Thiết kế hệ thống đo lực cắt quá trình phay

1 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐO LỰC CẮT QUÁ TRÌNH PHAY TS.Thái Thị Thu Hà Th.s Hồ Minh Đạo Khoa Cơ Khí - Trường Đại học bách Khoa - Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh Tóm tắt : Bài báo trình bày hệ thống đo lực cắt trên máy phay CNC . Đây là một phần của hệ thống đo lường và điều khiển bằng máy tính . Tín hiệu lực cắt thu được từ lực kế được truyền về máy tính , máy tính sẽ phân tích , xử lý để phục vụ cho mục đích điều khiển .Lực kế được thiết kế và chế tạo dựa trên nguyên tắc đo lực bằng cảm biến biến dạng .Cũng trong bài báo này , các kết quả thực nghiệm đo lực cắt với nhiều chế độ cắt khác nhau sẽ được trình bày .Gíá trị lực cắt đo được gần đúng với giá trị tính toán lý thuyết , điều này cho thấy hệ thống đo lực cắt hoạt động ổn định , chính xác . Abtract : This paper presents a PC-based monitoring method of cutting forces by a 3-component strain gage based milling dynamometer designed and manufactured . Experiments are carried out under end milling operations for aluminum with different combinations of cutting condition . The results was compared with theorical calculation of cutting force . Its is shown that the monitoring system is reliable , accurate and possible . 1. GIỚI THIỆU: Điều khiển giám sát quá trình gia công trên máy CNC đã và đang là trọng tâm nghiên cứu trong định hướng phát triển máy CNC . Giám sát quá trình gia công và tự động điều chỉnh chế độ cắt ( lượng chạy dao , tốc độ trục chính ) giúp tăng năng suất , tiết kiệm thời gian , chi phí đồng thời vẫn đảm bảo độ chính xác và chất lượng bề mặt gia công . Trước đây , việc giám sát máy CNC cần phải có nhiều loại cảm biến khác nhau để nhận biết các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt kim loại , tổng hợp các tín hiệu rồi từ đó đưa ra tín hiệu điều khiển quá trình gia công . Việc lắp đặt và thiết lập bộ điều khiển này rất phức tạp và khó khăn . Khó khăn này có thể được giải quyết nếu chỉ sử dụng cảm biến xác định chỉ một thông số mà thông số này biểu thị đủ trạng thái của quá trình gia công , đặc biệt là trong quá trình phay - quá trình gia công với dao phay gồm nhiều lưỡi cắt cùng làm việc với tốc độ cao . Nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới đã chứng minh lực cắt là một thông số quan trọng cần phải biết trong quá trình gia công có hệ thống giám sát và điều khiển . Bởi vì lực cắt phụ thuộc vào các thông số hình học dao , vật liệu dao , vật liệu chi tiết , chế độ cắt ( chiều sâu cắt , lượng chạy dao , tốc độ cắt ) , chất lượng lưỡi cắt ( mòn , nứt , gãy ) , nhiệt ( dung dịch trơn nguội ) và rung động , biến dạng của hệ thống công nghệ trong quá trình gia công . Giữ ổn định lực cắt trong quá trình gia công sẽ giúp ta cải thiện được chất lượng bề mặt gia công , tăng năng suất và giảm bớt việc mòn và gãy dụng cụ trong quá trình gia công . Đo lực cắt ngay trong quá trình gia công sẽ cung cấp một tín hiệu được sử dụng để phát hiện lưỡi cắt bị mòn hay gãy , hoặc để phát hiện va đập . Thêm vào đó , bộ điều khiển thích nghi với thông số điều khiển là lực cắt dùng thêm một vòng điều khiển nữa bên cạnh các vòng hồi tiếp thông thường trong điều khiển vị trí để hiệu chỉnh một cách linh hoạt các thông số công nghệ trong quá trình gia công . Có nhiều phương pháp đo lực cắt trên máy CNC , phương pháp được sử dụng nhiều nhất là lực kế bàn dạng áp điện ( như của hãng Kistler ) . Tuy nhiên , giá thành của nó rất cao không phù hợp với điều kiện kinh tế của nước ta . Với mục đích xây dựng bộ điều khiển thích nghi quá trình phay trên máy CNC , trong đó thông số điều khiển là lực cắt , chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công lực kế đo ba thành phần lực dựa trên nguyên tắc đo lực bằng cảm biến biến dạng . Trong phần còn lại của bài báo này chúng tôi sẽ trình bày về lực kế được thiết kế và một số kết quả thực nghiệm thu được . 2. LỰC KẾ BA THÀNH PHẦN Hình 1: Sơ đồ hệ thống đo lực trên máy CNC Sơ đồ hệ thống đo lực được trình bày trên hình 1 . Lực kế được thiết kế bao gồm các thành phần : phần tử đàn hồi , cảm biến biến dạng, mạch cầu Wheatstone , mạch khuyếch đại . Lực kế được đặt trên bàn máy , chi tiết gia công được định vị và kẹp chặt phía trên lực kế sẽ chịu tác động của lực trong quá trình gia công truyền qua phôi đến các phần tử đàn hồi. Cảm biến cảm nhận tín hiệu lực được sử dụng là cảm biến biến dạng sẽ biến dạng cùng với các phần tử đàn hồi làm thay đổi điện trở qua mạch cầu Wheatstone , làm mất cân bằng mạch cầu, dẫn đến sự thay đổi điện áp. Card thu nhận dữ liệu PCL-812PG sẽ chuyển giá trị điện áp thay đổi từ cầu Wheatstone đã được khuyếch đại thành tín hiệu số . Việc thu nhận , xử lý hiển thị kết quả lực cắt được thực hiện trên máy tính thông qua phần mềm DASYLab . Để đo momen và lực theo 3 phương trong điều kiện tĩnh và động , vòng đàn hồi đã chứng tỏ là một phần tử thích hợp. Kích thước của vòng đàn hồi được tính toán dựa vào độ lớn của lực đo và độ chính xác của phép đo. Phân tích vòng đàn hồi có bán kính r , chiều dày t, 2 chiều rộng b chịu lực hướng kính Fr (Fz) và lực tiếp tuyến Ft (Fx hoặc Fy) tác dụng (hình 2a). Hình 2 : Quá trình biến dạng của vòng đàn hồi. Khi chỉ có lực Fr tác dụng thì vòng đàn hồi biến dạng như hình 2b , và khi chỉ có lực Ft tác dụng thì vòng đàn hồi biến dạng như hình 2c. Theo lý thuyết đàn hồi với vòng mảnh, khi chỉ có lực Fr tác dụng ( hình 2b) thì độ biến dạng ở bề mặt trong và ngoài của vòng tại điểm A là : 2 .. ..09,1 tbE rFr A ±=ε (1) Với :εA- Độ biến dạng tại điểm A ; Fr - Lực hướng kính (N) ; r - Bán kính vòng tròn (mm) ; E - Mô-đun đàn hồi ( N/mm2 ) ; b - Chiều rộng vòng (mm) ; t - Chiều dầy vòng (mm) Trong khi tại điểm B - vị trí nghiêng một góc 39,6o so với trục thẳng đứng - độ biến dạng bằng 0 . Khi chỉ có lực Ft tác dụng (hình 2c) độ biến dạng tại điểm A bằng 0 trong khi độ biến dạng tại điểm B là: 2 .. ..18,2 tbE rFt B =ε (2) Với: εB - Độ biến dạng tại điểm B ; Ft - Lực hướng kính (N) Nếu độ biến dạng tại điểm A và B trong phạm vi giới hạn đàn hồi của vật liệu thì phương trình (1) và (2) sẽ tuyến tính với lực và vì thế vòng đàn hồi đáp ứng được yêu cầu mong muốn về độ tuyến tính. Giá trị độ cứng vững của vòng hình tròn mỏng theo phương hướng kính và tiếp tuyến được tính như sau: 3 3 8,1 r EbtFK r r r == δ (3) 3 3 6,3 r EbtFK t t t == δ (4) Vòng tám cạnh được dùng làm phần tử đàn hồi của lực kế phay vì những ưu điểm của nó so với vòng tròn . Để bảo đảm được tính liên tục, tuyến tính và sự lặp lại trong khi đo, các vòng tám cạnh được chế tạo từ vật liệu đồng nhất. Vòng tám cạnh phải đảm bảo tính đối xứng, chất lượng bề mặt và độ chính xác cao. Sự đối xứng của vòng đàn hồi sẽ tạo ra các đường song song cho dòng nhiệt và do đó các điểm ở vị trí đối diện của vòng đàn hồi sẽ có cùng nhiệt độ. Hai chỉ tiêu quan trọng của lực kế là độ cứng vững và độ nhạy. Để có thể đạt được độ nhạy cao thì vòng tám cạnh cần phải được thiết kế và đặt ở vị trí bị biến dạng nhiều nhất bởi các thành phần lực đo . Cảm biến biến dạng được dán trên vòng tám cạnh nơi mà nó sẽ bị kéo hoặc nén lớn nhất . Từ các phân tích ở trên , các cảm biến biến dạng được dán trên vòng tám cạnh ở vị trí như hình 3 . Hình 3 : Vị trí dán cảm biến biến dạng trên vòng tám cạnh. Bốn vòng tám cạnh được bố trí để đo lực theo 3 phương độc lập với nhau. Vị trí của 4 vòng tám cạnh trên 2 tấm trên và dưới được thể hiện như trên hình 4 . Hình 4 : Vị trí 4 vòng tám cạnh Khi chịu lực tác dụng , mạch cầu Wheatstone cho ra một điện áp rất nhỏ . Do đó, trước khi được chuyển đổi tương tự / số ( A/D ), tín hiệu này cần phải được khuếch đại . Trên hình 5 là sơ đồ đơn giản của mạch khuyếch đại được sử dụng trong hệ thống đo lực . Ưu điểm của mạch khuyếch đại này là trở kháng lối vào rất cao , khử được nhiễu do nhiệt độ của điện trở lối vào và do dòng lối vào khuyếch thuật toán , độ không tuyến tính của hệ số khuyếch đại không đáng kể , và việc thiết lập hệ số khuyếch đại rất đơn giản . 3 Hình 5 : Mạch khuếch đại. Như đã giới thiệu ở phần đầu hệ thống đo lực được thiết kế là hệ thống đo lường bằng máy tính . Do vậy , hệ gồm có : máy tính , phần cứng xử lý tín hiệu tương tự , chuyển đổi tương tự / số , truyền tín hiệu về máy tính và phần mềm thu nhận, xử lý , hiển thị và lưu trữ tín hiệu số nhận được từ phần cứng . Trong hệ thống của mình , chúng tôi sử dụng mạch thu nhận dữ liệu PCL - 812PG ( Advantech -Mỹ ) và phần mềm DASYLab ( Dasytec - Đức ) . Mạch thu nhận dữ liệu PCL-812PG được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu lực tương tự thu được từ điện thế của mạch cầu thành tín hiệu số và truyền đến máy tính để hiển thị và xử lý . Đây là mạch thu nhận dữ liệu đa chức năng với độ tin cậy cao , được sử dụng cho các loại máy IBM PC/XT/AT và các máy tính tương thích . Mạch quét kênh tự động và có SRAM trên board tạo thuận lợi cho việc chuyển đổi A/D đa kênh , đặc biệt là với khả năng truy cập bộ nhớ trực tiếp DMA sẽ làm cho chương trình hay thiết bị có thể truyền dữ liệu giữa hai thiết bị hoặc giữa thiết bị và bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU giúp cho khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn . PCL - 812PG có 16 đường thu tín hiệu tương tự đơn hoặc 8 đường thu tín hiệu có so sánh . Với phần mềm DASYLab , việc giao tiếp với mạch thu nhận dữ liệu PCL-812PG hay nhiều mạch khác rất đơn giản , DASYLab cung cấp một thư viện chương trình , người sử dụng chỉ lựa chọn , thiết lập thông số . Đồng thời DASYLab cũng cung cấp các khối chức năng xử lý , hiển thị tín hiệu hỗ trợ người sử dụng trong việc thiết kế hệ thống đo lường bằng máy tính. 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM : Kết quả thực nghiệm được thực hiện trên máy phay CNC hiệu ENSHU với bộ điều khiển FANUC 6M - đây là máy phay đứng , điều khiển ba trục . Chức năng điều khiển CNC được thực hiện trên máy tính, lập trình trong môi trường Windows . Lực kế được lắp trên bàn máy và chi tiết gia công ( nhôm , thép ) được gá trên lực kế như hình 6. Hình 6 : Mô hình thực nghiệm Các chế độ cắt được thiết lập như sau : 4 mức tốc độ trục chính ( 400,500, 600 , 700 vòng /phút) , bốn mức lược chạy dao ( 100 , 120 ,150 , 200 mm/ phút ) và gia công ở 3 chiều sâu cắt khác nhau ( 1, 2, 3 mm ) . Trong bài báo này chỉ trình bày 4 kết quả thực nghiệm thể hiện từ hình 7 đến hình 10 , đồng thời giá trị lớn nhất , nhỏ nhất , trung bình và giá trị lực cắt tính toán lý thuyết được trình bày từ bảng 1 đến bảng 4 . Hình 7 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu cắt 1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 10 mm , vật liệu nhôm. Giá trị nhỏ nhất (N) Giá trị lớn nhất (N) Giá trị trung bình (N) Giá trị tính toán (N) Fx 25,45 52,19 37,99 38,2 Fy -33,07 -3,95 -19,18 -32,8 Fz -73,53 -38,97 -60,63 -54,6 Bảng 1 : Lực cắt đo được và lực cắt tính toán với chế độ cắt : chiều sâu cắt 1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 10 mm , vật liệu nhôm. 4 Hình 8 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu cắt 2mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 10 mm , vật liệu nhôm. Giá trị nhỏ nhất (N) Giá trị lớn nhất (N) Giá trị trung bình (N) Giá trị tính toán (N) Fx -61,90 -40,33 -51,83 -44,3 Fy 7,27 30,56 18,24 37,9 Fz -69,15 -28,56 -49,09 -63,2 Bảng 2 : Lực cắt đo được và lực cắt tính toán với chế độ cắt : chiều sâu cắt 2mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 10 mm , vật liệu nhôm. Hình 9 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu cắt 1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm , vật liệu nhôm. Giá trị nhỏ nhất (N) Giá trị lớn nhất (N) Giá trị trung bình (N) Giá trị tính toán (N) Fx 30,72 99,50 63,20 97,2 Fy -41,77 5,01 -17,67 -45,7 Fz -126,62 5,98 -56,28 -62,9 Bảng 3 : Lực cắt đo được và lực cắt tính toán với chế độ cắt : chiều sâu cắt 1mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm , vật liệu nhôm Hình 10 : Lực cắt đo được với chế độ cắt : chiều sâu cắt 2mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm , vật liệu nhôm. Giá trị nhỏ nhất (N) Giá trị lớn nhất (N) Giá trị trung bình (N) Giá trị tính toán (N) Fx -262,72 -9,87 -133,77 -122,8 Fy -29,18 187,25 74,24 57,8 Fz -205,46 44,12 -75,01 -92,8 Bảng 4 : Lực cắt đo được và lực cắt tính toán với chế độ cắt : chiều sâu cắt 2 mm , tốc độ trục chính 400 vòng / phút , lượng chạy dao 120 mm/ phút , đường kính dao 20 mm , vật liệu nhôm. 4. KẾT LUẬN Chi phí cuûa heä thoáng ño löïc caét ñöôïc chuùng toâi thieát keá vaø cheá taïo giaûm hôn raát nhieàu so vôùi löïc keá daïng aùp ñieän cuûa Kistler . Tuy nhieân , vôùi moät soá keát quaû thöïc nghieäm vaø ñöôïc so saùnh vôùi giaù trò tính toaùn lyù thuyeát , chuùng toâi nhaän thaáy giaù trò löïc caét ño ñöôïc töông ñoái chính xaùc , ñoä cöùng vöõng cuûa heä thoáng khaù cao , vaø quan troïng laø phuø hôïp vôùi muïc ñích cuûa chuùng toâi laø öùng duïng ñieàu khieån thích nghi quaù trình phay ( nhö chuùng toâi ñaõ ñeà caäp ôû phaàn ñaàu cuûa baøi baùo ). 5. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đào Văn Hiệp - Điều khiển thích nghi máy công cụ điều khiển số [2] Nguyễn Đắc Lộc - Sổ tay công nghệ chế tạo máy [3] V . C . Venkatesh , H . Chandrasckaran , Experimental methods in metal cutting , Prentice -Hall of India private Limited , New Dehli ,1982 [4] Y. Altintas , Prediction of cutting forces and tool breakage in milling from feed drive current measurement , ASME Journal of Engineering for Industry , Vol 114 , 1992