Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp cơ khí, nhu cầu sử dụng thép tấm trong các lĩnh vực như hàng không, điện, ô tô, đóng tàu và xây dựng ngày càng tăng cao. Thép tấm được sản xuất qua quá trình cán nóng hoặc cán nguội với độ dày từ 0,007 mm đến 60 mm, phục vụ đa dạng mục đích sản xuất. Việc gia công thép tấm đòi hỏi các phương pháp cắt chính xác, hiệu quả nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và thẩm mỹ của sản phẩm cuối cùng. Trong đó, cắt bằng nhiệt là một trong những phương pháp phổ biến, bao gồm cắt Gas – Oxy, Plasma và Laser.

Phương pháp cắt Gas – Oxy được sử dụng rộng rãi do tính cơ động, khả năng cắt vật liệu dày lên đến 300 mm và chi phí đầu tư thấp hơn so với các công nghệ khác. Tuy nhiên, việc cắt thủ công bằng Gas – Oxy còn hạn chế về độ chính xác và chất lượng bề mặt, đặc biệt khi gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp hoặc yêu cầu cao về thẩm mỹ. Do đó, mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế và chế tạo máy cắt Gas – Oxy điều khiển số nhằm nâng cao độ chính xác, năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu sai số và hao hụt vật liệu trong quá trình cắt.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế cơ khí, hệ thống điều khiển và phần mềm điều khiển máy cắt Gas – Oxy với kích thước hành trình cắt tối đa 800 x 800 x 100 mm, phù hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp và đào tạo nghề. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ gia công kim loại tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng lực sản xuất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình kỹ thuật cơ khí hiện đại, trong đó nổi bật là:

  • Lý thuyết động học robot: Xem máy cắt Gas – Oxy điều khiển số như một robot công nghiệp với cấu trúc chuỗi hở gồm 3 khâu tịnh tiến (TTT). Lý thuyết này giúp xác định vị trí, hướng chuyển động của đầu cắt thông qua các biến khớp và ma trận chuyển đổi Denavit-Hartenberg (DH).

  • Phương pháp giải bài toán động học thuận và ngược: Sử dụng ma trận chuyển đổi và phương pháp số dựa trên thuật toán giảm Gradient tổng quát (GRG) để tính toán chính xác các biến khớp, đảm bảo đầu cắt di chuyển đúng quỹ đạo.

  • Mô hình nội suy chuyển động: Áp dụng các phương pháp nội suy tuyến tính (DDA) và nội suy vòng để tạo ra các điểm trung gian trên quỹ đạo cắt, giúp điều khiển chuyển động mượt mà, chính xác và giảm thiểu sai số.

Các khái niệm chính bao gồm: tọa độ Descartes, biến khớp, ma trận chuyển đổi DH, bộ nội suy trong CNC, và các tham số kỹ thuật của động cơ và cơ cấu truyền động.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu kỹ thuật từ các tài liệu chuyên ngành, tiêu chuẩn kỹ thuật, và khảo sát thực tế tại các cơ sở sản xuất, đào tạo nghề.

  • Phương pháp phân tích: Thiết kế mô hình động học robot 3 khâu, giải bài toán động học bằng phương pháp số sử dụng công cụ Solver trong MS Excel để tối ưu các biến khớp. Phân tích đặc tính lực, tính toán momen xoắn và lựa chọn động cơ phù hợp dựa trên các thông số kỹ thuật.

  • Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển: Xây dựng kiến trúc cơ điện cho các trục X, Y, Z, thiết kế phần cứng điều khiển với bo mạch điều khiển, driver động cơ và giao tiếp với máy tính qua cổng RS232/485 hoặc USB.

  • Thời gian nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến 2016 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và Trường Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế động học robot 3 khâu hiệu quả: Mô hình robot kiểu tọa độ Descartes với 3 khâu tịnh tiến (TTT) cho phép máy cắt di chuyển chính xác trong vùng làm việc 800 x 800 x 100 mm. Phương pháp giải bài toán động học bằng thuật toán GRG trên Excel đạt sai số vị trí dưới 0,1 mm, đảm bảo độ chính xác cao cho quá trình cắt.

  2. Kiến trúc cơ điện và điều khiển phù hợp: Hệ thống truyền động sử dụng động cơ công suất 200W cho các trục X, Y với tốc độ tối đa 110 mm/s và trục Z với tốc độ 15 mm/s, đáp ứng yêu cầu vận hành ổn định. Momen lực và lực tác dụng được tính toán kỹ lưỡng, đảm bảo độ cứng vững và giảm rung động trong quá trình cắt.

  3. Bộ nội suy số hóa quỹ đạo cắt chính xác: Áp dụng nội suy tuyến tính DDA và nội suy vòng giúp tạo ra các điểm trung gian dày đặc (khoảng 100.000 điểm cho một đoạn cắt dài 47,6 mm), đảm bảo đường cắt mượt mà, giảm sai số và tăng chất lượng bề mặt cắt.

  4. Đánh giá thực nghiệm cho thấy năng suất và chất lượng vượt trội: So sánh với máy cắt Gas – Oxy thủ công và một số máy CNC trên thị trường, máy cắt điều khiển số cho độ chính xác cao hơn 20-30%, bề mặt cắt phẳng, ít biến dạng nhiệt và tiết kiệm vật liệu do tối ưu hóa đường chạy dao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải tiến là do việc số hóa quá trình điều khiển giúp duy trì tốc độ cắt và khoảng cách đầu cắt ổn định, giảm thiểu sai số do yếu tố con người và biến dạng nhiệt. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành cơ khí chế tạo robot và gia công CNC, đồng thời khẳng định tính khả thi của việc ứng dụng công nghệ điều khiển số trong cắt Gas – Oxy.

Biểu đồ so sánh sai số vị trí và chất lượng bề mặt cắt giữa máy thủ công và máy điều khiển số minh họa rõ ràng sự vượt trội của máy mới. Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và kết quả thử nghiệm cũng cho thấy sự đồng nhất và ổn định trong quá trình vận hành.

Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí và tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp trong ngành cơ khí, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng rộng rãi máy cắt Gas – Oxy điều khiển số trong các nhà máy luyện thép và phân xưởng cơ khí nhằm nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đặc biệt trong gia công phôi thép tấm dày từ 8 đến 300 mm. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: doanh nghiệp sản xuất và cơ sở đào tạo nghề.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì máy để đảm bảo vận hành hiệu quả, giảm thiểu sự cố kỹ thuật và kéo dài tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo: 6 tháng; Chủ thể: các trường nghề và trung tâm đào tạo kỹ thuật.

  3. Nâng cấp phần mềm điều khiển và tối ưu thuật toán nội suy nhằm giảm thời gian xử lý và tăng độ chính xác cho các chi tiết có hình dạng phức tạp. Thời gian nghiên cứu và phát triển: 1 năm; Chủ thể: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

  4. Phát triển các module điều khiển tích hợp với CAD/CAM để tự động hóa hoàn toàn quá trình thiết kế và gia công, giảm thiểu sai sót do nhập liệu thủ công. Thời gian triển khai: 2 năm; Chủ thể: doanh nghiệp phần mềm và nhà sản xuất máy CNC.

Các giải pháp trên cần được phối hợp thực hiện đồng bộ để phát huy tối đa hiệu quả của công nghệ máy cắt Gas – Oxy điều khiển số.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và luyện kim: Nghiên cứu giúp cải tiến quy trình cắt phôi, nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất, đặc biệt trong gia công thép tấm dày.

  2. Trường đào tạo nghề và kỹ thuật: Áp dụng làm tài liệu giảng dạy về công nghệ điều khiển số, robot công nghiệp và gia công kim loại, nâng cao chất lượng đào tạo và kỹ năng thực hành cho học viên.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ CNC: Tham khảo mô hình động học robot, thuật toán giải bài toán động học và nội suy chuyển động để phát triển các hệ thống điều khiển máy công cụ hiện đại.

  4. Các kỹ sư thiết kế và vận hành máy công cụ: Học hỏi kinh nghiệm thiết kế cơ khí, hệ thống truyền động và điều khiển tự động, từ đó áp dụng vào thiết kế và cải tiến máy móc trong ngành.

Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu, số liệu thực nghiệm và phương pháp thiết kế phù hợp với thực tế sản xuất và đào tạo tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cắt Gas – Oxy điều khiển số có ưu điểm gì so với cắt thủ công?
    Máy điều khiển số cho độ chính xác cao hơn 20-30%, chất lượng bề mặt cắt đồng đều, giảm hao hụt vật liệu và tăng năng suất do tự động hóa quá trình cắt, giảm phụ thuộc vào tay nghề người thợ.

  2. Phạm vi vật liệu và độ dày cắt của máy là bao nhiêu?
    Máy có thể cắt thép carbon với độ dày từ 8 mm đến 300 mm, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp và đào tạo nghề.

  3. Phương pháp giải bài toán động học được áp dụng như thế nào?
    Sử dụng thuật toán giảm Gradient tổng quát (GRG) trên phần mềm Excel để tối ưu các biến khớp, đảm bảo sai số vị trí đầu cắt dưới 0,1 mm, giúp điều khiển chính xác chuyển động robot.

  4. Bộ nội suy có vai trò gì trong máy cắt?
    Bộ nội suy tạo ra các điểm trung gian trên quỹ đạo cắt, giúp chuyển động đầu cắt mượt mà, chính xác và giảm thiểu sai số, đặc biệt khi gia công các đường cong phức tạp.

  5. Làm thế nào để bảo trì và vận hành máy hiệu quả?
    Cần đào tạo kỹ thuật viên vận hành, bảo trì định kỳ các bộ phận cơ khí và điện tử, kiểm tra động cơ, cảm biến và hệ thống điều khiển để đảm bảo máy hoạt động ổn định và bền bỉ.

Kết luận

  • Thiết kế máy cắt Gas – Oxy điều khiển số dựa trên mô hình robot 3 khâu tịnh tiến, đảm bảo độ chính xác vị trí dưới 0,1 mm.
  • Hệ thống cơ điện và điều khiển được tối ưu với động cơ công suất phù hợp, giảm rung động và tăng độ bền máy.
  • Bộ nội suy số hóa quỹ đạo cắt giúp nâng cao chất lượng bề mặt và giảm hao hụt vật liệu.
  • Máy cắt điều khiển số vượt trội so với phương pháp thủ công về năng suất, độ chính xác và tính ổn định.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng, đào tạo và nâng cấp phần mềm nhằm phát huy tối đa hiệu quả công nghệ trong sản xuất và đào tạo nghề.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm mở rộng, hoàn thiện phần mềm điều khiển và phát triển các module tích hợp CAD/CAM để nâng cao tính tự động hóa. Mời các doanh nghiệp, trường đào tạo và nhà nghiên cứu quan tâm hợp tác ứng dụng và phát triển công nghệ này.