I. Tổng Quan về Máy Phay CNC 5 Trục Cấu Trúc và Ứng Dụng
Máy phay CNC 5 trục đang ngày càng trở nên phổ biến trong sản xuất công nghiệp hiện đại, đặc biệt trong gia công các sản phẩm đòi hỏi độ chính xác cao. Sự phát triển của máy CNC đi đôi với sự đổi mới và phát triển các trang thiết bị phục vụ sản xuất. Bên cạnh máy CNC có cấu trúc động học hở truyền thống, máy CNC có cấu trúc động học song song (PKMT) bắt đầu xuất hiện vào những năm 1990. Từ năm 2004, máy CNC kiểu lai giữa cấu trúc động học hở và kín (PSK) ra đời, kết hợp máy CNC và robot song song. Đây là kiểu máy CNC mới nhất, đang được nghiên cứu chủ yếu tại các phòng thí nghiệm của các nước có trình độ khoa học cao như Mỹ, Nga, Nhật, Trung Quốc. Luận văn này nghiên cứu về động học của máy CNC 5 trục kiểu PSK, tập trung vào robot song song với 3 trục chuyển động tịnh tiến và modul quay BC với 2 trục quay.
1.1. Lịch Sử Phát Triển Máy CNC Nhiều Trục Cấu Trúc ĐHSS
Trước năm 1990, nhiều công trình nghiên cứu về máy công cụ điều khiển số cấu trúc động học song song (PKMT) gặp khó khăn do chi phí điều khiển cao. Sau năm 1990, máy tính trở nên phổ biến và rẻ hơn, thúc đẩy sự phát triển của PKMT. Máy PKMT đầu tiên trên thế giới, Octahedral Hexapod, được sản xuất bởi hãng Ingersoll vào năm 1990. Tuy nhiên, nhược điểm của máy PKM là miền làm việc nhỏ so với kích thước máy. Từ năm 2003-2004, các nghiên cứu tập trung vào kết hợp chuỗi động học hở và song song (PSK) để khắc phục nhược điểm này. Các hãng chế tạo máy công cụ cũng nghiên cứu và sản xuất một số mẫu máy CNC kiểu PSK.
1.2. Ưu Điểm của Rô Bốt Song Song Cấu Trúc Trực Giao
Cơ cấu song song đa dạng về cấu trúc, kết cấu, kích thước và không gian hoạt động. So với các cấu trúc động học khác, cấu trúc động học song song có nhiều ưu điểm như độ cứng vững cao, tốc độ gia công và độ chính xác cao hơn. Do đó, cấu trúc này thường được dùng làm máy phay CNC cao tốc. Sự linh hoạt trong thiết kế của cấu trúc động học song song giúp tạo ra nhiều kiểu máy phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Cấu trúc RBSS Orthoglide có thiết kế đẳng hướng, cung cấp miền không gian làm việc liên tục, phân bố vận tốc đồng đều và ổn định.
II. Phân Tích Gia Công Bề Mặt Phức Tạp trên Máy Phay 5 Trục
Hầu hết các phần mềm CAM thương mại gói 5 trục đều có cơ sở là công nghệ phay hốc ba bậc tự do. Nhiều hệ thống CAM như Master-CAM, CAMAX, AlphaCAM và Pro Mmanufacture khi sử dụng gói phần mềm 5 trục thường bị giới hạn bởi 3 bậc tự do, hai trục còn lại được xác định bởi người dùng. Khi sử dụng các gói phần mềm này, người sử dụng kiêm luôn việc vạch kế hoạch điều khiển lựa chọn chế độ cắt, phân tích, lựa chọn dụng cụ. Do đó đến nay các phần mềm CAM thương mại vẫn hạn chế trong việc can thiệp tổng thể đòi hỏi người dùng phải có nhiều kỹ năng, kinh nghiệm và mất nhiều công sức.
2.1. Khó Khăn Khi Sử Dụng Phần Mềm CAM 5 Trục Hiện Tại
Khi gia công chi tiết có bề mặt phức tạp như cánh tua bin, người dùng phải hiệu chỉnh liên tục đường dụng cụ bằng cách sửa lại mã G-code hoặc sửa lại đường dụng cụ cho từng mặt hoặc điều chỉnh góc nghiêng của dụng cụ cho phù hợp. Việc làm đó lặp đi lặp lại một cách thụ động và không trực quan. Vì vậy, việc tính toán đường dụng cụ cho máy 5 trục đến nay vẫn là cần thiết và đang được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Tác giả đưa ra một thuật toán tính đường dụng cụ cho máy 5 trục dựa vào điểm tiếp xúc đối với dao phay ngón đầu cầu.
2.2. Ứng Dụng Gia Công Bề Mặt Phức Tạp Tiêu Biểu
Các chi tiết máy có những bề mặt từ đơn giản cho đến phức tạp như cánh tua bin hay trục đùn của vít tải dầu với những công dụng khác nhau mà dạng bề mặt chi tiết có dạng phức tạp khác nhau. Đối với máy 3 trục không thể gia công các bề mặt phức tạp do không đủ bậc tự do khi gia công các chi tiết này. Trước khi có máy CNC 5 trục thì các bề mặt phức tạp được gia công bằng phương pháp chép hình. Ngày nay với sự phát triển của công nghệ CNC 5 trục và 6 trục cho phép không những chỉ dẫn dụng cụ theo đường dụng cụ mà còn điều khiển hướng của dụng cụ để tạo vận tốc cắt trong quá trình gia công các bề mặt phức tạp.
III. Hướng Dẫn Tính Toán Đường Dụng Cụ Cho Máy Phay CNC 5 Trục
Khi gia công các bề mặt phức tạp trong không gian bằng máy phay CNC nhiều trục (5 hoặc 6 trục) thì đường dụng cụ có những điểm khác với 3 trục, ngoài việc định vị dụng cụ nó còn định hướng dụng cụ tùy theo độ phức tạp của bề mặt gia công và hình dạng hình học của dao. Việc tính toán đường dụng cụ trở nên quan trọng hơn bao giờ hết để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả gia công.
3.1. Định Vị và Định Hướng Dụng Cụ Gia Công 5 Trục
Xét chi tiết gia công có bề mặt là các mặt phẳng khác nhau được gia công bằng giao phay ngón đầu bằng, ta thấy chi tiết được gia công có mặt phẳng gia công là các mặt phẳng đơn giản nhưng nếu gia công trên máy 3 trục thì việc thiết kế đồ gá rất phức tạp mới có thể gia công được. Tuy nhiên đối với máy 5 trục thì việc thay đổi hướng của trục dao là hoàn toàn gia công được.
3.2. Véc Tơ Pháp Tuyến và Góc Nghiêng Dao Cần Thiết
Xét bề mặt cong trơn trên hình, các véc tơ pháp tuyến biến đổi theo bề mặt cong. Giả sử cắt trích 1 đường cong trên bề mặt ta có đường cong với các pháp tuyến ở hình. Để gia công các bề mặt này thì dao phải nghiêng 1 góc tối thiểu nào đó để đạt vận tốc cắt mong muốn. Ví dụ, khi gia công mặt trụ, dao phải luôn nghiêng để tránh va chạm. Điều này đòi hỏi phải tính toán kỹ lưỡng góc nghiêng và hướng của dao trong suốt quá trình gia công.
3.3. Phương Pháp Lập Trình và Mô Phỏng Đường Dụng Cụ
Để tính toán và mô phỏng đường dụng cụ gia công bề mặt không gian bằng dao đầu cầu, cần một sơ đồ tính toán chi tiết. Biểu đồ phụ thuộc vận tốc cắt, góc nghiêng, vận tốc trục chính của dao đầu cầu với R = 10 mm cần được xem xét. Bên cạnh đó, cần một sơ đồ khối tính đường dụng cụ và định hướng dụng cụ. Cuối cùng, giao diện modul phần mềm tính đường dụng cụ đóng vai trò quan trọng trong việc hiển thị và kiểm tra kết quả.
IV. Thiết Kế Kết Cấu Máy Phay CNC 5 Trục Kiểu PSK
Việc thiết kế kết cấu máy đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác và độ cứng vững của máy CNC 5 trục. Đặc biệt đối với máy phay CNC 5 trục kiểu PSK, việc thiết kế các modul robot song song và modul bàn quay BC cần được thực hiện một cách cẩn thận.
4.1. Cơ Sở Thiết Kế Modul Robot Song Song RBSS
Cần xem xét các yếu tố như độ cứng vững, khả năng chịu tải và không gian làm việc. Thiết kế phải đảm bảo khả năng di chuyển linh hoạt và chính xác của đầu trục chính theo ba trục tọa độ. Các khớp nối và hệ thống dẫn động cần được lựa chọn và bố trí một cách hợp lý để giảm thiểu sai số và rung động trong quá trình gia công. Cụm dẫn động, cụm hình bình hành, cụm cánh tay và cẳng tay đóng vai trò quan trọng trong thiết kế.
4.2. Thiết Kế Modul Quay BC và Giá Đỡ Di Động
Modul quay BC cần đảm bảo khả năng quay chính xác và ổn định quanh hai trục. Giá đỡ di động cần đảm bảo độ cứng vững và khả năng chịu tải để giữ vững chi tiết gia công trong quá trình gia công. Thiết kế cần xem xét các yếu tố như vật liệu, kích thước và phương pháp gia công để đảm bảo chất lượng và tuổi thọ của các bộ phận.
V. Mô Phỏng Quá Trình Gia Công Bề Mặt Phức Tạp Thực Tiễn
Mô phỏng quá trình gia công là một bước quan trọng để kiểm tra và tối ưu hóa đường dụng cụ và các thông số điều khiển. Phần mềm mô phỏng cho phép người dùng xem trước quá trình gia công, phát hiện các va chạm và điều chỉnh các thông số để đạt được kết quả gia công tốt nhất.
5.1. Giao Diện Phần Mềm Mô Phỏng và Chức Năng Chính
Giao diện phần mềm cần trực quan và dễ sử dụng, cung cấp các công cụ để xem và điều chỉnh đường dụng cụ, các thông số cắt và mô phỏng quá trình gia công. Phần mềm cần hỗ trợ các loại dao khác nhau và các kiểu đường dụng cụ phổ biến. Khả năng phát hiện va chạm và hiển thị kết quả gia công là rất quan trọng.
5.2. Kết Quả Mô Phỏng Gia Công Trên Các Bề Mặt Khác Nhau
Mô phỏng gia công trên các bề mặt khác nhau như mặt cầu, mặt yên ngựa và mặt xoắn vít cho phép đánh giá hiệu quả của các phương pháp gia công và lựa chọn các thông số điều khiển phù hợp. Kết quả mô phỏng cần được so sánh với kết quả thực tế để đánh giá độ chính xác và độ tin cậy của phần mềm.
VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Máy Phay CNC 5 Trục
Nghiên cứu và phát triển máy phay CNC 5 trục là một lĩnh vực đầy tiềm năng và có ý nghĩa quan trọng trong công nghiệp chế tạo máy. Việc tiếp tục nghiên cứu các vấn đề về động học, động lực học, điều khiển và thiết kế kết cấu sẽ giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác của máy phay CNC 5 trục, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của sản xuất công nghiệp.
6.1. Tổng Kết Kết Quả Nghiên Cứu và Đánh Giá Ưu Điểm
Luận văn đã trình bày một số kết quả nghiên cứu về động học của máy phay CNC 5 trục kiểu PSK và ứng dụng trong gia công các bề mặt phức tạp. Các kết quả này có thể làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về động lực học, điều khiển và thiết kế máy. Các ưu điểm của máy phay CNC 5 trục so với máy phay CNC truyền thống đã được chỉ ra.
6.2. Đề Xuất Hướng Phát Triển và Ứng Dụng Thực Tiễn
Cần tiếp tục nghiên cứu các vấn đề về tối ưu hóa đường dụng cụ, điều khiển thích nghi và tích hợp các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy vào máy phay CNC 5 trục. Ứng dụng thực tiễn của máy phay CNC 5 trục trong các ngành công nghiệp như hàng không vũ trụ, ô tô và y tế cần được mở rộng.
