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 0,007mm đến 60mm, 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.

Phương pháp cắt nhiệt, đặc biệt là cắt Gas – Oxy, được sử dụng phổ biến trong công nghiệp do tính cơ động, khả năng cắt vật liệu dày lên đến 300mm và chi phí đầu tư thấp hơn so với các công nghệ cắt khác như laser hay plasma. Tuy nhiên, cắt thủ công bằng Gas – Oxy 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 cắt. 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 cơ khí 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 cải thiện chất lượng sản phẩm, góp phần giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh 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). Lý thuyết này giúp xác định vị trí và hướng của đầu cắt trong không gian làm việc, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình cắt.

  • Phương pháp chuyển đổi tọa độ Denavit-Hartenberg (DH): Áp dụng để mô hình hóa và tính toán các ma trận chuyển đổi tọa độ giữa các khâu của robot, từ đó xác định chính xác vị trí đầu cắt theo yêu cầu bản vẽ kỹ thuật.

  • Phương pháp giải bài toán động học ngược bằng thuật toán tối ưu hóa GRG (Generalized Reduced Gradient): Sử dụng công cụ Solver trong MS Excel để tìm các biến khớp sao cho sai số vị trí đầu cắt nhỏ nhất, đảm bảo độ chính xác trong điều khiển.

  • Khái niệm và nhiệm vụ của bộ nội suy: Bộ nội suy giúp tạo ra các điểm trung gian trên quỹ đạo cắt, giảm chi phí tính toán và đảm bảo chuyển động mượt mà, chính xác của đầu cắt. Các dạng nội suy chính gồm nội suy tuyến tính (DDA) và nội suy vòng, phù hợp với các biên dạng kỹ thuật phức tạp.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu thực nghiệm từ quá trình thiết kế, chế tạo và vận hành máy cắt Gas – Oxy điều khiển số tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên và các cơ sở đào tạo nghề liên quan.

  • Phương pháp phân tích: Kết hợp mô hình hóa toán học, phân tích động học robot, tối ưu hóa bằng thuật toán GRG và mô phỏng nội suy quỹ đạo cắt. Các thông số kỹ thuật như kích thước hành trình, lực tác dụng, tốc độ trục và sai số định trước được đo đạc và tính toán chi tiết.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến 2016, bao gồm các giai đoạn thiết kế động học, xây dựng kiến trúc cơ điện, lập trình điều khiển và thử nghiệm đánh giá máy.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Thực nghiệm được tiến hành trên máy cắt Gas – Oxy chế tạo mẫu với kích thước hành trình 800 x 800 x 100 mm, phù hợp với nhu cầu đào tạo và ứng dụng thực tế trong công nghiệp vừa và nhỏ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thiết kế động học robot 3 khâu tịnh tiến (TTT) cho phép máy cắt di chuyển chính xác trong không gian làm việc 800 x 800 x 100 mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật với sai số dịch chuyển đầu cắt trong phạm vi ±0,1 mm. Kết quả tính toán và mô phỏng cho thấy các biến khớp d1, d2, d3 có thể điều chỉnh linh hoạt để đạt độ chính xác cao.

  2. Ứng dụng thuật toán tối ưu hóa GRG trên Excel giúp giải bài toán động học ngược nhanh chóng và chính xác, giảm thời gian tính toán và tăng hiệu quả điều khiển. Sai số vị trí đầu cắt được giữ ở mức rất nhỏ, đảm bảo chất lượng đường cắt.

  3. Kiến trúc cơ điện và điện tử của máy được thiết kế đồng bộ với động cơ công suất 200W cho các trục X, Y, Z, đảm bảo vận tốc tối đa 110 mm/s cho trục X, Y và 15 mm/s cho trục Z. Lực tác dụng thêm do áp suất khí và trọng lượng bàn gá được tính toán kỹ lưỡng, đảm bảo độ bền và độ ổn định của máy.

  4. Bộ nội suy tuyến tính và vòng được tích hợp trong hệ thống điều khiển số, giúp tạo ra các điểm trung gian chính xác trên quỹ đạo cắt, giảm sai số và tăng độ mượt mà của chuyển động. Tần số nội suy đạt khoảng 4,2 kHz, phù hợp với tốc độ chạy dao 120 mm/s.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy máy cắt Gas – Oxy điều khiển số có khả năng nâng cao đáng kể độ chính xác và chất lượng sản phẩm so với phương pháp cắt thủ công truyền thống. Việc áp dụng lý thuyết động học robot và thuật toán tối ưu hóa giúp giảm sai số vị trí đầu cắt xuống dưới 0,1 mm, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật trong gia công cơ khí chính xác.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, máy cắt Gas – Oxy điều khiển số có ưu thế vượt trội về khả năng cắt vật liệu dày lên đến 300 mm, chi phí đầu tư thấp hơn so với máy cắt laser hoặc plasma, đồng thời dễ dàng vận hành và bảo trì. Bộ nội suy số giúp giảm thiểu sai số nội suy, tăng độ ổn định và độ bền của máy trong quá trình vận hành liên tục.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ sai số vị trí đầu cắt theo từng biến khớp, bảng so sánh tốc độ và lực tác dụng trên các trục, cũng như hình ảnh mô phỏng quỹ đạo cắt với các điểm nội suy trung gian. Các kết quả này minh chứng cho hiệu quả của thiết kế và phương pháp điều khiển số trong việc nâng cao năng suất và chất lượng gia công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng rộng rãi máy cắt Gas – Oxy điều khiển số trong các phân xưởng cơ khí vừa và nhỏ nhằm nâng cao năng suất cắt, giảm sai số và chi phí sản xuất. Thời gian thực hiện dự kiến trong 1-2 năm, chủ thể là các doanh nghiệp sản xuất cơ khí.

  2. Đào tạo kỹ thuật viên và công nhân vận hành máy để đảm bảo khai thác hiệu quả công nghệ điều khiển số, nâng cao tay nghề và giảm thiểu lỗi vận hành. Khuyến nghị tổ chức các khóa đào tạo định kỳ hàng năm tại các trung tâm đào tạo nghề và trường đại học.

  3. Nâng cấp phần mềm điều khiển và bộ nội suy để tối ưu hóa quỹ đạo cắt, giảm thời gian gia công và tăng độ chính xác. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị, với lộ trình phát triển phần mềm trong 6-12 tháng.

  4. Tăng cường nghiên cứu và phát triển các loại đầu cắt và cảm biến mới nhằm cải thiện chất lượng bề mặt cắt và khả năng tự động điều chỉnh trong quá trình cắt. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 2 năm, phối hợp giữa viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí vừa và nhỏ: Nghiên cứu giúp cải tiến quy trình cắt phôi, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, giảm chi phí vận hành.

  2. Trung tâm đào tạo nghề và trường đại học kỹ thuật: Áp dụng làm tài liệu giảng dạy, thực hành cho sinh viên và học viên cao học về công nghệ điều khiển số và gia công cơ khí.

  3. Nhà nghiên cứu và kỹ sư phát triển thiết bị công nghiệp: Tham khảo phương pháp thiết kế động học robot, thuật toán tối ưu hóa và kiến trúc điều khiển máy cắt Gas – Oxy.

  4. Các đơn vị bảo trì và sửa chữa máy công cụ: Hiểu rõ cấu trúc cơ điện và điện tử của máy để thực hiện bảo dưỡng, sửa chữa và nâng cấp thiết bị hiệu quả.

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 nâng cao độ chính xác, giảm sai số vị trí đầu cắt xuống ±0,1 mm, đồng thời tăng năng suất và chất lượng bề mặt cắt so với cắt thủ công phụ thuộc tay nghề người thợ.

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

  3. Phương pháp nội suy nào được sử dụng trong hệ thống điều khiển?
    Hệ thống sử dụng nội suy tuyến tính (DDA) và nội suy vòng để tạo các điểm trung gian trên quỹ đạo cắt, đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác.

  4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác trong quá trình cắt?
    Độ chính xác được đảm bảo nhờ thiết kế động học robot 3 khâu, thuật toán tối ưu hóa GRG giải bài toán động học ngược và bộ nội suy số với tần số nội suy khoảng 4,2 kHz.

  5. Chi phí đầu tư và vận hành máy cắt Gas – Oxy điều khiển số như thế nào?
    Chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với máy cắt laser hoặc plasma, chi phí vận hành và bảo trì hợp lý, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ, đồng thời tiết kiệm chi phí nhờ nâng cao năng suất và giảm phế liệu.

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.
  • Ứng dụng thuật toán tối ưu hóa GRG và bộ nội suy số giúp nâng cao hiệu quả điều khiển, giảm sai số và tăng chất lượng sản phẩm.
  • Kiến trúc cơ điện và điện tử được thiết kế đồng bộ, phù hợp với yêu cầu vận hành và bảo trì trong môi trường công nghiệp.
  • Máy cắt Gas – Oxy điều khiển số có khả năng cắt vật liệu dày đến 300 mm, đáp ứng đa dạng nhu cầu sản xuất và đào tạo nghề.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng, đào tạo và nghiên cứu nâng cấp nhằm phát huy tối đa hiệu quả công nghệ trong thực tế sản xuất.

Luận văn mở ra hướng phát triển công nghệ cắt kim loại bằng Gas – Oxy điều khiển số tại Việt Nam, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật chất lượng cao. Các doanh nghiệp và cơ sở đào tạo được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ này để tăng cường hiệu quả sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.