Nghiên cứu hệ thống thủy lực và khí nén cho máy điều khiển số CNC

Máy công cụ cắt gọt kim loại là trang thiết bị chủ yếu dùng trong các nhà máy, phân xưởng cơ khí để chế tạo ra các chi tiết máy móc, khí cụ, các dụng cụ, các sản phẩm dùng trong sản xuất và đời sống. Máy công cụ có lịch sử phát triển lâu dài gắn liền với sự phát triển của khoa học kỹ thuật. Việc điều khiển tự động hóa máy công cụ có thêm bước tiến mới nhờ phát minh ra máy tính vào nửa đầu thế kỷ 20. Ngày nay số lượng chủng loại và mức độ hiện đại hóa của máy ngày càng gia tăng do được ứng dụng những thành tựu tiên tiến nhất của tin học, vì vậy năng suất lao động ngày càng tăng, góp phần đáng kể vào sự phát triển của nền kinh tế đất nước, đáp ứng nhu cầu của xã hội. Theo tài liệu nghiên cứu, John Parsons đã bắt đầu nghiên cứu về một chiếc máy công cụ có thể thao tác ở mọi góc độ, sử dụng dữ liệu số để điều khiển chuyển động của máy vào năm 1947.

Ngày nay các máy công cụ đã được cải tiến đáng kể cả về kiểu dáng và chức năng, nhằm thực hiện các vấn đề về sản xuất hàng loạt, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Vì vậy vấn đề về tự động hóa và cơ khí hóa cũng phải luôn được nghiên cứu và cải tiến kịp thời. Đặc biệt là vấn đề về truyền dẫn thủy lực và khí nén trong máy công cụ. Truyền dẫn thủy khí là tổ hợp các cơ cấu thủy lực và khí nén, dùng môi trường lưu chất làm trung gian để truyền các cơ năng từ bộ phận dẫn động đến bộ phận công tác, trong đó có thể biến đổi vận tốc, lực, mômen và biến đổi dạng theo quy luật của chuyển động. Hệ truyền dẫn thủy khí được phân làm hệ truyền dẫn thủy khí dạng động lực và hệ truyền dẫn thủy khí dạng thể tích.

Hệ truyền dẫn hoạt động dựa trên định luật Pascal: sự thay đổi áp suất tại một điểm tĩnh bất kỳ trong hệ chất lỏng mà không làm thay đổi trạng thái cân bằng của nó được truyền đi nguyên vẹn tới tất cả các điểm còn lại trong hệ đó. Máy bơm bơm chất lỏng theo đường ống, qua van phân phối tới động cơ thủy lực. Van phân phối có 2 vị trí tương ứng với quá trình làm việc có tải và không tải của động cơ. Chất lỏng thoát ra từ bơm được đổ vào thùng chứa (đối với mạch hở) hoặc đổ vào cửa hút của máy bơm (đối với mạch kín).

Mạch động lực là yếu tố quan trọng trong hệ thống thủy khí CNC. Nó cung cấp năng lượng để thực hiện các chuyển động và tác vụ cần thiết. Động cơ điện tạo ra cơ năng, sau đó chuyển thành năng lượng thủy lực hoặc khí nén thông qua bơm hoặc máy nén. Năng lượng này được truyền đến các cơ cấu chấp hành như xi lanh, động cơ quay, để thực hiện các chức năng cắt gọt, di chuyển, kẹp phôi. Hiệu suất của mạch động lực ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả hoạt động của máy CNC.

Mạch điều khiển phải đảm bảo thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật của các cơ cấu chấp hành về động học, động lực học cũng như chế độ làm việc kể đến mức độ tự động của toàn hệ thống. Tín hiệu đầu vào qua trung tâm xử lý điều khiển đến các cơ cấu hoặc bộ phận chấp hành điều khiển (đơn lẻ hoặc kết hợp điều khiển) động cơ điện bơm cơ cấu điều khiển, điều chỉnh qua động cơ hoặc đến cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chấp hành coi đại lượng ra là Y. Đại lượng đầu ra Y có thể là: tốc độ, thời gian, vị trí, lực, công suất truyền…

Trong chế độ ổn định, nếu áp suất không đổi (dp = 0), lưu lượng (Q) quyết định công suất. Trong truyền dẫn ở các máy, khối lượng chất lỏng và vận tốc chuyển động không cao nên khi tính toán truyền dẫn cho mạch động lực, ta bỏ qua năng lượng này. Trong truyền dẫn bằng chất lỏng không truyền dẫn bằng nhiệt và phải giảm nhiệt sinh ra trong hệ thống ống truyền dẫn. Vậy truyền dẫn thủy lực trong máy dùng thế năng dưới dạng áp suất là chính.

Bơm dầu là một cơ cấu biến đổi năng lượng, dùng để biến cơ năng thành năng lượng của dầu (chất lỏng). Trong hệ thống dầu ép thường chỉ dùng bơm thể tích, tức là loại bơm thực hiện việc biến đổi năng lượng bằng cách thay đổi thể tích các buồng làm việc, khi thể tích làm việc của buồng làm việc tăng, bơm hút dầu thực hiện chu kỳ hút, và khi thể tích của buồng làm việc giảm, bơm đẩy dầu thực hiện chu kỳ nén. Áp suất và lưu lượng là những thông số cơ bản của bơm.

Máy nén khí là một thiết bị cơ học làm tăng áp suất của chất khí bằng cách giảm thể tích của nó. Máy nén khí thường được sử dụng trong các hệ thống khí nén để cung cấp khí nén cho các thiết bị và dụng cụ khác. Trong máy CNC, máy nén khí được sử dụng để cung cấp khí nén cho các xi lanh khí nén, van điều khiển, hệ thống làm mát và bôi trơn. Máy nén khí cần đáp ứng các yêu cầu về lưu lượng, áp suất, độ sạch của khí nén.

Bơm thủy lực và máy nén khí đều là những cơ cấu quan trọng trong hệ thống truyền động. Bơm thủy lực tạo ra áp suất cao, lực lớn, độ chính xác cao, nhưng hệ thống phức tạp, dễ rò rỉ dầu. Máy nén khí tạo ra áp suất thấp hơn, lực nhỏ hơn, độ chính xác thấp hơn, nhưng hệ thống đơn giản, sạch sẽ, dễ bảo trì. Việc lựa chọn bơm thủy lực hay máy nén khí phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng CNC.

Van điều chỉnh áp suất là một phần quan trọng trong hệ thống thủy lực và khí nén, nó có chức năng duy trì áp suất ở một giá trị nhất định hoặc điều chỉnh áp suất theo yêu cầu. Các loại van điều chỉnh áp suất phổ biến bao gồm van tràn, van giảm áp, van an toàn và rơ le áp suất. Mỗi loại van có chức năng và ứng dụng riêng.

Cơ cấu điều chỉnh lưu lượng và hướng dòng chảy được sử dụng để điều khiển tốc độ và hướng chuyển động của các cơ cấu chấp hành trong hệ thống thủy lực và khí nén. Các loại van điều khiển hướng phổ biến bao gồm van 2/2, van 3/2, van 4/2 và van 5/2. Các van điều chỉnh lưu lượng bao gồm van tiết lưu, van một chiều có tiết lưu.

PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điều khiển logic lập trình được, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp. Trong máy CNC, PLC được sử dụng để điều khiển hệ thống thủy lực và khí nén, thực hiện các chức năng như điều khiển van, xi lanh, động cơ, và giám sát các thông số hoạt động của hệ thống. PLC giúp tăng tính linh hoạt, độ tin cậy và khả năng mở rộng của hệ thống.

Các hư hỏng thường gặp trong hệ thống thủy lực và khí nén bao gồm rò rỉ dầu/khí, giảm áp suất, kẹt van, hỏng bơm/máy nén, hỏng xi lanh. Việc xác định nguyên nhân và khắc phục kịp thời các hư hỏng này là rất quan trọng để duy trì hoạt động ổn định của máy CNC.

Quy trình bảo dưỡng định kỳ hệ thống thủy khí CNC bao gồm các công việc kiểm tra, làm sạch, bôi trơn, thay thế các bộ phận hao mòn. Việc tuân thủ quy trình bảo dưỡng định kỳ giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống, giảm thiểu các hư hỏng và đảm bảo hoạt động ổn định của máy CNC.

Khi thực hiện bảo trì và sửa chữa hệ thống thủy khí CNC, cần tuân thủ các quy tắc an toàn lao động để tránh các tai nạn. Cần tắt nguồn điện, xả áp suất, sử dụng các dụng cụ bảo hộ cá nhân (găng tay, kính bảo hộ, v.v.) và tuân thủ các hướng dẫn của nhà sản xuất.

Hệ thống thủy lực và khí nén có nhiều ưu điểm như khả năng truyền lực lớn, điều khiển linh hoạt, dễ dàng tự động hóa. Tuy nhiên, cũng có những hạn chế như dễ rò rỉ, độ chính xác không cao, gây tiếng ồn. Việc khắc phục các hạn chế này là mục tiêu của các nghiên cứu và phát triển trong tương lai.

Xu hướng phát triển hệ thống thủy khí trong CNC tập trung vào việc tăng cường độ chính xác, giảm thiểu rò rỉ, giảm tiếng ồn, tích hợp cảm biến và điều khiển số, sử dụng các vật liệu mới và công nghệ tiên tiến. Mục tiêu là tạo ra các hệ thống hiệu quả hơn, tin cậy hơn và thân thiện với môi trường hơn.

Trí tuệ nhân tạo (AI) có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống thủy lực và khí nén trong máy CNC. AI có thể được sử dụng để dự đoán và ngăn ngừa các hư hỏng, tối ưu hóa các thông số điều khiển, và tự động điều chỉnh hệ thống theo điều kiện làm việc thực tế. Việc ứng dụng AI sẽ giúp nâng cao năng suất, giảm chi phí bảo trì và tăng tuổi thọ của máy CNC.