phải xác định lại vị trí của các dụng cụ trong ổ tích dao theo như chương trình mới hay khi ghép nhóm chi tiết gia công bất kỳ có thể xuất hiện các vấn đề, nếu theo chương trình gia công lại có nhiều dụng cụ khác nhau nhận vị trí như nhau; việc điền đầy ổ tích dao với những dụng cụ cùng họ là một vấn đề phức tạp và chỉ có thể thực hiện được bằng các thủ thuật đặc biệt trong hệ CNC.
- Mã hiệu dụng cụ theo cách cơ khí là cách mà từng dụng cụ, ví dụ: ở cán hình trụ của cơ cấu tiếp nhận dụng cụ có các vòng mã hiệu. Ưu đIểm của cách này là: sắp xếp bất kỳ các dụng cụ trong ổ tích dao; số hiệu dụng cụ được lập trình; xác định vị trí của ổ dụng cụ trong ổ tích dao bất kỳ; các dụng cụ có thể đổi vị trí cho nhau trong quá trình thay đổi. Hạn chế của cách này là: tốn thời gian và có sai số khi lắp ghép các vòng mã hiệu, cơ cấu giữ dụng cụ đắt tiền với thiết bị mã hoá; cơ cấu giữ được mã hoá không có khả năng sử dụng cho mọi loại máy; xác nhận dụng cụ kém năng động, vì vậy có tốc độ tìm kiếm thấp của ổ tích dao; thời gian tìm kiếm dài, vì quãng đường ngắn nhất không được biết. Để tránh điều đó, các dụng cụ có thể được sắp xếp theo số hiệu tăng dần và những vị trí đó phải được giữ nguyên. Nếu sử dụng các dải mã hiệu mỏng dán lên dụng cụ để thay cho các vòng mã hiệu thì cũng không khắc phục được vấn đề đó. Mặt khác, các dải mã hiệu lại dễ bị bong ra do tác động của chất làm mát.
- Ở cách mã hiệu dụng cụ điện tử, từng vị trí tiếp nhận dụng cụ nhận được một con chíp điện tử để nhớ số hiệu dụng cụ hoặc các dữ liệu dụng cụ. Ưu điểm của cách này là: quá trình mã hoá và đọc được thực hiện tự động, không có tác động bằng tay, ít có sai số, từng dụng cụ mang tất cả dữ liệu hoặc mang số hiệu dụng cụ. Trong trường hợp này, máy tính sau khi đọc số hiệu dụng cụ sẽ cung cấp mọi dữ liệu dụng cụ thông qua đường dẫn dữ liệu tới hệ CNC. Hạn chế của cách này là: đắt hơn vì trong từng vị trí tiếp nhận phải lắp đặt một con chíp để nhớ; ở từng máy cần có một trạm ghi và đọc. Dữ liệu chỉ được đọc một lần khi nạp một dụng cụ vào ổ tích dao. Sau đó hệ CNC đảm nhận việc xử lý dữ liệu dụng cụ đã thay đổi tới con chip dữ liệu hoặc tới máy tính mới được thực hiện.
- Với cách mã hiệu vị trí thay đổi, người vận hành máy nạp từng dụng cụ vào từng vị trí bất kỳ trong ổ tích dao và cung cấp thông tin này cho hệ CNC. Hệ CNC tiếp nhận ngay và thực hiện tiếp khâu quản trị dữ liệu. Cách này ngày càng chiếm ưu thế vì nó tận dụng các tính chất ưu việt của hệ điều khiển số và tránh các điểm hạn chế. Ưu điểm của cách này là: sử dụng các dụng cụ không mã hoá hoặc các dụng cụ mã hoá đIện tử, tận dụng cách mã hiệu vị trí tin cậy của ổ tích dao, lập trình số hiệu dụng cụ trong chương trình, tiến trình tìm kiếm với quãng đường ngắn nhất, thời gian thay đổi dụng cụ ngắn vì dùng tay tóm kép trao đổi hai dụng cụ giữa vị trí ở ổ tích dao và vị trí trục chính. Điều kiện ứng với cách mã hiệu vị trí thay đổi là một hệ CNC có hệ phần mềm cần thiết. Hệ CNC này phải:
- Tạo lập được sự sắp xếp đúng của các dữ liệu trong từng lần thay đổi dụng cụ và lưu giữ (nhớ) các dữ liệu đó toàn vẹn.
- Cung cấp các giao diện dữ liệu tương ứng cho thiết bị đọc/ghi của linh kiện dữ liệu và cho máy tính dữ liệu dụng cụ khi sử dụng hệ thống mã hiệu điện tử.
- Hỗ trợ khâu thay đổi dụng cụ bằng tay bằng cách hệ CNC dưa dụng cụ tìm kiếm tới một trạm lấy dụng cụ và hiển thị số hiệu dụng cụ để kiểm tra.
- Giữ chỗ cố định cho các dụng cụ quá cỡ và để trống các chỗ bên cạnh.
1.2.1.3. Thay đổi phôi và chi tiết gia công
Với thiết bị thay đổi phôi và chi tiết gia công tự động có thể tránh được thời gian phụ để điều chỉnh, kẹp chặt, gá lắp, tháo dỡ phôi, chi tiết gia công bằng cách thực hiện các thao tác đó ở ngoài phạm vi thời gian cắt vật liệu. Tiền đề ở đây là máy được trang bị một cơ cấu thay đổi pallete (Pallete Changer). Pallete là phương tiện mang phôi, trên mặt đế có các bề mặt và các phần tử chức năng để định vị và kẹp chặt một cách chính xác lên bàn của trung tâm gia công. Các pallete này được thiết bị thay đổi chuyển tự động từ trạm chờ tới phạm vi gia công của máy và sau khi gia công xong chi tiết lại được chuyển đi. Nhờ vậy, các phôi được thay đổi chỉ trong vài giây. Khi có thêm ổ tích pallete (Pallete Pool) hoặc hệ vận chuyển khép kín có thể tự động thay đổi phôi và chi tiết trong thời gian gia công dài bất kỳ.
Thay đổi pallete tự động là điều kiện bắt buộc đối với giải pháp tích hợp hoá các trung tâm gia công để thiết lập các hệ thống gia công linh hoạt. Đối với những trường hợp ứng dụng này, các pallete phải được trang bị thêm các hệ thống mã hiệu nạp và đọc tự động, chẳng hạn để có thể cho biết trước số hiệu phôi hoặc chi tiết, số hiệu máy và thứ tự cần đảm bảo khi gia công trên máy CNC.
Ở các thiết bị mã hoá này còn có yêu cầu phải tạo khả năng xác định rõ sau khi gia công là các pallete đã qua các máy nào trong hệ thống gia công linh hoạt. Yêu cầu này là cần thiết để khi có sai số gia công xuất hiện, khi giới hạn dung sai bị vượt qua hoặc có phế phẩm thì người vận hành máy dễ dàng phát hiện ra máy hoặc dụng cụ gia công nào có sai số.
1.2.1.4. Hình thức tổ chức dòng lưu thông dao cụ tự động hoá
Tự động hoá dòng lưu thông dao cụ được thực hiện theo hai giai đoạn:
Giai đoạn 1: điều chỉnh các dao cắt và nạp chúng vào ổ tích dao. Giai đoạn này thường được tiến hành bằng tay hoặc cơ khí hoá và tự động hoá từng phần. (mài dao để bảo đảm các góc cạnh và bề mặt của từng phần tử cắt hoặc lắp ghép các mảnh cắt vào một thân dao tổ hợp...).
Giai đoạn 2: lấy dao đã gia công từ ổ kẹp dao trên trục công tác nạp trở lại ổ tích dao và thay vào ổ kẹp dao của trục chính một con dao khác đến lượt gia công. Đây là giai đoạn đổi dao trên máy. Nó được thực hiện tự động hoá một cách triệt để. Kết cấu và nguyên tắc hoạt động của các cơ cấu đổi dao chịu ảnh hưởng của những yếu tố sau đây:
- Số lượng dao đòi hỏi trong quy trình công nghệ.
- Không gian chuyển đổi giữa trục chính và ổ tích dao.
- Thứ tự dao cụ, cách sắp xếp, địa chỉ và mã hoá địa chỉ của chúng trong ổ tích dao.
- Lượng điều chỉnh dao hoặc điều chỉnh sai lệch của dao thực hiện trên máy trong quá trình điều khiển máy.
Nhằm mục đích hạn chế đến mức thấp nhất các chi phí cho các thiết bị đổi dao tự động, cần thiết phải xác định số lượng dao cụ trên mỗi trạm công nghệ là nhỏ nhất như có thể. ở đây, đặt ra vấn đề hợp lý hoá giữa số lượng dao trong ổ tích dao với năng tính kỹ thuật của mỗi trung tâm gia công ngay từ giai đoạn thiết kế.
Những đầu revolver hình sao hoặc hình trống thường bị hạn chế về khả năng tích dao. Đầu revolver hình sao được thiết kế cho khu vực điều chỉnh kẹp dao, hoặc được lắp vào ụ trục chính nhiều trục công tác.
(hình vẽ)
Khi cần tích luỹ nhiều dao cụ, ta thường dùng các kết cấu phù hợp: ổ tích luỹ dao dạng đĩa ổ tích dao nhiều tầng, ổ tích dao dạng xích và các kết cấu khác.
Các dạng ổ tích luỹ dao được phân biệt bởi các tiêu hao cho chuyển động đi tới vị trí dao, các nhu cầu về chỗ xếp đặt dao, số lượng các chuyển động và chiều dài của con đường vận chuyển dao cụ. Kết cấu đổi dao chình bày như trên hình thực hiện theo nguyên tắc thời gian đổi dao tính vào thời gian nguyên công. Trục chính khi đổi dao phải đứng yên. Trái lại ở các máy có kết cấu hai trục chính hình, trục bên trên được thay dao trong khi trục phía dưới đang thục hiện thời gian cơ bản, và do đó thời gian nguyên công chỉ tính thêm khoảng đóng mạch đổi đầu dao rơvonve. Giải pháp có ưu điểm đặc biệt là những đầu khoan nhiều trục, trong đó có thể đổi đồng thời nhiều dao cùng lúc như hình mô tả.
Trong mặt tường của giá tích luỹ Palette 2 có một trung tâm tàng trữ dao cụ. Trung tâm này được nối ghép với các xích trữ dao thông qua một xe chuyển dao. Một tổ chức phân phối như vậy cho phép thực hiện mang chuyển bất cứ dao cụ nào tới bất cứ máy nào.
Trong dòng lưu thông dao cụ, việc xếp đặt dao và địa chỉ hoá vị trí của chúng là một vấn đề quan trọng. Các phương án xếp dao trong ổ tích luỹ có thể thực hiện theo nhiều quan điểm khác nhau:
- Xếp đặt dao theo trình tự các nguyên công gia công. Những dao cụ giống nhau trong những bước nguyên công khác nhau được lặp lại trong ổ tích dao nhiều lần để tránh vận chuyển phức tạp. Khi nạp dao lần đầu tiên vào ổ tích dao, cần phải có một sự chú trọng, cẩn thận tuyệt đối để tránh nhầm lẫn thứ tự dùng dao trong quy trình công nghệ.
- Xếp đặt dao theo thứ tự chỗ đặt trong ổ tích dao (hình vẽ)
Số thứ tự vị trí trong ổ = số thứ tự dao cụ: mỗi con dao có một vị trí cố định của nó trong ổ tích luỹ. Ta gọi là sự mã hoá địa chỉ theo vị trí của ổ tích dao.
- Xếp đặt dao theo thứ tự bất kỳ. Các dao cụ được mã hoá. Một thiết bị đọc, đọc trên các vòng mã hoá, chọn ra con dao gia công ở bước tiếp theo. Việc nạp dao lần đầu tiên hoặc nạp dao trở lại đều có thể thực hiện bất kỳ.
1.2.1.5. Tổ chức dòng lưu thông chi tiết
Về nguyên tắc, cấu trúc của các hệ thống tự động linh hoạt chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi phương thức tổ chức dòng chi tiết trong hệ thống máy. Những yêu cầu phải quán triệt khi chọn lựa phương án tổ chức dòng chi tiết là:
- Có con đường vận chuyển ngắn nhất
- Có tính linh hoạt trong thứ tự các nguyên công gia công
- Có mức độ chất tải tối ưu đối với các trạm gia công
- Có thời gian thông thoát chi tiết ngắn nhất
- Có điều kiện phục vụ nhiều máy thông qua thiết bị chuyển đổi
- Có giá thành chế tạo rẻ.
Nghiên cứu các hệ thống TĐLH hiện có trên thế giới, ta thấy rõ trong nguyên tắc tổ chức dòng chi tiết có ba phương án cơ bản và một phương án mở rộng.
a- Hệ thống máy với nguyên tắc “ nối ghép thay thế
Hình ( ) trình bày sơ đồ nguyên tắc của phương án nối ghép này
Hình ...Hệ thống máy nối ghép theo nguyên tắc thay thế
Cả trong phương án đặt các trạm công nghệ trên đường thẳng hoặc đường tròn, đặc tính cơ bản của hệ thống là:
Các TTGC đứng trong hệ thống được nối ghép với ổ tích luỹ trung tâm một cách song song, không phụ thuộc nhau. Trong hệ thống chỉ có mối quan hệ trao đổi phôi liệu và chi tiết đã gia công giữa ổ tích luỹ trung tâm và từng trạm công nghệ riêng lẻ.
Một trình tự công nghệ từ trạm này sang trạm khác là không bắt buộc, nếu có cũng phải thông qua ổ tích luỹ trung tâm để chuyển đổi (ổ tích luỹ “tích cực“). Do đặc tính này mà những đòi hỏi về mặt tổ chức đối với hệ thống điều khiển đặt ra đơn giản, tạo điều khiện cho các cơ cấu vận chuyển và trao đổi phôi liệu dễ dàng phục phụ nhiều máy. Các trạm gia công được chất tải cao về thời gian, tuy nhiên việc sử dụng các tính năng kỹ thuật của chúng không được triệt để. Nói cách khác tính linh hoạt của hệ thống bị hạn chế một cách đáng kể.
b - Hệ thống máy với nguyên tắc “Nối ghép bổ sung
Hình ... Hệ thống máy theo nguyên tắc “nối ghép bổ sung”
Hình ... mô tả nguyên tắc tổ chức của hệ thống. ở đây có thêm mối quan hệ trao đổi phôi liệu hoặc bán thành phẩm giữa các trạm công nghệ khác nhau. Một trình tự công nghệ đi qua các trạm được xác định từ chương trình điều khiển, chi tiết sẽ được gia công hoàn thiện trên đường lưu thông của chúng, các trạm công nghệ “ bổ sung “ những khả năng kỹ thuật cho nhau, cùng tham gia gia công hoàn thiện cho chi tiết. Theo đó những yêu cầu điều hành dòng chi tiết đặt ra cho hệ thống điều khiển sẽ phức tạp hơn, tuỳ thuộc số trạm công nghệ có mặt trong hệ thống và số địa chỉ mà một tiến trình công nghệ phải đi qua. Khả năng phục vụ nhiều máy của các cơ cấu vận chuyển và trao đổi phôi liệu bị hạn chế. ở một mức độ nhất định, việc phân chia các nhiệm vụ gia công trên các trạm công nghệ phải đạt được những thời gian chu kỳ xấp xỉ nhau. Với nguyên tắc nối ghép này, hệ thống máy tỏ ra có tính linh hoạt cao hơn, các trạm công nghệ được khai thác triệt để hơn những tính năng kỹ thuật của chúng.
c - Hệ thống máy với nguyên tắc “nối ghép tổ hợp“
Hình 1.. . Trình bày sơ đồ nguyên tắc nối ghép hệ thống, trong đó tồn tại bất cứ một mối quan hệ trao đổi nào. Đây là hệ thống máy có tính linh hoạt cao hơn cả so với hai hệ thống vừa mô tả
Các trung tâm gia công vừa được chất tải cao về mặt thời gian, vừa có điều khiện phát huy triệt để năng tính kỹ thuật của chúng. Các phương tiện vận chuyển và trao đổi phôi liệu có điều kiện phục vụ nhiều máy. Hiện nay, các hệ thống máy TĐLH chủ yếu được thiết lập theo nguyên tắc nối ghép này.
Hình ... Hệ thống máy theo nguyên tắc nối ghép tổ hợp
d - Hệ thống máy với nguyên tắc “nối ghép mở rộng“
Hình ... Hệ thống máy theo nguyên tắc nối ghép mở rộng (L3: kho trung gian)
Theo nguyên tắc nối ghép này, nhờ có thêm các ổ tích luỹ trung gian-đảm nhiệm địa chỉ “trung chuyển“–mà tính linh hoạt của hệ thống máy được nâng cao thêm một mức, đặc biệt là linh hoạt về mặt thời gian. Ở đâu dòng lưu thông chi tiết “chảy“ nhanh thì đã có ổ tích luỹ trung gian điều hoà, tránh được hiện tượng ứ tràn hoặc bế tắc trong lưu thông chung của dòng chi tiết trong hệ thống máy. Trình tự công nghệ có thể là bất kỳ, chu kỳ thời gian của mỗi công đoạn không cần gò ép để đạt tính xấp xỉ, trái lại có thể tuỳ ý khai thác tối đa các chế độ cắt gọt rất khác nhau, cừa đảm bảo chất lượng bề mặt gia công cũng như các điều kiện kỹ thuật khác.
1.3. TRUNG TÂM GIA CÔNG DMU 60T
1.3.1. Giới thiệu
Trung tâm gia công CNC DMU 60T là một trong những loại TTGC vào loại hiện đại nhất nước ta hiện nay. Phần cứng do hãng DECKEL MAHO chế tạo, sử dụng phần mềm được tích hợp trong bộ điều điều khiển TNC 426 của hãng HEIDENHAIN. DMU 60T được chế tạo theo các công nghệ cao nhất và thoả mãn được tất cả các tiêu chuẩn về chất lượng, các đặc tính kỹ thuật cũng như các tiêu chuẩn về an toàn quốc tế. Nhìn chung, TTGC DMU 60T có thể thoả mãn được các thao tác bằng tay cũng như tự động.
Hình 1.7. Trung tâm gia công DMU 60T
1.3.2. Phạm vi sử dụng
TTGC DMU 60T có thể được sử dụng để thực hiện các công việc sau đây:
- Phay (theo tiêu chuẩn DIN 8589)
- Phay mặt phẳng
- Phay mặt cong
- Phay rãnh xoắn
- Phay lăn răng
- Phay chép hình
- Phay định hình
- Khoan và doa
- Khoả mặt đầu
- Khoan và doa lỗ
- Tarô và cắt ren ngoài
- Khoan và doa theo toạ độ
- Khoan các lỗ không trụ
Các vật liệu gia công trên máy là: kim loại, gỗ và chất dẻo. Với các vật liệu dễ cháy, nổ (chẳng hạn như magiê) không được phép gia công nếu chưa có các biện pháp an toàn được áp dụng.
DMU 60T được trang bị kèm theo một số lượng lớn các thiết bị cũng như phụ tùng đặc biệt như: đầu phay đứng, đầu phay cao tốc 30 000 vòng/phút, thiết bị tải phoi, bôi trơn và làm mát. Đặc biệt, TTGC còn được trang bị một ổ tích dao với dung lượng tới 25 ¸ 40 dụng cụ, tay máy để thay đổi dụng cụ và hệ thống khí nén và thuỷ lực nhằm phục vụ cho việc thay đổi và kẹp chặt dụng cụ, các loại bàn máy vạn năng cũng như bàn quay, các thiết bị đo tích cực và thiết bị đo hiệu chỉnh dụng cụ.
1.3.3. Các thông số kỹ thuật của máy
1.3.3.1. Truyền dẫn chính
- Động cơ servo AC điều khiển kỹ thuật số
- Hộp tốc độ hai cấp tốc độ, tự động thay đổi tốc độ
- Phạm vi điều chỉnh tốc độ
Chuẩn [vòng/phút] 20 ¸ 6300 vòng/phút
Khoảng chọn [vòng/phút] 20 ¸ 8000 vòng/phút
Ở chế độ cài đặt [vòng/phút] 20 ¸ 800 vòng/phút
1.3.3.2. Truyền dẫn chạy dao
Các động cơ ở truyền dẫn chạy dao cho cả ba trục X,Y,Z là các động cơ điện AC kỹ thuật số
- Bước tiến cắt gọt cho các trục X,Y,Z 20 ¸ 10000 vòng/phút
- Bước tiến nhanh
Cho trục X,Y 18 m/phút
Cho trục Z 17 m/phút
- Chế độ cài đặt cho cả 3 trục 20 ¸ 2000 mm/phút
1.3.3.3. Hệ thống đo đường dịch chuyển
- Độ phân giải
Cho các trục X,Y,Z 0,001 mm
- Gia số nhỏ nhất 0,001 mm
- Sai lệch vị trí theo các phương X,Y,Z 0,010 mm
- Hành trình làm việc (khoảng dịch chuyển)
Trục X 600 mm
Trục Y 525 mm
Trục Z 500 mm
1.3.3.4. Các thông số khác
- Trục chính kẹp chặt bằng thuỷ lực SK 40/HSK-E50
- Bộ đổi dụng cụ và ổ chứa dụng cụ SK
Ổ chứa dụng cụ số lượng: 25 dụng cụ
Đường kính lớn nhất của dụng cụ trong ổ
Với tất cả các vị trí đều có dụng cụ 80 mm
Với dụng cụ đặt cách quãng 160 mm
Chiều dài lớn nhất của dụng cụ
Với bộ đổi dao tự động 8 kg
Khối lượng lớn nhất của toàn bộ dụng cụ có thể chứa được trong ổ chưa dụng cụ 100 kg
Áp suất khí nén 5,5 ¸ 8,0 bar
1.3.3.5. Bàn máy:
- Bàn máy cố đinh:
|
Kích thước bang máy |
900x543 mm |
|
Khoảng cách giữa các rãnh chữ T |
63 mm |
|
Số lượng/ kích thước rãnh chữ T |
8/14H7 |
- Bàn máy vạn năng:
|
Kích thước bàn máy |
f750x520 mm |
|
Khoảng cách giữa các rãnh chữ T |
63 mm |
|
Số lượng/kích thước rãnh T |
8/14 H7 |
|
Góc quay của bàn máy theo phương thẳng đứng |
360o |
|
Góc nghiêng bàn máy so với trụ đứng |
± 45o |
|
Tỷ số truyền |
|
|
Độ phân giải của bộ hiển thị số của chuyển động quay |
0,001o |
|
Khối lượng bàn máy |
310 kg |
- Bàn quay NC:
|
Kích thước bàn máy |
f630x510 mm |
|
Đường kính lỗ tâm của bàn máy |
f50H6 |
|
Khoảng cách giữa các rãnh chữ T |
63 mm |
|
Số lượng/kích thước rãnh T |
714 H7 |
|
Mômen quay tôi đa |
1830Nm |
|
Mômen hãm |
5950 Nm |
|
Tốc độ quay tối đa |
3600o/phút |
|
Độ phân giải của bộ hiển thị số của chuyển động quay |
0,001o |
|
Khối lượng bàn máy mà bàn máy có thể mang được |
|
|
Với bàn máy cố định |
350 kg |
|
Với bàn máy vạn năng |
350 kg |
|
Với bàn máy NC |
350 kg |
1.3.4. Phân tích động học của máy:
1.3.4.1. Động học truyền dẫn chính:
Trung tâm gia công có phạm vi biến đổi tốc độ rộng R = = 400.
Từ đồ thị quan hệ mô men- công suất – số vòng quay của truyền động chính, ta có mấy nhận xét như sau:
- Tại các dải tốc độ từ 221 – 4117 vòng/ phút của trục chính thì công suất được sử dụng 100% công suất và mô men xoắn nhỏ hơn mômen xoắn giới hạn. Mômen xoắn giới hạn đạt được giải tốc độ từ 20 – 221 vòng/phút của trục chính.( Giá trị mômen xoắn giới hạn của trục chính bằng 561.7 Nm ).
- Điều này khá hợp lí khi thiết kế bởi Mx tỉ lệ thuận với Công suất N của động cơ và tỉ lệ nghịch với số vòng quay của trục, Mx cứ tăng khi công suất truyền động là không đổi còn số vòng quay cứ giảm. Để đảm bảo cho Mx luôn nhỏ hơn giá trị Mx giới hạn thì ta chọn giải pháp giảm Công suất truyền dẫn để được một tỉ số là không đổi.
- Động cơ AC vô cấp tốc độ điều khiển bằng bộ biến tần được phân thành hai giải tốc độ như đã nêu ở trên, các giải tốc độ này được thiết kế tương ứng với các công suất động cơ nhất định một phần để tiết kiệm, tăng tuổi thọ của máy,…
- Mức độ phức tạp của truyền dẫn thấp. Hiệu suất chung của truyền dẫn cao, và độ phức tạp khi sửa chữa phần cơ khí thấp.
- Mức độ tự động hoá cao do sử dụng bộ phận tự động thay đổi tốc độ bằng hệ thống điều khiển điện – thuỷ lực.
1.3.4.1. Động học truyền dẫn chạy dao:
Truyền dẫn chạy dao trong TTGC DMU60T có các tính chất giống với truyền dẫn chạy dao của các máy CNC thông thường như:
- Có tính động học rất cao: nếu các đại lượng dẫn biến đổi, thì bàn máy phải theo kịp biến đổi đó trong thời gian ngắn nhất.
- Có độ ổn định số vòng quay cao khi các lực cản chạy dao biến đổi, cần hạn chế tới mức thấp nhất ảnh hưởng của nó tới tốc độ chạy dao. Ngay cả khi tốc độ là nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo chuyển động êm đều.
- Phạm vi điều chỉnh số vòng quay là cao nhất có thể được.
Chuyển động chạy dao có thể thực hiện trên cả 4 trục ( ba chuyển động tịnh tiến theo cả ba trục toạ độ và một chuyển động quay). Các chuyển động này đều dùng các nguồn động lực riêng biệt. Qua bộ truyền đai răng có tỉ số truyền bằng 1/2 và tới bộ truyền vít me đai ốc bi để thực hiện chuyển động tịnh tiến của bàn máy theo trục. Đường truyền ngắn cơ cấu di động dùng vít me đai ốc bi cho nên hiệu suất của truyền dẫn cao, tổn thất tốc độ thấp, khử được khe hở ren do có thể tạo lực căng ban đầu, hệ số ma sát tĩnh nhỏ.
Đặc biệt TTGC DMU 60T có một vài điểm khá đặc biệt ( khác với một vài dòng CNC trước đó):
- Động cơ cho chuyển động chạy dao không dùng các động cơ bước hoặc động cơ một chiều như các máy CNC truyền thống, mà sử dụng động cơ xoay chiều AC kỹ thuật số có phản hồi ( sử dụng bộ biến tần trong mạch , đảm bảo được độ chính xác của tốc độ động cơ rất cao).
....................................................................
CHƯƠNG 4
NHỮNG NGHIÊN CỨU MỞ ĐẦU TRÊN LĨNH VỰC MÔ PHỎNG
Mở đầu
Việc mô phỏng nói chung và mô phỏng động lực học hệ nhiều vật nói riêng đang trở thành một hướng nghiên cứu mới, được nhiều trường đại học trên thế giới quan tâm và đã thu được nhiều kết quả. Ở nước ta, lĩnh vực mô phỏng cũng đang được các trường Đại học, các viện khoa học đầu tư và hợp tác nghiên cứu. Trong số đó có thể kể đến Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Xây dựng, Đại học Giao thông vận tải, Học viện Kỹ thuật quân sự… Trong chương này chúng ta sẽ tìm hiểu sơ bộ về mô phỏng, các phương pháp mô phỏng và ứng dụng một số phương pháp để mô phỏng dao động xoắn của cụm trục chính TTGC DMU 60T.
TTGC DMU 60T do hãng DECKEL MAHO (Đức) chế tạo năm 1998 là một trong những trung tâm gia công vào loại hiện đại nhất nước ta hiện nay. Trung tâm gia công được chế tạo theo các công nghệ hàng đầu và thoả mãn được tất cả các tiêu chuẩn về chất lượng, các đặc tính kỹ thuật cũng như các tiêu chuẩn về an toàn quốc tế, trong đó đặc biệt phải kể đến cụm trục chính của TTGC này. Do yêu cầu độ cứng vững và ổn định cao nên việc chế tạo cụm trục chính TTGC này đòi hỏi phải có những nghiên cứu khảo sát đặc biệt.
Với mục đích tìm hiểu, làm quen với việc nghiên cứu chế tạo các loại máy công cụ cao cấp khác ở Việt Nam, chúng em được giao nhiệm vụ khảo sát và mô phỏng dao động xoắn cụm trục chính TTGC DMU 60T này.
4.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ MÔ PHỎNG
Việc mô phỏng nói chung và mô phỏng động lực học hệ nhiều vật nói riêng đang trở thành một hướng nghiên cứu mới, được nhiều trường đại học trên thế giới quan tâm và đã thu được nhiều kết quả. Ở nước ta, lĩnh vực mô phỏng cũng đang được các trường Đại học, các viện khoa học đầu tư và hợp tác nghiên cứu. Trong số đó có thể kể đến Đại học Bách khoa Hà Nội, Đại học Xây dựng, Đại học Giao thông vận tải, Học viện Kỹ thuật quân sự … Trong công trình nghiên cứu này chúng ta sẽ tìm hiểu sơ bộ về mô phỏng, các phương pháp mô phỏng và ứng dụng một số phương pháp để mô phỏng dao động xoắn của cụm trục chính trung tâm gia công DMU 60T.
4.1.1. Mô phỏng là gì?
Mô phỏng là sự mô tả, bằng mô hình, một thực thể (một quá trình hoặc một hệ thống) theo thời gian.
Quá trình mô phỏng này được thực hiện bằng cách xây dựng một mô hình mô phỏng. Mô hình mô phỏng là sự đơn giản hoá một hệ thống thực. Mô hình được thiết lập dựa trên các mối liên hệ về mặt toán học, logic giữa các thành phần của hệ thống thực.
4.1.2. Mục đích và những lợi ích của mô phỏng
Mục đích của kỹ thuật mô phỏng là nghiên cứu khảo sát, dự đoán các hiện tượng có thể xảy ra trong mô hình thực thông qua mô hình mô phỏng đã được xây dựng. Thông qua việc mô phỏng ta sẽ biết được sự phụ thuộc lẫn nhau của các yếu tố trong mô hình, những thay đổi có thể có của hệ thống thực có thể được mô phỏng nhằm dự đoán những ảnh hưởng, những hiện tượng có thể xảy ra để có các biện pháp xử lí theo ý muốn. Độ chính xác của những dự đoán này phụ thuộc vào thời gian mô phỏng và việc mô hình hoá có chính xác hay không. Thời gian mô phỏng càng dài và quá trình mô hình hoá càng chính xác thì việc dự đoán dựa trên kết quả mô phỏng càng chính xác.
Công việc mô phỏng có thể được thực hiện bằng tay, lập trình hoặc với sự trợ giúp của các phần mềm mô phỏng chuyên dụng, ta có thể hình dung sơ đồ các bước mô phỏng như sau:
Mô phỏng là một trong những phương pháp thí nghiệm rẻ nhất khi mà các thí nghiệm thực nhất là trong lĩnh vực cơ khí cần rất nhiều chi phí, nhất là khi có sai sót trong quá trình thi hành.
Mô phỏng là một phương pháp thí nghiệm có thể điều chỉnh được thời gian. Một quá trình hoạt động của hệ thực có thể mất hàng tuần, hàng tháng, thậm chí hàng năm hay ngược lại, có thể chỉ mất vài milli giây, nhưng trong mô phỏng ta có thể điều chỉnh thời gian một cách hợp lý để quá trình quan sát được dễ dàng và chính xác hơn. Một dải thời gian rộng hàng năm có thể được quan sát trong 1 giây hay như trong bài toán cụ thể dưới đây, vài milli giây có thể được quan sát trong hàng phút.
Khả năng lặp lại nhiều lần một cách chính xác: hệ thống thực không cho phép lặp đi lặp lại chính xác trong một hoạt động nhưng đối với mô phỏng nhất là trên máy tính thì quá trình lặp này chính xác hoàn toàn.
An toàn nhất: mô phỏng hoàn toàn có thể thực hiện được những thí nghiệm nguy hiểm hoặc độc hại mà thí nghiệm thực không thể thực hiện được hoặc rất phức tạp.
Ngoài ra mô phỏng còn có thể thực hiện được những thí nghiệm mà thí nghiệm thực quá phức tạp không thể tiến hành được hoặc rất khó quan sát.
4.1.3. Nhược điểm của mô phỏng
- Công việc mô hình hoá hoàn toàn không đơn giản, nhiều khi rất phức tạp không thể khảo sát nổi. Để mô hình hoá được tối ưu thì cần phải được đào tạo đặc biệt và có nhiều kinh nghiệm.
- Kết quả mô phỏng nhiều lúc rất khó giải thích. Nguyên nhân có thể do kết quả của sự tương tác qua lại ngẫu nhiên.
- Việc xây dựng mô hình và phân tích có thể mất nhiều thời gian và tốn kém.
4.2. CÔNG VIỆC MÔ PHỎNG ĐỐI VỚI CỤM TRỤC CHÍNH TRUNG TÂM GIA CÔNG DMU 60T
4.2.1. Chọn công cụ mô phỏng dao động xoắn cụm trục chính trung tâm gia công DMU 60T
Cụm trục chính trung tâm gia công DMU 60T có kết cấu rất phức tạp, đặc biệt là trục chính có nhiều bậc cả trong và ngoài. Có nhiều phầm mềm mô phỏng thường dùng như ALASKA, Dynamic Designer Motion (DDM), MatLab Simulink, ... Nhìn chung các phần mềm này đều thích hợp để mô phỏng dao động xoắn cụm trục chính của trung tâm gia công DMU 60T, tuy nhiên so với DDM hay MatLab Simulink thì ALASKA có những hạn chế sau:
- Lập trình khó khăn: ngoài việc phải dùng đúng cú pháp câu lệnh còn đòi hỏi người dùng phải tính toán và nhập đúng toạ độ của các đối tượng hình học, các khối tâm, các điểm gắn, ...
- Không có định nghĩa sẵn các phần tử lò xo xoắn (Torsion Spring), giảm chấn xoắn(Torsion Damper) (rất cần thiết đối với đối tượng nghiên cứu ở công trình này): ALASKA thay vào đó là siêu phần tử đàn hồi nhưng việc sử dụng cũng không linh hoạt và quá nhiều bậc tự do không cần thiết.
- Kết quả không suất ra được file Video
Trong khi đó đối với DDM thì việc vẽ hình và nhập dữ liệu đơn giản hơn nhiều. Do chạy trên nền Mechanical Desktop (MDT) nên nó sử dụng mọi chức năng của MDT. Ngoài ra DDM còn hỗ trợ các phần tử lò xo xoắn và giảm chấn xoắn. Kết quả có thể xuất ra đồ thị hoặc file Video. Đối với MatLab Simulink thì không mô phỏng động học mà chỉ xây dựng mô hình toán học và đưa kết quả ra đồ thị. Không cần phải định nghĩa các phần tử lò xo, giảm chấn. Do có những ưu điểm đó nên ta chọn Dynamic Disigner Motion và MatLab Simulink để mô phỏng trong công trình nghiên cứu này. Đây là hai phần mềm chuyên dụng hỗ trợ rất mạnh cho mô phỏng. Ta sẽ đi sâu vào nghiên cứu hai phần mềm đó đối với bài toán đã đặt ra trong phần tiếp theo.
4.2.2. Xây dựng mô hình
4.2.2.1. Các giả thiết và điều kiện đầu của bài toán
Nhìn chung, các máy công cụ thực hiện hai chuyển động cơ bản: chuyển động chính và chuyển động chạy dao. Chuyển động chính ứng với chuyển động tạo ra tốc độ cắt, có thể là chuyển động quay tròn của chi tiết gia công (trường hợp tiện) hoặc chuyển động quay tròn của dao (trường hợp phay). Xích truyền dẫn để thực hiện các chuyển động chính tiêu thụ từ 70 ¸ 90% công suất tiêu thụ toàn máy.
Khảo sát động lực học truyền dẫn chính máy công cụ chủ yếu là khảo sát dao động xoắn của cơ hệ, xích truyền dẫn từ động cơ đến khâu chấp hành cuối cùng. Việc khảo sát dao động xoắn cơ hệ của TTGC được tiến hành ở cả hai nhánh truyền: nhánh truyền tốc độ thấp và nhánh truyền tốc độ cao.
Đối với TTGC DMU 60T khi phay thì truyền dẫn chính thường là hệ dao động xoắn nhiều bậc tự do. Điểm khác biệt so với các máy công tác khác là phạm vi biến đổi tốc độ rộng (với máy đang khảo sát thì phạm vi biến đổi tốc độ lên tới 400). Một đặc điểm nữa là khi khởi động máy làm việc ở chế độ không tải và chỉ có tải khi máy khởi động xong. Sự biến đổi của tải trọng trong quá trình cắt đã được xác lập trong một giới hạn khá ổn định. Khi khảo sát ta phải chú ý: việc xây dựng lược đồ để chuyển từ xích truyền dẫn và kết cấu thực thành mẫu động lực học đã được đơn giản hoá phải bảo toàn các đặc trưng cơ bản với các giả thiết hạn chế:
- Các chi tiết quay có dạng đĩa như bánh răng, bánh đai được coi là tuyệt đối cứng và có mômen quán tính hoàn toàn xác định. Mômen quán tính là hằng số Jk khi đĩa là chi tiết quay.
- Do bánh đai có hệ số đàn hồi rất lớn, hiện tại chưa thể khảo sát được nên chúng em xin phép được bỏ qua bánh đai 1 và dây dai.
- Các đoạn trục nối hai đĩa có tính đàn hồi, tức là có biến dạng xoắn khi chịu tải. Đặc trưng của đoạn trục là hằng số xoắn Ck, tỷ lệ nghịch với chiều dài của trục.
- Thông thường lực cản tác dụng lên cơ hệ bao gồm: cản do ma sát, cản nhớt, cản do bản thân vật liệu làm trục. Trong thực tế lực cản do bản thân vật liệu làm trục lớn hơn các lực cản khác rất nhiều, vả lại với phạm vi của đồ án này chúng em chưa thể nghiên cứu được các loại lực cản còn lại. Do đó để cho đơn giản ta chỉ tính đến lực cản do bản thân vật liệu làm trục. Đối với trục nghiên cứu hệ số cản là :
B=-11,2376 N.mm/(rad/s)
- Ngoại lực tác dụng vào hệ là mômen lực ngoài đặt vào đĩa ký hiệu Mk(t). Trong bài toán này ta coi Mk(t) là hàm tuần hoàn.
Hệ khảo sát bao gồm:
- Hệ dao động xoắn với mô hình dãy không rẽ nhánh và một đầu bị ngàm (do đã biết trước chuyển động của động cơ).
- Bài toán ta xét là trạng thái cân bằng động và hệ dao động xung quanh vị trí cân bằng động này. Cũng có thể coi bài toán là một bài toán tĩnh và một đầu bị ngàm (vận tốc góc bằng 0) vì biết trước chuyển động của nó – ví dụ biết trước chuyển động của động cơ hay chuyển động của cụm trục chính.
Để chuyển từ cơ hệ dao động xoắn truyền dẫn chính sang lược đồ tính, ta cần thực hiện phép thay thế: thay thế mômen quán tính đàn hồi bằng mômen quán tính quy đổi, thay thế độ cứng bằng độ cứng quy đổi, thay thế hệ số giảm chấn bằng hệ số giảm chấn quy đổi. Trong quá trình thay thế, phải đảm bảo các nguyên tắc thay thế: bảo toàn dạng năng lượng của hệ và đồng nhất được mô hình toán học của hệ thay thế và hệ được thay thế.
Ở đây ta chỉ tiến hành mô hình hoá và mô phỏng trục chính của trung tâm gia công đối với nhánh truyền tốc độ cao, trục phay nằm ngang.
Dựa vào sơ đồ kết cấu, ta có sơ đồ khảo sát như sau:
.....................................
4.3.4. Kết luận
Theo như đồ thị chúng em kết luận kết quả mô phỏng hoàn toàn phù hợp với năng lực kỹ thuật đã được nhà sản xuất cung cấp trong lí lịch máy. Ta thấy trong khoảng thời gian 5 ms đầu dao động riêng rất rất rõ rệt với biên độ 0,148 rad ở đầu trục chính, sau đó dao động riêng tắt dần do tính cản trở dao động của trục chính. Từ 5 ms trở đi trục chính dao động tuần hoàn rất ổn định với tần số là tần số của lực cắt. Dao động riêng tắt nhanh không kéo dài chứng tỏ cụm trục chính đủ ổn định không gây ra những biến động bất lợi ảnh hưởng đến quá trình gia công.
4.4. MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB SIMULINK
4.4.1. Giới thiệu sơ bộ về MatLab Simulink:
MatLab là một phần mềm đang được ứng dụng rất rộng rãi ở nhiều trường đại học lớn trên thế giới. Đó là công cụ mô phỏng đa tính năng, là một môi trường rất mạnh, trong đó đã tích hợp sẵn các hàm, các thư viện hàm… phục vụ cho việc tính toán và hiển thị, quá trình mô phỏng các hệ thống tuyến tính, phi tuyến, phân tích và tổng hợp các hệ thống điều khiển tự động. Sử dụng phần mềm mô phỏng này cho phép rút ngắn thời gian tính toán, cho phép nghiên cứu hệ thống theo nhiều phương án, với các bộ tham số khác nhau. MatLab Simulink được dùng để mô hình hoá, mô phỏng và phân tích một hệ thống động. Simulink cho phép mô tả hệ thống tuyến tính, hệ phi tuyến, các mô hình trong thời gian liên tục, gián đoạn hay một hệ kết hợp cả liên tục và gián đoạn. Hệ thống cũng có thể có nhiều tốc độ khác nhau có nghĩa là các phần khác nhau và cập nhật số liệu ở tốc độ khác nhau.
Để mô hình hoá Simulink cung cấp một giao diện đồ hoạ để xây dựng mô hình như là một sơ đồ khối sử dụng thao tác “ nhấn và kéo” chuột. Với giao diện bày bạn có thể xây dựng mô hình như xây dựng trên giấy. Đây là sự khác xa cac phần mềm mô phỏng trước nó mà ở đó người sử dụng phải đưa vào các phương trình vi phân và các phương trình sai phân bằng một ngôn ngữ lập trình.
Việc lập trình Simulink sử dụng các đối tượng đồ hoạ gọi là Graphic Programming Unit. Nó được xây dựng trên cơ sở của các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, tạo điều kiện hết sức thuận lợi cho việc thay đổi giá trị các thuộc tính trong những khối thành phần. Loại hình lập trình này có xu thế được sử dụng nhiều trong kỹ thuật bởi ưu điểm lớn nhất của nó là tính trực quan, dễ viết và hình dung đối với những người lập trình không chuyên nghiệp.
Thư viện của Simulink cũng bao gồm toàn bộ thư viện các khối như khối nhận tín hiệu, các nguồn tín hiệu, các phần tử tuyến tính và phi tuyến, các đầu nối chuẩn. Dĩ nhiên là người sử dụng có thể thay đổi hay tạo ra các khối riêng của mình. Các mô hình bài toán trong Simulink được xây dựng có thứ bậc hay còn gọi theo mô hình phân cấp, điều đó cho phép người sử dụng có thể xây dựng mô hình theo hướng từ dưới lên trên hay từ trên xuống. Người sử dụng vừa có thể có thể quan sát hệ thống ở mức tổng quan, vừa có thể đạt được mức độ cụ thể bằng cách nháy kép vào từng khối xác định để xem xét chi tiết mô hình của từng khối. Với cách xây dựng kiểu này, người sử dụng có thể hiểu được sâu sắc tổ chức của một mô hình và những tác động qua lại của các phần trong mô hình như thế nào.
Sau khi tạo lập được một mô hình, người sử dụng có thể mô phỏng nó trong Simulink bằng cách nhập lệnh trong cửa sổ của Matlab hay sử dụng các menu có sẵn. Việc sử dụng các Menu đặc biệt thích hợp cho các công việc có sự tác động qua lại lẫn nhau, còn sử dụng dòng lệnh thường hay được dùng khi chạy một loạt các mô phỏng. Các bộ Scope và các khối hiển thị khác cho phép người sử dụng có thể xem kết quả trong khi đang mô phỏng. Hơn nữa người sử dụng có thể thay đổi thông số một cách trực tiếp và nhận biết được các ảnh hưởng đến mô hình.
Các thư viện của Simulink và cách sử dụng sẽ được trình bày trong phần phụ lục.
4.4.2. Xây dựng mô hình trong MATLAB – SIMULINK:
Nhận xét: Hệ thống ta nhận được qua cách mô hình ở trên là hệ phương trình vi phân tuyến tính bậc 2. Ta có thể dùng hai phương pháp để tiến hành mô hình hoá dạng mô hình, đó là:
- Dùng phương pháp biến đổi Laplace.
- Dùng phương pháp biến trạng thái.
Để có thể đưa ra được quá trình quá độ và quá trình xác lập. (Chỉ là một vài phương pháp có thể ứng dụng dễ dàng trong MatLab – Simulink, còn có các phương pháp khác như phương pháp sai phân hữu hạn… được nêu cụ thể ở phần phụ lục)
a. Dùng phương pháp biến đổi Laplace:
Dùng phương pháp biến đổi Laplace gắn liền với điều khiển tự động, là cơ sở của một phương pháp giải tích để tìm đáp ứng của quá trình quá độ và quá trình xác lập. Nó chuyển các phương trình vi phân tuyến tính hệ số cố định thành phương trình đại số. Dùng biến đổi Laplace để giải các phương trình vi phân tuyến tính sẽ đơn giản hơn nhiều so với các phương pháp khác, đặc biệt là các phương trình bậc cao hoặc hệ phương trình vi phân, phù hợp cho việc khảo sát các hệ ứng dụng tin học.
Ví dụ:
Một hệ điều khiển có các thông số biểu diễn bởi phương trình vi phân:
U(t) = a0.y + a1.
Chuyển sang phương trình Laplace có dạng:
U(s) = (a0 + a1.s + a2.s2 + … + an.sn ).y(s)
Từ hai phương trình trên ta có thể nói đã chuyển phương trình chứa đao hàm theo thời gian t thành phương trình đại số dùng một đại lượng mới là biến Laplace s thay cho đạo hàm, tức là chuyển từ lĩnh vực thời gian sang lĩnh vực Laplace.
Định nghĩa biến đổi Laplace: Là một thuật toán biến đổi từ biến thực sang biến phức, có dạng như sau:
F(s) = L[f(t)] =
Trong đó:
f(t) - Hàm thực và liên tục trong suốt thời gian khảo sát, gọi là hàm gốc.
s - Biến toán tử Laplace ( hoặc kí hiệu là p).
F(s) - Ảnh của hàm gốc.
Phụ lục chứa bảng có các cặp biến đổi thông dụng, tức là các cặp chuyển đổi từ lĩnh vực thời gian sang Laplace và ngược lại.
Từ hệ phương trình đã có ở mục trên ta có thực hiện một vài phép biến đổi ma trận như sau:
..........
Sử dụng tích phân Laplace (và giả thiết các điều kiện đầu bằng không), ta có:
(M.s2 + B.s + C)q(s) = F(s)
Đặt A = (M.s2 + B.s + C)
Þ q(s) = A-1.F(s)
(Đưa kết quả của phép biến đổi vào chỗ này)
Để tìm được ma trận nghịch đảo A-1 ta dùng phương pháp biến đổi Euler như sau:
[A½E] Þ Biến đổi Euler Þ [E½A-1]
b. Dùng phương pháp biến trạng thái:
Trong hệ có chứa các khâu phi tuyến hoặc phương trình vi phân bậc cao không thể ứng dụng các phương pháp trên được thì phải sử dụng phương pháp biến trạng thái.
Phương pháp biến trạng thái, hệ thống được đặc trưng bởi hệ phương trình vi phân hoặc sai phân bậc nhất. Biến trạng thái được sử dụng để hạ bậc phương trình vi phân bậc n thành n phương trình vi phân bậc nhất, tức là số lượng biến trạng thái bằng số bậc nhưng của phương trình vi phân của hệ. Biến trạng thái không nhất thiết phải là tín hiệu ra và có thể không phải là một đại lượng vật lí.
Từ phương trình vi phân chuyển động Þ hệ phương trình trạng thái như sau:
M.d2x/dt2 + B.dx/dt + C1.x = F(t).....
....................
4.4.3. Kết luận
Ta thấy đồ thị kết quả mô phỏng bằng MatLab Simulink hoàn toàn giống với kết quả mô phỏng với DDM. Như vậy ta có thể có thể kết luận cả hai phương pháp mô phỏng hoàn toàn đúng đắn.
4.5. KẾT LUẬN CHUNG
Kết quả mô phỏng cho thấy ta hoàn toàn có khả năng quản lý cụm trục chính trung tâm gia công DMU 60T với độ phân giải thời gian cao. Trong điều kiện đạt được độ ổn định nhanh chóng, cụm trục chính của DMU 60T là một đảm bảo cho độ chính xác cao khi ứng dụng kỹ thuật điều khiển theo chương trình số.
Qua việc tham gia giải quyết các đề tài nghiên cứu khoa học nói chung và ứng dụng phương pháp mô phỏng nói riêng, tập thể nhóm chúng em đã tiếp thu được:
- Phương pháp tiến hành mô phỏng
- Tìm hiểu các phần mềm để ứng dụng giải quyết các bài toán kỹ thuật
- Phương pháp mô hình hóa
- Cho phép hình dung về quá trình không thể quan sát được trong thực tế
Tuy nhiên cần lưu ý rằng, trong phần này chúng em đã lý tưởng hoá cơ hệ trong quá trình mô hình hoá. Cơ hệ trong thực tế rất phức tạp, nó không chỉ có cụm trục chính mà còn phải xét đến cả dao, bàn máy, phôi,..., phải tính đến độ không đồng nhất của vật liệu gia công, hệ số đàn hồi của đai răng, độ cứng mặt răng, độ cản của chất bôi trơn ... nên đồ thị dao động xoắn trong thực tế chắc chắn sẽ không đơn giản như vậy. Việc mô phỏng có chính xác hay không lại phụ thuộc vào kỹ thuật mô hình hoá, mô hình hoá càng chính xác thì mô phỏng càng chính xác. Hiện thời do hạn chế về kiến thức, tài liệu, thời gian nên chúng em chưa đủ khả năng khảo sát một cơ hệ phức tạp như vậy. Dẫu sao, những nghiên cứu mở đầu này đã giúp cho người làm nghiên cứu có cơ hội tiếp cận với phương pháp mô phỏng và nâng cao được năng lực tư duy và tầm nhìn đối với các khía cạnh chuyên môn và là một đảm bảo cho quá trình tự đào tạo và đào tạo liên tục nhằm hoàn thiện kỹ năng lao động của sinh viên tốt nghiệp mới ra trường.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
- Phan Nguyên Di – Nguyễn Văn Khang
Tính toán dao động máy – Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật - 1998
- Trần Doãn Tiến
Cơ sở dao động kỹ thuật – Nhà xuất bản đại học và trung học chuyên nghiệp - 1981
3. Alaska Version 3.0 – User manual – Institute of Mechantronics, Inc - 1999
4. MatLab – Hà Nội 1998
5. Đỗ Sanh – Lê Doãn Hồng
Cơ học – Phần động lực học – Tập 2 – Nhà xuất bản giáo dục
THIẾT KẾ MÁY Phay trung tâm gia công DMU 60T, thuyết minh trung tâm gia công DMU 60T, động học máy trung tâm gia công DMU 60T, kết cấu trung tâm gia công DMU 60T, nguyên lýtrung tâm gia công DMU 60T
