Tổng quan nghiên cứu

Cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi (VMĐB) là một trong những cơ cấu truyền động phổ biến trong các máy công cụ và nhiều ngành công nghiệp khác, nhờ khả năng đáp ứng linh hoạt các yêu cầu vận hành với độ chính xác cao và độ bền bỉ dưới tải nặng liên tục. Theo ước tính, hiệu suất của hệ VMĐB có thể đạt tới 95%, với tốc độ di chuyển lên đến 30 m/phút, phù hợp cho các hoạt động gia công hiện đại. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành tốc độ cao, rung động của cơ cấu này ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của hệ thống điều khiển và độ chính xác gia công, gây ra các vấn đề về hiệu suất và tuổi thọ thiết bị.

Luận văn tập trung khảo sát độ cứng cơ hệ của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi nhằm mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của tải trước và vị trí bàn làm việc đến các đặc tính động lực học, đặc biệt là tần số rung động dọc trục và xoắn. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, sử dụng mô hình tham số gộp 4 bậc tự do và mô hình thực nghiệm đo rung động tự do.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc kiểm soát rung động, nâng cao độ chính xác và tuổi thọ của hệ VMĐB, từ đó cải thiện hiệu suất vận hành máy công cụ và các thiết bị công nghiệp sử dụng cơ cấu này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai lý thuyết chính trong phân tích cơ cấu truyền động VMĐB:

  1. Phương pháp Lumped Parameters (tham số gộp): Mô hình hóa cơ cấu truyền động bằng cách thay thế các phần tử khối lượng hữu hạn, các phần tử đàn hồi bằng lò xo và phần tử giảm chấn tương đương. Mô hình 4 bậc tự do (4-DOFs) được sử dụng để phản ánh đặc tính động lực học cơ bản trong dải tần số thấp, tập trung vào các dạng rung dọc trục và xoắn.

  2. Bài toán trị riêng: Sử dụng phương trình chuyển động dạng ma trận để xác định tần số riêng và dạng dao động của hệ thống. Phương trình đặc trưng $\Delta = |[K] - \omega^2 [M]| = 0$ được giải để tìm các tần số tự nhiên, trong đó $[K]$ là ma trận độ cứng, $[M]$ là ma trận khối lượng, và $\omega$ là tần số riêng.

Các khái niệm chính bao gồm: độ cứng dọc trục ($k_{ax}$), độ cứng xoắn ($k_{rot}$), tải trước (preload), tần số rung động dọc trục ($f_{ax}$), tần số rung động xoắn ($f_{rot}$), và các tham số quán tính của động cơ và trục vít.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu bao gồm hai bộ thông số: Bộ thông số (I) trích dẫn từ tài liệu tham khảo và Bộ thông số (II) do học viên tự thiết lập dựa trên mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Cỡ mẫu là một mô hình cơ cấu truyền động VMĐB với các thành phần chính gồm động cơ servo, trục vít me, đai ốc bi, và bàn làm việc.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Tính toán độ cứng và tần số rung động dựa trên công thức kinh nghiệm và bài toán trị riêng.
  • Thiết lập mô hình thực nghiệm đo rung động tự do của hệ VMĐB.
  • Xử lý tín hiệu rung động bằng biến đổi Fourier để phân tích phổ tần số.
  • So sánh kết quả tính toán và thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của tải trước và vị trí bàn đến đặc tính động lực học.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô hình hóa, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tải trước đến độ cứng đai ốc bi:
    Độ cứng đai ốc bi $k_{nut}$ tăng theo mức tải trước. Ví dụ, với Bộ thông số (II), khi tải trước tăng từ 1% lên 8% định mức tải trọng động, $k_{nut}$ tăng từ khoảng $8,17 \times 10^7$ N/m đến $1,63 \times 10^8$ N/m, tương ứng tăng gần 100%.

  2. Tần số rung động dọc trục phụ thuộc vị trí bàn làm việc:
    Độ cứng dọc trục của trục vít $k_{shaftax}$ giảm khi vị trí bàn $x_{table}$ tăng. Với Bộ thông số (II), $k_{shaftax}$ giảm từ $1,62 \times 10^8$ N/m tại $x=0.3$ m xuống còn $7,89 \times 10^7$ N/m tại $x=0.6$ m, giảm gần 50%.

  3. Tần số rung động dọc trục tự nhiên $f_{ax}$ tăng theo tải trước:
    Tại vị trí bàn $x=0.3$ m, với tải trước 1%, $f_{ax}$ đo được khoảng 232,86 Hz; khi tải trước tăng lên 8%, $f_{ax}$ tăng lên đáng kể, cho thấy tải trước làm tăng độ cứng tổng thể của hệ.

  4. Tần số rung động xoắn $f_{rot}$ phụ thuộc vào độ cứng xoắn và mô men quán tính:
    Với Bộ thông số (II), độ cứng xoắn tương đương $k_{rot}$ là khoảng 697 N·m, dẫn đến tần số xoắn $f_{rot}$ được tính toán phù hợp với kết quả thực nghiệm, khẳng định tính chính xác của mô hình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi tần số rung động là do tải trước ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng đai ốc bi, từ đó làm thay đổi đặc tính động lực học của hệ VMĐB. Vị trí bàn làm việc ảnh hưởng đến độ cứng dọc trục của trục vít do sự thay đổi chiều dài chịu tải, làm giảm độ cứng khi bàn di chuyển xa hơn.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với các báo cáo cho thấy tải trước và vị trí bàn là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến rung động của hệ VMĐB. Việc sử dụng mô hình tham số gộp 4-DOFs đã giúp đơn giản hóa bài toán mà vẫn giữ được độ chính xác cần thiết trong dải tần số thấp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số rung động dọc trục theo các mức tải trước và vị trí bàn, cũng như bảng so sánh độ cứng và tần số tính toán với kết quả thực nghiệm, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các tham số đến đặc tính động lực học.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Theo dõi và điều chỉnh tải trước định kỳ:
    Để duy trì độ cứng và độ chính xác của hệ VMĐB, cần thiết lập quy trình kiểm tra và điều chỉnh tải trước định kỳ, đặc biệt sau thời gian dài vận hành. Chủ thể thực hiện: bộ phận bảo trì máy công cụ, thời gian: hàng quý.

  2. Tối ưu vị trí bàn làm việc trong thiết kế và vận hành:
    Thiết kế hệ thống điều khiển và vận hành nên hạn chế vị trí bàn làm việc ở các điểm làm giảm độ cứng dọc trục quá mức, nhằm giảm rung động và tăng độ ổn định. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và vận hành, thời gian: trong giai đoạn thiết kế và vận hành.

  3. Áp dụng mô hình tham số gộp trong giám sát tình trạng:
    Sử dụng mô hình 4-DOFs để phân tích tín hiệu rung động thực tế, từ đó phát hiện sớm các dấu hiệu giảm tải trước hoặc hư hỏng cơ cấu. Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu và bảo trì, thời gian: liên tục trong quá trình vận hành.

  4. Nâng cao chất lượng vật liệu và chế tạo:
    Lựa chọn vật liệu có mô đun đàn hồi cao và độ bền tốt cho trục vít và đai ốc bi, đồng thời kiểm soát dung sai chế tạo để giảm biến dạng đàn hồi và tăng độ cứng tổng thể. Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất và kỹ sư vật liệu, thời gian: trong quá trình sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế máy công cụ:
    Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế hệ truyền động VMĐB với độ cứng và độ chính xác tối ưu, giảm rung động và tăng tuổi thọ thiết bị.

  2. Bộ phận bảo trì và vận hành máy công cụ:
    Thông tin về ảnh hưởng của tải trước và vị trí bàn giúp xây dựng kế hoạch bảo trì hiệu quả, phát hiện và xử lý kịp thời các vấn đề về rung động.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực cơ khí chính xác:
    Luận văn cung cấp mô hình toán học và phương pháp thực nghiệm để nghiên cứu sâu hơn về đặc tính động lực học của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi.

  4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Cơ kỹ thuật:
    Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến cơ cấu truyền động và phân tích rung động.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao tải trước ảnh hưởng đến độ cứng của cơ cấu VMĐB?
    Tải trước làm tăng áp lực tiếp xúc giữa các viên bi và rãnh ren, từ đó tăng độ cứng của đai ốc bi, giúp giảm độ rơ và cải thiện độ chính xác truyền động.

  2. Mô hình tham số gộp 4 bậc tự do có ưu điểm gì?
    Mô hình này đơn giản, dễ tính toán nhưng vẫn phản ánh chính xác các đặc tính động lực học chủ yếu trong dải tần số thấp, phù hợp cho phân tích rung động của VMĐB.

  3. Làm thế nào để đo tần số rung động dọc trục thực nghiệm?
    Sử dụng cảm biến gia tốc gắn trên bàn làm việc hoặc đai ốc bi, thu tín hiệu rung động và phân tích phổ tần số bằng biến đổi Fourier để xác định tần số tự nhiên.

  4. Tại sao vị trí bàn làm việc ảnh hưởng đến độ cứng dọc trục?
    Vị trí bàn làm việc thay đổi chiều dài chịu tải của trục vít, làm thay đổi độ cứng đàn hồi dọc trục do biến dạng đàn hồi của trục vít tăng khi chiều dài chịu tải lớn hơn.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các loại máy công cụ khác không?
    Có, vì cơ cấu VMĐB được sử dụng rộng rãi trong nhiều loại máy công cụ, các kết quả về ảnh hưởng tải trước và vị trí bàn có thể áp dụng để cải thiện hiệu suất và độ chính xác của các hệ thống tương tự.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tham số gộp 4 bậc tự do để khảo sát độ cứng cơ hệ của cơ cấu truyền động trục vít me đai ốc bi.
  • Kết quả cho thấy tải trước và vị trí bàn làm việc ảnh hưởng rõ rệt đến độ cứng và tần số rung động dọc trục, từ đó ảnh hưởng đến độ chính xác và ổn định vận hành.
  • Phương pháp thực nghiệm đo rung động tự do và xử lý tín hiệu bằng biến đổi Fourier đã xác nhận tính chính xác của mô hình tính toán.
  • Đề xuất các giải pháp điều chỉnh tải trước, tối ưu vị trí bàn và áp dụng mô hình trong giám sát tình trạng nhằm nâng cao hiệu suất và tuổi thọ hệ VMĐB.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với các điều kiện tải và tốc độ khác nhau, phát triển hệ thống giám sát rung động tự động và ứng dụng trong thực tế sản xuất.

Hành động ngay: Các kỹ sư và nhà quản lý nên áp dụng các khuyến nghị trong bảo trì và thiết kế để nâng cao hiệu quả vận hành máy công cụ sử dụng cơ cấu VMĐB.