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 sử dụng. 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.

Phương pháp cắt bằng nhiệt, đặc biệt là cắt Gas – Oxy, được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp 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 cắt khác như laser hay plasma. Tuy nhiên, cắt Gas – Oxy thủ công còn tồn tại nhiều hạn chế về độ chính xác và chất lượng bề mặt cắt, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả sản xuất.

Luận văn tập trung vào 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. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thiết kế máy với kích thước hành trình cắt 800 x 800 x 100 mm, phù hợp cho các ứng dụng trong công nghiệp và đào tạo nghề. Mục tiêu chính là phát triển hệ thống điều khiển số cho máy cắt Gas – Oxy, tối ưu hóa quỹ đạo cắt và đảm bảo độ chính xác trong quá trình gia công, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí cho doanh nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • 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), áp dụng mô hình Denavit-Hartenberg (DH) để mô tả chuyển động và xác định vị trí đầu cắt trong không gian 3 chiều.
  • Phương pháp giải bài toán động học ngược và thuận: Sử dụng phương pháp số dựa trên thuật toán giảm Gradien tổng quát (GRG) với công cụ Solver trong MS Excel để tính toán các biến khớp, đảm bảo độ chính xác vị trí đầu cắt trong phạm vi sai số ±0,1 mm.
  • Khái niệm và nhiệm vụ của bộ nội suy: Áp dụng các phương pháp nội suy tuyến tính (DDA) và nội suy vòng để tạo quỹ đạo cắt chính xác, giảm thiểu sai số và tối ưu hóa tốc độ chạy dao.
  • Kiến trúc cơ – điện và điều khiển tự động: Thiết kế hệ thống truyền động cơ khí với động cơ servo, vít me bi, thanh trượt tuyến tính và bo mạch điều khiển nhận tín hiệu từ máy tính qua cổng RS232/485 hoặc USB, đảm bảo điều khiển chính xác các trục X, Y, Z.

Các khái niệm chuyên ngành như CAD/CAM, CNC, bộ điều khiển số (NC), và thuật toán tối ưu hóa quỹ đạo cắt được tích hợp trong nghiên cứu nhằm phát triển hệ thống máy cắt hiện đại, hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu kỹ thuật của các bộ phận cơ khí, thông số đầu cắt Gas – Oxy, và các thông số vận hành động cơ. Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Thiết kế mô hình động học: Mô hình hóa robot 3 khâu tịnh tiến, xây dựng ma trận chuyển đổi tọa độ theo chuẩn DH.
  • Phân tích động học bằng phương pháp số: Sử dụng Solver trong Excel để giải bài toán động học ngược, xác định biến khớp d1, d2, d3 với sai số định trước.
  • Thiết kế kiến trúc cơ – điện: Tính toán lực, momen xoắn, lựa chọn động cơ phù hợp cho các trục, thiết kế hệ thống truyền động vít me bi và thanh trượt tuyến tính.
  • Phát triển bộ nội suy: Lập trình nội suy tuyến tính và nội suy vòng để điều khiển quỹ đạo cắt chính xác.
  • Thực nghiệm đánh giá: Đánh giá năng suất, độ chính xác, chất lượng bề mặt cắt và so sánh với các máy CNC trên thị trường cũng như phương pháp cắt thủ công.

Thời gian nghiên cứu kéo dài trong khoảng 1 năm, tập trung tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và các cơ sở thực nghiệm liên quan.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Động học robot 3 khâu tịnh tiến (TTT) cho máy cắt Gas – Oxy: Mô hình hóa thành công với ma trận chuyển đổi tọa độ chính xác, cho phép xác định vị trí đầu cắt trong không gian 3 chiều với sai số dưới 0,1 mm. Kết quả tính toán bằng Solver Excel cho thấy biến khớp d1, d2, d3 có thể điều chỉnh linh hoạt để đạt vị trí mong muốn.

  2. Kiến trúc cơ – điện tối ưu cho các trục X, Y, Z: Tải trọng toàn bộ máy khoảng 150 kg, động cơ công suất 200W được lựa chọn cho trục X và Y với tốc độ tối đa 110 mm/s, trục Z có tốc độ tối đa 15 mm/s. Hệ thống vít me bi và thanh trượt tuyến tính đảm bảo độ cứng vững và độ chính xác cao trong quá trình vận hành.

  3. Bộ nội suy tuyến tính và vòng hiệu quả: Phương pháp nội suy DDA cho phép tạo quỹ đạo cắt chính xác với tần số nội suy lên đến 4,2 kHz, đảm bảo chuyển động mượt mà và giảm thiểu sai số vị trí. Nội suy vòng giúp gia công các đường cong với bán kính chính xác, phù hợp cho các chi tiết có biên dạng phức tạp.

  4. So sánh chất lượng và năng suất cắt: Máy cắt Gas – Oxy điều khiển số cho chất lượng bề mặt cắt đồng đều, sai số kích thước nhỏ hơn 0,2 mm, vượt trội so với cắt thủ công. Năng suất cắt tăng khoảng 30% so với phương pháp thủ công, đồng thời giảm thiểu hao hụt vật liệu nhờ tối ưu hóa quỹ đạo cắt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải tiến là do việc áp dụng điều khiển số giúp duy trì tốc độ cắt và khoảng cách đầu cắt ổn định, giảm thiểu biến dạng nhiệt và sai số cơ học. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trong ngành về ứng dụng robot công nghiệp trong gia công kim loại tấm.

Việc sử dụng phương pháp giải bài toán động học bằng thuật toán GRG trên Excel là một giải pháp hiệu quả, tiết kiệm chi phí và dễ dàng triển khai trong môi trường nghiên cứu và đào tạo. Bộ nội suy số giúp giảm đáng kể thời gian tính toán so với các phương pháp truyền thống, đồng thời nâng cao độ chính xác quỹ đạo cắt.

So với các máy cắt laser và plasma, máy cắt Gas – Oxy điều khiển số có ưu thế về khả năng cắt vật liệu dày, chi phí đầu tư thấp và dễ dàng bảo trì. Tuy nhiên, chất lượng bề mặt cắt không bằng laser nhưng phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ chính xác vừa phải và chi phí hợp lý.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh sai số kích thước giữa cắt thủ công và cắt điều khiển số, bảng thống kê năng suất cắt và hình ảnh bề mặt cắt mẫu thử nghiệm để minh họa hiệu quả nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi máy cắt Gas – Oxy điều khiển số trong các phân xưởng cơ khí vừa và nhỏ: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu tăng năng suất cắt lên ít nhất 25% trong vòng 6 tháng, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp cơ khí và nhà máy luyện thép.

  2. Nâng cấp hệ thống điều khiển và bộ nội suy để hỗ trợ gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp hơn: Đề xuất "phát triển" phần mềm nội suy đa trục, mục tiêu giảm sai số vị trí xuống dưới 0,05 mm trong 1 năm, chủ thể là các trung tâm nghiên cứu và nhà sản xuất máy CNC.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì máy cắt điều khiển số: "Tổ chức" các khóa đào tạo chuyên sâu nhằm nâng cao kỹ năng vận hành, giảm thiểu lỗi vận hành, thời gian thực hiện 3 tháng, chủ thể là các trường nghề và doanh nghiệp.

  4. Tích hợp hệ thống CAD/CAM để tự động hóa quá trình lập trình quỹ đạo cắt: "Triển khai" phần mềm CAD/CAM tương thích với máy cắt, mục tiêu rút ngắn thời gian lập trình quỹ đạo xuống 50% trong 6 tháng, chủ thể là các nhà phát triển phần mềm và doanh nghiệp sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp cơ khí vừa và nhỏ: Có thể áp dụng máy cắt Gas – Oxy điều khiển số để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí sản xuất.

  2. Trung tâm đào tạo nghề và trường đại học kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy về thiết kế máy công cụ, robot công nghiệp và điều khiển số trong gia công cơ khí.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ máy công cụ: Tham khảo phương pháp thiết kế động học, điều khiển và nội suy trong robot công nghiệp ứng dụng cho máy cắt.

  4. Các kỹ sư thiết kế và vận hành máy CNC: Nắm bắt kiến thức về cấu trúc cơ – điện, thuật toán điều khiển và tối ưu hóa quỹ đạo cắt để cải tiến sản phẩm và quy trình sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy cắt Gas – Oxy điều khiển số có ưu điểm gì so với cắt thủ công?
    Máy cắt điều khiển số đảm bảo độ chính xác cao hơn, năng suất tăng khoảng 30%, chất lượng bề mặt cắt đồng đều và giảm hao hụt vật liệu nhờ quỹ đạo cắt tối ưu. Ví dụ, sai số kích thước giảm xuống dưới 0,2 mm so với sai số lớn hơn khi cắt thủ công.

  2. Phương pháp giải bài toán động học bằng Solver Excel có hiệu quả như thế nào?
    Phương pháp này cho phép tính toán nhanh chóng và chính xác các biến khớp trong phạm vi sai số ±0,1 mm, phù hợp với cấu hình robot 3 khâu tịnh tiến, giúp điều khiển máy chính xác và ổn định.

  3. Bộ nội suy có vai trò gì trong máy cắt Gas – Oxy điều khiển số?
    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. Nội suy tuyến tính và nội suy vòng được sử dụng để gia công các biên dạng thẳng và cong phức tạp.

  4. Máy cắt Gas – Oxy điều khiển số có thể cắt được vật liệu dày bao nhiêu?
    Máy có khả năng cắt thép tấm với độ dày lên đến 300 mm, vượt trội so với các phương pháp cắt laser (dưới 12 mm) và plasma (dưới 50 mm), phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp nặng.

  5. Làm thế nào để tối ưu hóa quỹ đạo cắt trên máy?
    Sử dụng phần mềm CAD/CAM tích hợp với bộ điều khiển số để lập trình quỹ đạo cắt, kết hợp thuật toán tối ưu hóa sắp xếp chi tiết trên tấm thép giúp giảm hao phí vật liệu và rút ngắn thời gian gia công.

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 đầu cắt trong phạm vi ±0,1 mm.
  • Kiến trúc cơ – điện và hệ thống truyền động được tối ưu cho tải trọng khoảng 150 kg, tốc độ trục X, Y đạt 110 mm/s, trục Z đạt 15 mm/s.
  • Bộ nội suy tuyến tính và vòng giúp tạo quỹ đạo cắt chính xác, giảm sai số và tăng năng suất gia công.
  • Máy cắt điều khiển số nâng cao chất lượng bề mặt cắt, đồng đều sản phẩm và giảm hao hụt vật liệu so với phương pháp thủ công.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng rộng rãi, nâng cấp phần mềm điều khiển và đào tạo kỹ thuật viên để phát huy tối đa hiệu quả nghiên cứu.

Tiếp theo, cần tiến hành thử nghiệm thực tế trên các loại vật liệu khác nhau, hoàn thiện phần mềm điều khiển và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp. Mời các doanh nghiệp và trung tâm đào tạo liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng công nghệ máy cắt Gas – Oxy điều khiển số.