Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, máy công cụ điều khiển số CNC đóng vai trò then chốt trong gia công các sản phẩm có độ chính xác cao. Từ những năm 1990, máy CNC cấu trúc động học song song (PKMT) đã được nghiên cứu nhưng gặp nhiều hạn chế về chi phí điều khiển và không gian làm việc. Đến đầu thế kỷ XXI, sự kết hợp giữa cấu trúc động học hở và song song tạo ra kiểu máy CNC PSK (Parallel Serial Kinematic) với 5 trục, bao gồm 3 trục tịnh tiến và 2 trục quay, mở ra hướng phát triển mới cho ngành gia công cơ khí chính xác. Luận văn tập trung nghiên cứu tính toán thông số điều khiển động học và mô phỏng quá trình gia công trên máy phay CNC 5 trục kiểu PSK, với phạm vi nghiên cứu từ năm 2013 tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phân tích động học máy CNC 5 trục kiểu PSK, thiết kế kết cấu máy, xây dựng thuật toán tính toán đường dụng cụ và định hướng dụng cụ, từ đó phát triển phần mềm mô phỏng quá trình gia công các bề mặt phức tạp. Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc mở rộng kiến thức về động học máy CNC thế hệ mới, đồng thời có giá trị thực tiễn trong giảng dạy và ứng dụng công nghệ CNC hiện đại, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng gia công các chi tiết phức tạp như cánh tua bin, trục vít tải.

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:

  • Cấu trúc động học song song và lai PSK: Kết hợp giữa robot song song 3 bậc tự do (RBSS Orthoglide) và modul quay BC 2 bậc tự do, tạo thành máy CNC 5 trục với khả năng tịnh tiến và định hướng dụng cụ linh hoạt.
  • Động học máy CNC: Phương trình động học được thiết lập dựa trên hệ tọa độ gốc máy, hệ tọa độ bàn máy, và hệ tọa độ phôi, sử dụng các phép quay Euler, Roll-Pitch-Yaw để xác định vị trí và hướng của dụng cụ.
  • Thuật toán tính đường dụng cụ: Áp dụng các quy luật sinh quỹ đạo như xoáy ốc song song cách đều, song song cách đều, và ziczac để tạo ra các đường dụng cụ phù hợp với bề mặt gia công phức tạp.
  • Khái niệm chính: Đường dụng cụ (tool path), điểm định vị dụng cụ (CLi), véc tơ định hướng trục dụng cụ (tdi), góc nghiêng dụng cụ (β), và các loại dao phay ngón (đầu cầu, đầu bằng, đầu xuyến).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm mô phỏng:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu động học và hình học máy CNC 5 trục kiểu PSK, dữ liệu bề mặt gia công tham số (ví dụ bề mặt cánh mỏng, bậc 3), và các thông số kỹ thuật dao phay ngón.
  • Phương pháp phân tích: Thiết lập phương trình động học, xác định các thông số điều khiển vị trí và hướng của dụng cụ, lập trình thuật toán tính toán đường dụng cụ và định hướng dụng cụ trên Matlab 2009.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong năm 2013, bao gồm 4 chương chính: tổng quan máy CNC PSK và gia công bề mặt phức tạp, phân tích động học và xác định thông số điều khiển, thiết kế kết cấu máy, và mô phỏng quá trình gia công.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu nghiên cứu là máy phay CNC 5 trục kiểu PSK với cấu trúc RBSS orthoglide và modul quay BC, lựa chọn do tính thời sự và tiềm năng ứng dụng cao trong gia công cơ khí chính xác.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân tích động học máy CNC 5 trục kiểu PSK:

    • Máy gồm hai modul: robot song song RBSS orthoglide với 3 bậc tự do tịnh tiến và modul quay BC với 2 bậc tự do quay.
    • Phương trình động học được thiết lập chi tiết, xác định được các góc quay B, C để định hướng trục dụng cụ, với sai số điều khiển trong khoảng 0.1 độ, đảm bảo độ chính xác cao trong gia công.

  2. Thuật toán tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ:

    • Thuật toán sinh quỹ đạo theo các quy luật xoáy ốc song song cách đều, song song cách đều và ziczac được lập trình thành công trên Matlab.
    • Ví dụ mô phỏng gia công bề mặt cánh mỏng với 1191 điểm định vị CLi và bề mặt tham số bậc 3 với 3376 điểm định vị, cho thấy khả năng tạo ra đường dụng cụ liên tục, chính xác và phù hợp với bề mặt phức tạp.

  3. Mô phỏng quá trình gia công:

    • Phần mềm mô phỏng cho phép hiển thị đường dụng cụ và trường véc tơ định hướng trục dụng cụ, giúp trực quan hóa quá trình gia công.
    • Kết quả mô phỏng cho thấy khả năng tránh va chạm hiệu quả giữa dao và chi tiết, cũng như giữa dao và các bộ phận máy, nâng cao an toàn và chất lượng gia công.

  4. Thiết kế kết cấu máy:

    • Kết cấu modul RBSS orthoglide với 9 khớp quay và 1 khớp trượt mỗi chân, tăng hành trình trượt và độ cứng vững.
    • Modul quay BC gồm hai trục quay vuông góc, đảm bảo định hướng chính xác cho phôi trong quá trình gia công.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi và hiệu quả của máy CNC 5 trục kiểu PSK trong gia công các bề mặt phức tạp. So với máy CNC 3 trục truyền thống, máy PSK với 5 bậc tự do cho phép gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp như cánh tua bin, mặt xoắn, mặt cong bậc cao với độ chính xác và năng suất cao hơn. Thuật toán tính đường dụng cụ dựa trên điểm tiếp xúc và định hướng dụng cụ giúp tối ưu hóa vận tốc cắt và tránh va chạm, điều mà các phần mềm CAM thương mại hiện nay vẫn còn hạn chế.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, luận văn đã kế thừa và phát triển thêm các thuật toán sinh quỹ đạo và mô phỏng chi tiết hơn, đồng thời thiết kế kết cấu máy phù hợp với điều kiện thực tế trong nước. Việc lập trình trên Matlab và xây dựng phần mềm mô phỏng cũng tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng trong giảng dạy và nghiên cứu tiếp theo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ vận tốc cắt theo góc nghiêng dụng cụ, bảng số liệu điểm định vị CLi, và hình ảnh mô phỏng đường dụng cụ cùng trường véc tơ định hướng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của phương pháp nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Phát triển hệ thống điều khiển tích hợp:

    • Xây dựng hệ thống điều khiển động học và động lực học tích hợp cho máy CNC 5 trục kiểu PSK, nhằm nâng cao độ chính xác và ổn định trong quá trình gia công.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Trung tâm nghiên cứu công nghệ CNC và các doanh nghiệp sản xuất máy CNC.

  2. Mở rộng mô phỏng và tối ưu hóa thuật toán:

    • Nâng cấp phần mềm mô phỏng để tích hợp các yếu tố công nghệ như lực cắt, nhiệt độ, và mài mòn dụng cụ, giúp dự báo chính xác hơn quá trình gia công.
    • Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm công nghệ chế tạo máy.

  3. Đào tạo và chuyển giao công nghệ:

    • Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về máy CNC 5 trục kiểu PSK và phần mềm mô phỏng cho cán bộ kỹ thuật, sinh viên và doanh nghiệp.
    • Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội và các trung tâm đào tạo nghề.

  4. Ứng dụng trong sản xuất thực tế:

    • Thử nghiệm và ứng dụng máy CNC 5 trục kiểu PSK trong gia công các chi tiết phức tạp tại các nhà máy cơ khí chính xác, nhằm đánh giá hiệu quả và điều chỉnh thiết kế.
    • Thời gian thực hiện: 1-3 năm; Chủ thể: Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và các viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ chế tạo máy:

    • Học hỏi kiến thức về động học máy CNC 5 trục, thuật toán tính đường dụng cụ và mô phỏng gia công bề mặt phức tạp, phục vụ cho nghiên cứu và luận văn.

  2. Giảng viên và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực cơ khí chính xác và tự động hóa:

    • Tham khảo phương pháp phân tích động học, thiết kế kết cấu máy và phát triển phần mềm mô phỏng để ứng dụng trong giảng dạy và nghiên cứu nâng cao.

  3. Kỹ sư và chuyên gia phát triển máy CNC, robot công nghiệp:

    • Áp dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế, cải tiến máy CNC 5 trục kiểu PSK, nâng cao hiệu suất và độ chính xác trong sản xuất.

  4. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí chính xác và gia công chi tiết phức tạp:

    • Tìm hiểu công nghệ mới, áp dụng phần mềm mô phỏng để tối ưu hóa quá trình gia công, giảm thiểu lỗi và tăng năng suất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy CNC 5 trục kiểu PSK khác gì so với máy CNC truyền thống?
    Máy PSK kết hợp cấu trúc động học song song và hở, cho phép 3 trục tịnh tiến và 2 trục quay linh hoạt, giúp gia công các bề mặt phức tạp với độ chính xác và tốc độ cao hơn so với máy 3 trục truyền thống.

  2. Thuật toán tính đường dụng cụ dựa trên nguyên tắc nào?
    Thuật toán sử dụng các quy luật sinh quỹ đạo như xoáy ốc song song cách đều, song song cách đều và ziczac, dựa trên điểm tiếp xúc giữa dao và bề mặt gia công, đảm bảo đường dụng cụ liên tục và tránh va chạm.

  3. Phần mềm mô phỏng được phát triển trên nền tảng nào?
    Phần mềm mô phỏng được lập trình trên Matlab 2009, cho phép tính toán và hiển thị đường dụng cụ cùng trường véc tơ định hướng trục dụng cụ, hỗ trợ kiểm tra và hiệu chỉnh thuật toán.

  4. Làm thế nào để tránh va chạm trong quá trình gia công?
    Bằng cách tính toán chính xác đường dụng cụ và định hướng dụng cụ, đồng thời mô phỏng quá trình gia công để phát hiện và điều chỉnh các vị trí có nguy cơ va chạm, đảm bảo an toàn và chất lượng.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu giúp thiết kế và vận hành máy CNC 5 trục kiểu PSK hiệu quả, gia công các chi tiết phức tạp như cánh tua bin, trục vít tải, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm trong công nghiệp chế tạo máy.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và thiết lập thành công phương trình động học cho máy phay CNC 5 trục kiểu PSK, bao gồm modul robot song song RBSS và modul quay BC.
  • Thuật toán tính toán đường dụng cụ và định hướng dụng cụ được phát triển và lập trình trên Matlab, cho phép mô phỏng chính xác quá trình gia công các bề mặt phức tạp.
  • Phần mềm mô phỏng hỗ trợ trực quan hóa đường dụng cụ và trường véc tơ định hướng, giúp kiểm soát va chạm và tối ưu hóa quá trình gia công.
  • Thiết kế kết cấu máy đảm bảo độ cứng vững và hành trình làm việc phù hợp với yêu cầu gia công chính xác.
  • Đề xuất các giải pháp phát triển hệ thống điều khiển tích hợp, nâng cấp phần mềm mô phỏng, đào tạo và ứng dụng thực tế nhằm thúc đẩy công nghệ CNC 5 trục kiểu PSK tại Việt Nam.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu và ứng dụng mới trong lĩnh vực công nghệ chế tạo máy, đặc biệt là gia công cơ khí chính xác với máy CNC nhiều trục hiện đại. Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích tiếp tục phát triển và ứng dụng kết quả này để nâng cao năng lực sản xuất và cạnh tranh trên thị trường quốc tế.