Tổng quan nghiên cứu

Máy phay CNC (Computer Numerical Control) đóng vai trò then chốt trong ngành công nghiệp chế tạo hiện đại, đặc biệt là trong gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao. Theo báo cáo của ngành, việc sử dụng máy CNC đã giúp giảm thời gian gia công từ 30% đến 50% so với phương pháp truyền thống, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, trong quá trình vận hành, hiện tượng rung động máy là nguyên nhân chính gây ra sai số gia công, làm giảm độ bền và tuổi thọ của máy cũng như chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Luận văn tập trung nghiên cứu tính toán, thiết kế và khảo sát rung động của máy phay CNC 4 trục sử dụng bộ điều khiển LinuxCNC. Mục tiêu cụ thể là xây dựng mô hình máy CNC 4 trục, mô phỏng rung động khung máy bằng phần mềm Ansys, mô phỏng hệ thống điều khiển bằng MATLAB Simulink, đồng thời khảo sát rung động thực tế trên máy để so sánh và tìm ra nguyên nhân gây sai số trong gia công. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Ứng dụng, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2021.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp các thông số kỹ thuật và giải pháp điều khiển nhằm giảm rung động, nâng cao độ chính xác gia công, từ đó góp phần phát triển nền công nghiệp chế tạo trong nước, giảm sự phụ thuộc vào máy nhập khẩu và tăng tính cạnh tranh cho doanh nghiệp sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết chuyển động và ma trận Denavit-Hartenberg (D-H):
    Áp dụng để mô hình hóa chuyển động của các khâu trong máy CNC 4 trục. Ma trận D-H giúp xác định vị trí và hướng của từng khâu trong hệ thống cơ khí, từ đó tính toán chính xác vị trí đầu dao trong không gian ba chiều. Các tham số D-H gồm góc quay, khoảng dịch chuyển, chiều dài và góc nghiêng của từng khớp nối, được sử dụng để xây dựng ma trận chuyển đổi tổng hợp.

  2. Lý thuyết rung động cơ học và phân tích phổ:
    Sử dụng để mô phỏng và phân tích rung động của khung máy và các bộ phận chuyển động. Các thông số quan trọng gồm biên độ rung (amplitude), tần số rung (frequency) và dạng sóng rung (waveform). Phân tích phổ rung giúp xác định các tần số đặc trưng liên quan đến các bộ phận như trục vít me bi, vòng bi, puli, từ đó phát hiện nguyên nhân gây rung và sai số gia công.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng bao gồm:

  • Ma trận chuyển động Denavit-Hartenberg
  • Biên độ rung RMS (Root-Mean-Square)
  • Tần số rung đặc trưng
  • Bộ điều khiển PID và PD
  • Phần mềm mô phỏng Ansys và MATLAB Simulink
  • LinuxCNC – phần mềm điều khiển máy CNC mã nguồn mở

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu thực nghiệm thu thập từ máy phay CNC 4 trục tại phòng thí nghiệm Ứng dụng, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, kết hợp với dữ liệu mô phỏng trên phần mềm Ansys và MATLAB Simulink.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Tính toán kinematics dựa trên ma trận D-H để xác định vị trí và chuyển động của các khâu máy.
  • Mô phỏng rung động khung máy bằng phần mềm Ansys để đánh giá các tần số cộng hưởng và biên độ rung.
  • Mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng MATLAB Simulink với bộ điều khiển PID/PD nhằm tối ưu hóa chuyển động và giảm rung động.
  • Khảo sát rung động thực tế trên máy CNC sử dụng cảm biến rung và phân tích phổ để so sánh với kết quả mô phỏng.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một máy phay CNC 4 trục thực tế, được chọn do tính đại diện và khả năng thu thập dữ liệu đầy đủ. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu thuận tiện tại phòng thí nghiệm. Timeline nghiên cứu kéo dài 10 tháng, từ tháng 2 đến tháng 12 năm 2021, bao gồm các giai đoạn thiết kế, mô phỏng, khảo sát thực nghiệm và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mô hình máy CNC 4 trục được thiết kế và tính toán chính xác:
    Các tham số D-H được xác định cụ thể với giá trị góc và khoảng dịch chuyển phù hợp, cho phép mô phỏng chuyển động chính xác của các khâu. Ví dụ, góc quay trục thứ 4 được thiết lập trong khoảng từ 0 đến 0.5 rad, khoảng dịch chuyển trục 2 là 0.1 m, đảm bảo phạm vi hoạt động phù hợp với yêu cầu gia công.

  2. Kết quả mô phỏng rung động trên phần mềm Ansys cho thấy các tần số cộng hưởng chính nằm trong khoảng 50-200 Hz:
    Biên độ rung RMS đo được trong mô phỏng đạt khoảng 0.02 mm, tương đương với biên độ rung thực tế đo được là 0.025 mm, cho thấy mô hình mô phỏng có độ tin cậy cao. Các tần số này trùng khớp với tần số rung đặc trưng của trục vít me bi và vòng bi.

  3. Mô phỏng hệ thống điều khiển bằng MATLAB Simulink với bộ điều khiển PID giúp giảm biên độ rung khoảng 15% so với điều khiển PD:
    Điều này chứng tỏ việc lựa chọn bộ điều khiển phù hợp có ảnh hưởng lớn đến hiệu quả giảm rung và độ chính xác gia công.

  4. Khảo sát rung động thực tế trên máy CNC cho thấy rung động tăng lên đáng kể khi tốc độ trục chính vượt quá 3000 vòng/phút:
    Biên độ rung RMS tăng từ 0.015 mm lên 0.035 mm, đồng thời xuất hiện các tần số phụ gây cộng hưởng, làm giảm chất lượng bề mặt gia công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây rung động và sai số gia công được xác định là do sự cộng hưởng của các bộ phận chuyển động như trục vít me bi, vòng bi và các khớp nối. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm tương đồng cho thấy mô hình lý thuyết và phương pháp phân tích được áp dụng là phù hợp và chính xác.

So sánh với một số nghiên cứu gần đây trong ngành, việc sử dụng LinuxCNC làm bộ điều khiển mở cho phép tùy chỉnh linh hoạt và giảm chi phí so với các bộ điều khiển thương mại, đồng thời vẫn đảm bảo hiệu suất vận hành tốt. Việc mô phỏng rung động kết hợp với khảo sát thực tế giúp phát hiện sớm các vấn đề về cơ khí và điều khiển, từ đó đề xuất các giải pháp cải tiến hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phổ rung động thể hiện biên độ theo tần số, bảng so sánh biên độ rung RMS giữa mô phỏng và thực nghiệm, cũng như biểu đồ thể hiện hiệu quả giảm rung của các bộ điều khiển PID và PD.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế khung máy và các bộ phận chuyển động:
    Thực hiện điều chỉnh kích thước, vật liệu và cấu trúc khung máy nhằm giảm các tần số cộng hưởng trong khoảng hoạt động thường xuyên. Mục tiêu giảm biên độ rung RMS xuống dưới 0.015 mm trong vòng 12 tháng, do phòng thiết kế và kỹ thuật thực hiện.

  2. Áp dụng bộ điều khiển PID với tham số được hiệu chỉnh chính xác:
    Triển khai điều khiển PID thay thế điều khiển PD hiện tại để giảm rung động và sai số gia công. Mục tiêu tăng độ chính xác gia công lên 10% trong 6 tháng, do nhóm điều khiển tự động hóa đảm nhiệm.

  3. Lắp đặt hệ thống giám sát rung động liên tục:
    Sử dụng cảm biến rung và phần mềm phân tích phổ để theo dõi tình trạng máy, phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng hoặc lệch trục. Mục tiêu giảm thiểu thời gian chết máy và chi phí bảo trì 20% trong 1 năm, do bộ phận bảo trì vận hành.

  4. Đào tạo nhân viên vận hành và bảo trì:
    Tổ chức các khóa đào tạo về nhận biết và xử lý rung động máy CNC, nâng cao kỹ năng vận hành và bảo trì. Mục tiêu nâng cao hiệu suất làm việc và giảm lỗi vận hành 15% trong 9 tháng, do phòng nhân sự phối hợp với chuyên gia kỹ thuật thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế máy CNC:
    Nghiên cứu cung cấp các phương pháp tính toán và mô hình hóa chuyển động, rung động giúp tối ưu thiết kế máy, nâng cao độ bền và hiệu suất.

  2. Chuyên gia điều khiển tự động hóa:
    Tham khảo các giải pháp điều khiển PID, PD và cách mô phỏng hệ thống điều khiển bằng MATLAB Simulink để cải thiện hiệu quả vận hành máy CNC.

  3. Nhân viên bảo trì và vận hành máy CNC:
    Hiểu rõ nguyên nhân rung động và cách giám sát tình trạng máy giúp phát hiện sớm sự cố, giảm thiểu thời gian ngừng máy và chi phí sửa chữa.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành cơ khí chế tạo máy:
    Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về lý thuyết chuyển động, phân tích rung động và ứng dụng phần mềm mô phỏng, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và học tập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao rung động máy CNC lại ảnh hưởng lớn đến chất lượng gia công?
    Rung động làm dao cắt không giữ được vị trí chính xác, gây sai lệch kích thước và bề mặt sản phẩm không mịn. Ví dụ, biên độ rung tăng 0.01 mm có thể làm giảm độ chính xác gia công đến 5%.

  2. LinuxCNC có ưu điểm gì so với các bộ điều khiển CNC thương mại?
    LinuxCNC là phần mềm mã nguồn mở, miễn phí, dễ tùy chỉnh và tích hợp với nhiều loại phần cứng, giúp giảm chi phí và tăng tính linh hoạt trong điều khiển máy.

  3. Phương pháp mô phỏng rung động bằng Ansys có độ chính xác như thế nào?
    Mô phỏng rung động trên Ansys cho kết quả biên độ rung RMS sai lệch dưới 20% so với thực nghiệm, đủ tin cậy để dự đoán và tối ưu thiết kế máy.

  4. Bộ điều khiển PID giúp giảm rung động như thế nào?
    PID điều chỉnh liên tục tín hiệu điều khiển dựa trên sai số hiện tại, tích phân và đạo hàm của sai số, giúp giảm dao động và ổn định chuyển động máy.

  5. Làm thế nào để giám sát rung động máy CNC hiệu quả?
    Lắp đặt cảm biến rung tại các vị trí quan trọng, kết hợp phần mềm phân tích phổ để theo dõi biên độ và tần số rung, phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường để bảo trì kịp thời.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình máy phay CNC 4 trục và mô phỏng rung động khung máy bằng phần mềm Ansys, kết hợp mô phỏng điều khiển bằng MATLAB Simulink.
  • Kết quả khảo sát rung động thực tế phù hợp với mô phỏng, xác định được các tần số cộng hưởng và nguyên nhân gây rung.
  • Bộ điều khiển PID được chứng minh hiệu quả hơn bộ điều khiển PD trong việc giảm rung động và nâng cao độ chính xác gia công.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế, điều khiển và giám sát nhằm giảm rung động, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ máy CNC.
  • Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng khảo sát trên các loại máy CNC khác và phát triển hệ thống giám sát rung động tự động tích hợp trí tuệ nhân tạo.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các giải pháp đề xuất vào thực tế sản xuất, đồng thời phát triển phần mềm giám sát rung động thông minh để nâng cao hiệu quả vận hành máy CNC. Độc giả và doanh nghiệp quan tâm có thể liên hệ để trao đổi và hợp tác nghiên cứu.