Tài liệu đề xuất phương pháp đánh giá mức độ rung động của máy thông qua quy luật phân bố của số liệu đo dao động

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HOÀNG TRỌNG QUỐC ANH ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ RUNG ĐỘNG CỦA MÁY THÔNG QUA QUY LUẬT PHÂN BỐ CỦA SỐ LIỆU ĐO DAO ĐỘNG Chuyên ngành : CƠ KỸ THUẬT Mã số chuyên ngành : 60520101 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2018 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : GS.TS.NGND.Ngô Kiều Nhi Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS.Lưu Thanh Tùng Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS.Trương Quang Tri Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 02 tháng 02 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch hội đồng : PGS.TS Trương Tích Thiện 2. Thư ký hội đồng : PGS.TS Vũ Công Hòa 3. Cán bộ phản biện 1 : PGS.TS.Lưu Thanh Tùng 4. Cán bộ phản biện 2 : TS.Trương Quang Tri 5. Ủy viên hội đồng : TS.Nguyễn Tường Long Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) . CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM -------------------------------------------- CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc -------------------------- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hoàng Trọng Quốc Anh MSHV: 7140360 Ngày, tháng, năm sinh: 17/09/1987 Nơi sinh: Đồng Nai Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số : 60520101 I.TÊN ĐỀ TÀI: ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ RUNG ĐỘNG CỦA MÁY THÔNG QUA QUY LUẬT PHÂN BỐCỦA SỐ LIỆU ĐO DAO ĐỘNG NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tiến hành đo đạc rung động trên nhiều vị trí trong cùng một máy và trong nhiều máy khác nhau. Sau đó, sử dụng nhiều loại máy có độ cứng vững cao làm tiêu chuẩn để đánh giá quá trình rung động của máy trong nhiều trạng thái khác nhau. Khảo sát đo rung động trên 1 mô hình máy có mức độ rung động cao từ đó làm cơ sở đánh giá việc áp dụng 2 thông số mới là độ nhọn và độ nghiêng được tác giả đề nghị trong phân bố các giá trị dao động của máy . II.NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :16/01/2017 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/06/2017 IV.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : GS.TS.NGND.Ngô Kiều Nhi Tp. HCM, ngày 20 tháng 03 năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ kỹ thuật chuyên ngành xây dựng công trình thủy với đề tài “Đề xuất phương pháp đánh giá mức độ rung động của máy thông qua các quy luật phân bố của số liệu đo dao động.” là kết quả của quá trình cố gắng không ngừng của bản thân và được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè đồng nghiệp và người thân. Qua trang viết này tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua. Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với GS.TS.NGND Ngô Kiều Nhi đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, khoa Khoa Học Ứng Dụng và Bộ môn Cơ Học Kỹ Thuật đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, đơn vị công tác đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn. TÁC GIẢ Hoàng Trọng Quốc Anh TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Phân tích tín hiệu dao động hiện nay đang là một kỹ thuật được phát triển mạnh mẽ ở các nước tiên tiến nhằm theo dõi và chẩn đoán hư hỏng trong máy móc và các thiết bị cơ khí. Mục tiêu của luận văn là khái quát một số cơ sở lý thuyết về dao động, cách thu thập các tín hiệu dao động. Bên cạnh đó, luận văn tập trung vào việc xử lý số liệu dao động cụ thể là đề xuất hai thông số mới để đánh giá mức độ dao động của máy móc là “độ nghiêng” và “độ nhọn” trong phân phối Gauss. Cuối cùng, luận văn so sánh các kết quả xử lý được qua một số máy CNC cụ thể và đưa ra kết luận về tính tin cậy của hai thông số đã đề xuất. Điều này sẽ giúp cho việc đánh giá dao động của máy móc thêm phần đơn giản và thuận lợi hơn. ABSTRACT Signal vibration analysis is now a highly developed technique in advanced countries to monitor and diagnose faults in machines and mechanical equipment. The objective of the thesis is to generalize some theories of vibrations, how to collect vibration signals. In addition, the thesis focuses on the processing of vibration data, specifically proposes two new parameters to evaluate the oscillation of the machine which are " Skewness " and " Kurtosis " in the Gaussian distribution. Finally, the dissertation compares the results obtained through a number of CNC machines and concludes on the reliability of the two parameters proposed. This will help to evaluate the vibration of the machine more simple and convenient. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi và đƣợc sự hƣớng dẫn của GS.TS.Ngô Kiều Nhi và Th.S.Nguyễn Quang Thành. Các nội dung nghiên cứu , kết quả trong đề tài này là trung thực và chƣa công bố dƣới bất kỳ hình thức nào trƣớc đây. Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian dối nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về nội dung đề tài của mình. Trƣờng đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh không liên quan đến những vi phạm tác quyền, bản quyền do tôi gây ra trong quá trình thực hiện (nếu có) TP.Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2018 Ngƣời Cam Đoan Hoàng Trọng Quốc Anh -2- MỤC LỤC Lời cam đoan ................................................................................................................................02 Mục lục.........................................................................................................................................03 Danh mục các bảng ......................................................................................................................04 Danh mục hình vẽ và đồ thị .........................................................................................................04 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 1.1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................................................11 1.2. Tình hình nghiên cứu ...........................................................................................................11 1.3. Các thông số đánh giá rung động của một hệ máy ...............................................................13 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết động học của máy phay CNC ..............................................................................15 2.1.1. Sơ đồ cơ cấu máy nhiều bậc tự do.....................................................................................15 2.1.1.1. Sơ đồ cơ cấu máy ...........................................................................................................15 2.1.1.2. Vecto định vị và tọa độ thuần nhất .................................................................................15 2.1.2. Phương pháp khảo sát điểm ..............................................................................................16 2.1.2.1. Ma trận chuyển hệ trục khảo sát về hệ trục cố định .......................................................16 2.1.2.2. Xác định vị trí và hướng của khâu thao tác ....................................................................23 2.1.2.3. Vận tốc và gia tốc các khâu ............................................................................................24 2.2. Hiện tượng rung động và các biện pháp giảm rung trong máy CNC ...................................26 2.2.1. Khái niệm rung động máy .................................................................................................26 2.2.2. Các nguyên nhân gây ra rung động máy ...........................................................................26 CHƢƠNG III: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM RUNG ĐỘNG CHO HỆ MÁY 3.1. Giảm khả năng gây dao động tại nguồn ...............................................................................29 3.2. Giảm khả năng dao động của hệ ..........................................................................................32 CHƢƠNG IV: CÁC THIẾT BỊ ĐO DAO ĐỘNG 4.1. Giới thiệu..............................................................................................................................40 4.2. Bộ chuyển đổi rung động .....................................................................................................40 4.2.1. Các nhân tố ảnh hưởng đến sự lựa chọn bộ chuyển đổi .....................................................40 4.2.2. Các dạng cảm biến .............................................................................................................42 4.2.3. Các bộ chuyển đổi tham chiếu cố định...............................................................................43 4.2.4. Các yếu tố xử lý tín hiệu ....................................................................................................44 -3- CHƢƠNG V: XỬ LÝ SỐ LIỆU ĐO THỰC NGHIỆM 5.1. Quy luật phân phối chuẩn.....................................................................................................46 5.2. Các tiêu chí đánh giá bởi quy luật phân bố chuẩn ................................................................48 5.2.1. Giá trị trung bình ...............................................................................................................48 5.2.2. Phương sai và độ lệch chuẩn ..............................................................................................49 5.3. Kiểm tra độ tin cậy của số liệu đo .........................................................................................50 CHƢƠNG VI: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƢỢC 6.1. Khảo sát quy luật phân bố và các đặc trưng phân bố của máy tại những vị trí khào sát khác nhau .....................................................................................................................................52 6.1.1 Quy luật phân bố và các đặc trưng phân bố của máy có độ cứng vững cao.......................52 6.1.2 Quy luật phân bố và các đặc trưng phân bố của máy bị rung động....................................62 6.2. Đề xuất mô hình đánh giá rung động máy thông qua quy luật phân bố và các đặc trưng phân bố .........................................................................................................................................68 CHƢƠNG VII: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 7.1. Các kết quả đạt được trong luận văn ....................................................................................71 7.2. Các thiếu sót chính trong luận văn .......................................................................................71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................72 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Giá trị thống kê của bàn gá phôi trên máy phay CNC OKK ..........................................57 Bảng 2: Phân bố các giá trị dao động của một điểm đo trên máy OKK .....................................58 Bảng 3: Đo trên các máy có độ cứng vững cao tại vị trí khung máy ..........................................60 Bảng 4: Các đặc trưng phân bố tín hiệu biên độ dao động của máy phay CNC tự chế tạo có độ cứng vững thấp, mức độ dao động cao ........................................................................................66 Bảng 5: Quy định tần số rung động đối với máy móc và các công trình cơ khí theo TCVN .....69 DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1: Các công trình nghiên cứu của thế giới .......................................................................12 Hình 1.2: Biểu đồ biên độ vận tốc ..............................................................................................14 Hình 2.1.1: Hệ tọa độ thuần nhất ................................................................................................15 -4- Hình 2.1.2: Hình mô tả phép quay hệ tọa độ ..............................................................................16 Hình 2.1.3: Hình mô tả phép biến đổi hệ tọa độ .........................................................................18 Hình 2.1.4: Sơ đồ thiết lập hệ tọa độ các khâu ...........................................................................20 Hình 2.1.5: Mô hình cánh tay rô-bốt có n khâu ..........................................................................24 Hình 2.2.1: Một số dạng rung động của các thành phần máy .....................................................26 Hình 2.2.2: Mất cân bằng động các chi tiết quay .......................................................................27 Hình 2.2.3: Các chi tiết bị ăn mòn ..............................................................................................27 Hình 2.2.4: Rung động do mất liên kết .......................................................................................28 Hình 3.1a: Vật thể dạng đĩa ........................................................................................................29 Hình 3.1b: Mô hình một bậc tự do của nền ................................................................................29 Hình 3.2a: Vị trí lượng mất cân bằng .........................................................................................31 Hình 3.2b: Cân bằng tĩnh ...........................................................................................................31 Hình 3.3: Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt .............................................................................31 Hình 3.4: Máy và bộ phận cách ly trên giá đỡ cố định ...............................................................34 Hình 3.5: Biến thiên của Ttr theo tỷ số p/ ωn và ξ ...........................................................35 Hình 3.6: Máy và bộ phận cách ly trên giá đỡ di động ...............................................................35 Hình 3.7: Mô hình hệ giá đỡ - bộ phận cách ly – máy – thiết bị hấp thụ không giảm chấn .......36 Hình 3.8: Ảnh hưởng của thiết bị hấp thụ không giảm chấn đối với biên độ dao động của máy ......................................................................................................................................................37 Hình 3.9: Mô hình hệ giá đỡ - bộ phận cách ly - máy – thiết bị hấp thụ có giảm chấn ...............38 Hình 3.10: Đồ thị của X1/δt theo tỷ số p/ω1 ........................................................................39 Hình 4.1: Bộ chuyển đổi địa chấn dạng điện động lực ...............................................................41 Hình 4.2: Gia tốc áp kế ...............................................................................................................41 Hình 4.3: Bộ chuyển đổi địa chấn dạng máy đo sức căng điện trở ............................................42 Hình 4.4: Sơ đồ mạch điện cầu ...................................................................................................42 Hình 4.5: Bộ cảm biến đo rung xoắn ..........................................................................................43 Hình 5.1: Hình ảnh quy luật phân bố chuẩn ...............................................................................47 Hình 5.2: Đăc điểm của hệ số bất đối xứng ................................................................................47 Hình 5.3: Đặc điểm của hệ số nhọn ............................................................................................48 Hình 6.1: Hình ảnh thực tế của máy phay CNC OKK ...............................................................52 Hình 6.2: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo 3 phương Ox,Oy,Oz .............53 Hình 6.3: Biên độ dao động và phổ tần số của bàn gá phôi theo 3 phương Ox,Oy,Oz ..............53 Hình 6.4: Biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo 3 phương Ox,Oy,Oz ...............54 Hình 6.5: Biên độ dao động và phổ tần số của đế theo 3 phương Ox,Oy,Oz .............................54 Hình 6.6: Biên độ dao động và phổ tần số của nền đất theo 3 phương Ox,Oy,Oz .....................55 Hình 6.7: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của ổ đỡ spindle theo 3 phương Ox,Oy,Oz ....................................................................................................................................55 -5- Hình 6.8: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của khung máy theo 3 phương Ox,Oy,Oz ....................................................................................................................................56 Hình 6.9: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của bàn gá phôi theo 3 phương Ox,Oy,Oz ....................................................................................................................................56 Hình 6.10: Phân bố dao động theo cả 3 phương của một số điểm đo tại máy có độ cứng vững cao ...............................................................................................................................................58 Hình 6.11: Mô hình máy và vị trí đặt cảm biến đo dao động và mô hình máy khảo sát thực tế ......................................................................................................................................................62 Hình 6.12: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo phương Ox ..........................62 Hình 6.13: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo phương Oy ..........................63 Hình 6.14: Biên độ dao động và phổ tần số của ổ đỡ spindle theo phương Oz ...........................63 Hình 6.15: Biên độ dao động và phổ tần số của sàn đất theo phương Ox ..................................63 Hình 6.16: Biên độ dao động và phổ tần số của sàn đất theo phương Oy ..................................63 Hình 6.17: Biên độ dao động và phổ tần số của sàn đất theo phương Oz ..................................63 Hình 6.18: Biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo phương Ox ...........................63 Hình 6.19: Biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo phương Oy ...........................64 Hình 6.20: Biên độ dao động và phổ tần số của khung máy theo phương Oz ............................64 Hình 6.21: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của bàn máy theo 3 phương Ox,Oy,Oz ....................................................................................................................................64 Hình 6.22: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của sàn đỡ theo 3 phương Ox,Oy,Oz ......................................................................................................................................................65 Hình 6.23: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của ổ đỡ trục theo 3 phương Ox,Oy,Oz ....................................................................................................................................65 Hình 6.24: Đặc trưng phân bố các giá trị biên độ dao động của giá đỡ đỡ trục theo 3 phương Ox,Oy,Oz ....................................................................................................................................66 Hình 6.25: Phân bố dao động theo cả 3 phương của một số điểm đo tại máy có độ cứng vững thấp ..............................................................................................................................................68 Hình 6.26: Phổ tần số dao động và tín hiệu dao động của mẫu đạt chuẩn ISO 4866:1990 .........69 Hình 6.27: Mức độ rung của máy được quy chuẩn theo TCVN .................................................69 -6- CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC: Máy công cụ có lịch sử hình thành từ rất lâu, những máy công cụ đầu tiên được tìm thấy tại Ai cập cách nay hơn 2000 năm. Có thể thấy rằng đó là những máy khoan tay, bằng dây cung hay máy tiện gỗ sơ đẳng. Các loại dụng cụ này đều được truyền động thủ công bằng tay, loại truyền động này được dùng qua nhiều thế kỷ [1]. Tới thế kỷ thứ 10 người ta mới cải tiến các công cụ trên bằng cách thay truyền động bằng tay thành truyền động bằng chân. Sau đó với các bước phát triển mới người ta đã thay sức người bằng các loại sức kéo tự nhiên như nước, hơi nước. Đầu thế kỉ 17 người ta dùng sức nước để chạy máy khoan gỗ [1]. Sự phát triển cơ cấu máy cũng khá chậm chạp. Đến cuối thế kỉ thứ 15 đầu thế kỉ 16 Leonardo da Vinci, một nghệ sĩ lớn, một kĩ sư người Ý tài năng đã tạo ra một số kết cấu máy nổi tiếng như: Bánh răng thay thế, trục vitme, bàn dao. Các đặc điểm này đến giờ vẫn còn sử dụng [1]. Lý thuyết cơ cấu máy liên tục được phát triển trong các thế kỷ tiếp theo, tiêu biểu nhất là vào thế kỷ 18 nhà phát minh A.Nartov, Maudsley phát minh ra bàn dao chạy tự động. Đến năm 1774 John Wilkinson tạo ra chiếc máy khoan lỗ vật liệu kim loại, chiếc máy này được xem như máy cắt kim loại đầu tiên trên thế giới. Sau thế kỷ 18, máy hơi nước thúc đẩy máy cắt kim loại phát triển [1]. Trong thế kỉ 19, phương thức truyền động trong máy công cụ thay đổi mạnh, động cơ điện được sử dụng và dần được thay thế khi sử dụng cho từng máy riêng biệt. Đối với lĩnh vực máy tự động, năm 1873 hãng Spencer cho ra đời máy tiện tự động đầu tiên có cơ cấu cấp phôi, trục phân phối với cam dĩa và cam thùng. Sau đó nhiều hãng khác cũng sản xuất nhiều loại máy tiện tự động với đầu revolve, ụ động bàn dao di động [1]. Đầu thế kỉ 20, các hãng Gridley,Klibend,Kon ở Mỹ đã sản xuất máy bán tự động và tự động nhiều trục. Công nghiệp điện tử phát triển tạo tiền đề ra đời của máy vi tính tạo động lực cho ngành sản xuất máy cắt kim loại. Máy công cụ điều khiển số (NC) ra đời năm 1942 tại Mỹ, giúp gia công các chi tiết biên dạng phức tạp. Năm 1947, John Parsons quản lý một hãng sản xuất hàng không ở thành phố Traverse, Michigan, đối mặt với tính phức tạp ngày càng cao của hình dạng chi tiết và những vấn đề về toán học và kỹ thuật gặp phải, Parsons đã tìm ra những biện pháp để giảm chi phí kỹ thuật cho công ty. Ông đã xin phép International Business Machine sử dụng một trong những chiếc máy tính văn phòng trung tâm của họ để thực hiện một loạt các phép toán gia công một cánh máy bay trực thăng mới. Cuối cùng, ông đã dàn xếp với Thomas J. Watson, chủ tịch huyền thoại của IBM. Nhờ đó IBM sẽ làm việc với tập đoàn Parsons để tạo ra một chiếc máy được điều khiển bởi các thẻ đục lỗ. Nhanh chóng sau đó Parsons cũng ký được hợp đồng với Air Force để sản xuất một chiếc máy được điều khiển bằng thẻ hay băng từ có khả năng cắt các hình dạng đường mức giống như những hình trong cánh quạt và cánh máy bay. Sau đó, Parsons đã đến gặp các kĩ sư ở Phòng thí nghiệm Cơ cấu thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) nhờ hỗ trợ dự án. Các nhà nghiên cứu MIT đã thí nghiệm nhiều kiểu quá trình khác nhau và cũng đã làm việc với các dự án Air Force từ thời Thế chiến II. Phòng thí nghiệm MIT đã nhận -7- thấy đây là một cơ hội tốt để mở rộng nghiên cứu sang lĩnh vực điều khiển và cơ cấu phản hồi. Việc phát triển thành công các máy công cụ CNC đã được các nhà nghiên cứu của trường đại học đảm trách với mục tiêu đáp ứng nhu cầu của các nhà bảo trợ quân đội. Năm 1954 máy công cụ điều khiển bằng vi tính (CNC) xuất hiện. CNC được viết tắt bởi cụm từ Computerized Numerical Control đây là sự cải tiến từ máy NC điều hành bởi hệ thống điều khiển số do máy tính thực hiện. Tiếp đó hệ thống điều khiển trực tiếp (DNC) (Directe Numerical Control) ra đời, DNC là hệ thống gồm một số máy CNC do một máy tính trung tâm điều khiển. Sự phát triển tất yếu của hệ thống máy gia công là nhà máy tự động. Ở đây, ngoài các máy CNC còn dùng hệ thống máy tính thiết kế (CAD), để lập qui trình (CAP) và để điều khiển công việc sản xuất (CAM). Các hệ thống dùng CNC đều là các hệ thống gia công linh hoạt (FMS), tiến đến hệ thống tích hợp (CIM) (Computer Integrated Manufacturing), tự động hoá hoàn toàn với máy gia công CNC và Robot [1]. Như vậy qua một quá trình phát triển dài lâu, máy công cụ truyền thống ngày nay đã có thể được thay thế bởi các máy gia công CNC hiện đại, thúc đẩy nền công nghiệp tự động phát triển. Tại các nước phát triển, như Mỹ, Nhật Bản, khu vực Châu Âu, Nga với nền công nghiệp hiện đại, máy công cụ điều khiển số CNC đóng vai trò rất quan trọng. Máy có khả năng tự động với độ chính xác cao hơn máy công cụ truyền thống nhờ vào các ưu điểm đặc trưng của nó. Với các khả năng của máy CNC đã đáp ứng được các đòi hỏi cao về khả năng tự chủ động với phương thức linh hoạt của dây truyền sản xuất. Máy CNC phát triển nhanh chóng, từ các máy CNC riêng lẻ (CNC Machine-Tools) đến sự phát triển cao hơn là máy trung tâm gia công CNC (CNC Engineering-Center). Ngày nay tại các nước phát triển kể trên người ta còn kết hợp sự hoạt động của nhiều máy CNC dưới sự quản lý của máy tính trung tâm DNC (Directe Numerical Control) để điều hành cho toàn bộ dây truyền sản xuất tự động. Việc sử dụng các máy CNC đã nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế, đồng thời cho phép rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Từ một vài thế kỷ trước, nhiều nước đã và đang ứng dụng rộng rãi ứng dụng của máy CNC vào lĩnh vực cơ khí chế tạo, đặc biệt chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết đòi hỏi độ chính xác và độ phức tạp cao. Ngoài ra, máy CNC còn được dùng vào việc giám sát, điện báo điện tín, quân sự, quốc phòng , an ninh và nhiều lĩnh vực khác …đã đem lại chất lượng và hiệu quả kinh tế cũng như an ninh quốc phòng, chinh phục vũ trụ rất đáng kể. Trong tương lai gần, với lợi thế về sự ghép nối các hệ thống CNC riêng lẽ với nhau, hay ghép các trung tâm CNC để tạo thành mạng CNC toàn diện sẽ phát huy trong chiến lược gia công toàn cầu. Mỹ, không chỉ là một trung tâm kinh tế của thế giới, luôn đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của CNC nói chung và máy công cụ nói riêng. Hiện nay tại Mỹ đã hình thành một “mạng lƣới” CNC quốc gia trong đó được điều khiển bởi mạng máy tính trung nhằm đưa ra một dây truyền sản xuất kép kín. Yếu tố quyết định, đặt dấu ấn quan trọng cho sự phát triển máy CNC và nền công nghiệp CNC là khả năng thu được lợi nhuận rất lớn nhờ việc thương mại hóa nhanh các kết quả -8- nghiên cứu KH&CN từ các trường đại học và các viện nghiên cứu. Chính sự liên kết chặt chẽ giữa các nhà doanh nghiệp với các nhà khoa học đã tạo ra đội ngũ những người có khả năng sử dụng kết quả nghiên cứu khoa học, bí quyết công nghệ làm phương tiện, công cụ để mở ra các thị trường mới đầy tiềm năng này. Các dòng sản phẩm máy CNC của Mỹ từ 2 trục đến nhiều trục luôn đạt giá trị kinh tế cao do đạt mức độ chính xác cũng như mức độ cứng vững của các máy. Tuy nhiên, các máy nhiều trục, đỉnh cao cho sự phát triển về CNKH không được sản xuất đại trà mà chủ yếu phục vụ cho an ninh quốc phòng và các thiết bị phụ vụ cho nền công nghiệp hàng không – vũ trụ tại Mỹ. Rất ít các máy CNC xuất xứ từ Mỹ được nhập về Việt Nam Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan là các quốc gia và vùng lãnh thổ rất thành công trong sự nghiệp CNH&HĐH đất nước, đặc biệt tạo được những bước tiến quan trọng, được coi là các kỳ tích trong lịch sử phát triển của các nước nghèo, chậm phát triển. Đồng thời cũng là các quốc gia và vùng lãnh thổ xây dựng thành công nền CNC và công nghiệp CNC của riêng mình. Mặc dù từng nước có cách đi riêng, các mục tiêu cụ thể cũng khác nhau, nhưng mục tiêu chung đều là đẩy nhanh tốc độ phát triển kinh tế, tăng cường khả năng cạnh tranh của quốc gia, tính cạnh tranh của sản phẩm, năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp bằng KH&CN, đặc biệt là phát triển các dòng máy CNC. Tại đây, các nước đã có chiến lược, chương trình, kế hoạch cụ thể, mạnh mẽ, khả thi trong việc đào tạo nhân lực có trình độ cao đặc biệt nguồn nhân lực có thể chủ động phát triển chương trình điều khiển các máy CNC, không những thế các nước còn hình thành được một lực lượng đông đảo các doanh nghiệp, doanh nghiệp khoa học (doanh nghiệp công nghệ), trong đó có các doanh nghiệp phát triển máy CNC đi đầu trong việc tiếp thu, làm chủ các dạng máy CNC thay vì chỉ dựa vào các tập đoàn, các công ty nước ngoài trong hoạt động chuyển giao công nghệ, sáng tạo công nghệ. Riêng nền công nghiệp CNC của Nhật là nổi bật hơn cả so với các nước kể trên, rất nhiều dòng sản phẩm cao cấp của CNC đến từ đất nước này khi họ có khả năng chủ động chế tạo từ phần cơ khí đến các bộ điều khiển. Chúng ta có thể đến các phần mềm điều khiển của Nhật như: MITSUBISHI, MORI SEIKI, HITACHI SEIKO, OKUMA HOWA,… Tuy nhiên, đi liền với chất lượng các bộ điều khiển tốt đã làm tăng độ cứng vững, sai số nhỏ, chuyên gia công cho các chi tiết cơ khí phức tạp có độ chính xác thì giá thành của các máy tƣơng đối cao khi được nhập về Việt Nam, điều kiện bảo hành, bảo trì cũng gặp nhiều khó khăn do khoảng cách địa lý. Hầu hết các đơn vị nhập máy của các cường quốc CNC Châu Á này đều là những tập đoàn lớn, các công ty được đầu tư, các viện nghiên cứu lớn. Thị trường dành các công ty vừa và nhỏ, các trường đại học, dạy nghề chưa thể tiếp cận các dòng máy CNC của Nhật. Trung Quốc là một đất nước công nghiệp CNC non kém nhất so với bề rộng phát triển của CNC, tuy nhiên Trung Quốc đã có những bứt phá và trở thành “cường quốc” với các dòng sản phẩm CNC giá rẻ trên thị trường. Ngành công nghiệp CNC Trung Quốc đã có những phát triển và trở thành một trong những động lực tăng -9- trưởng chủ chốt của nền kinh tế. Đặc thù của máy CNC sản xuất tại Trung Quốc luôn hướng theo định hướng phát triển các máy nhỏ, mức độ chính xác không cao, chủ yếu đi vào gia công các sản phẩm gỗ, điêu khắc. Các máy gia công các chi tiết cơ khí với độ chính xác cao đặc biệt các chi tiết đặc thù như: bánh răng cô xoắn, cơ cấu CAM,..xuất hiện khá ít.Tuy nhiên, với nỗ lực cao trên con đường phát triển công nghiệp, CNC Trung Quốc đã có nhiều thành công trong chuyển đổi, đưa nền kinh tế nhanh chóng từ dựa vào nhân công thành nền kinh tế có công nghệ cao và giữ vai trò quan trọng trong chuỗi cung cấp CNC toàn cầu. Từ năm 1990 đến nay, tổng sản phẩm xuất khẩu của Trung Quốc tăng hơn 8 lần, đạt 380 tỷ USD vào năm 2003, phần lớn mặt hàng xuất khẩu nằm trong nhóm CNC. Sau 12 năm phát triển, tổng giá trị sản phẩm CNC xuất khẩu của Trung Quốc so với Mỹ đã tăng từ 8% lên 50% vào năm 2014. Với đà tăng trưởng này, nhiều dự báo cho rằng Trung Quốc sẽ vươn lên ngang hàng với Mỹ và các nước EU trong vòng 5 đến 10 năm tới.Theo những định hướng trên đây, trong kế hoạch 5 năm lần thứ XII (2010-2015), Trung Quốc dự định sẽ tăng tỷ lệ đầu tư cho KH&CN lên 5% GDP và dựa vào công nghệ để chuyển nền kinh tế sang sản xuất kiểu mới thay đổi về chất theo tiêu chuẩn CNC, tiên tiến. Với cách tiếp cận tập trung vào hướng dẫn định hướng hơn là đưa ra các chỉ tiêu cụ thể, chi tiết của kế hoạch phát triển KH&CN, giới nghiên cứu hy vọng là nền KH&CN Trung Quốc sẽ phát triển nhanh hơn những gì dự báo trước đây và sự bùng nổ về các dòng sản phẩm máy CNC các loại. Tại Việt Nam trước năm 1990, các khái niệm công nghệ NC, CNC rất xa lạ và ít người biết đến. Từ năm 1991, thông qua một số dự án chuyển giao công nghệ, hợp tác với nước ngoài, lúc đó các công nghệ CNC như: máy phay CNC, máy tiện CNC, đo lường CNC, … lần đầu tiên được giới thiệu và đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà chuyên môn cũng như các doanh nghiệp trong nước và liên doanh với nước ngoài. Hiện nay các máy CNC 2, 3, trục đang được sử dụng rộng rãi ở nước ta để chế tạo ra các chi tiết cơ khí, đặc biệt là chế tạo các khuôn mẫu chính xác, các chi tiết phục vụ công nghiệp quốc phòng. Các thương hiệu máy CNC thường gặp trong sản xuất là Seimens, Index, Mazak,OKK. Sử dụng máy CNC cho phép giảm khối lượng gia công chi tiết, nâng cao độ chính xác gia công và hiệu quả kinh tế,đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất. Bên cạnh đó, nhiều nhà máy cơ khí trong nước đã và đang có những dự án đầu tư các dây chuyền sản xuất với phần lớn thiết bị trong dây chuyện là các máy CNC. Ngoài ra các máy công cụ điều khiển số CNC còn được dùng trong nghiên cứu khoa học và đào tạo ở các trường đại học và viện nghiên cứu. Từ năm 2010 trở lại đây trên thị trường bắt đầu xuất hiện máy CNC 4D gia công gỗ do Trung Quốc sản xuất. Mặc dù công nghệ CNC du nhập vào Việt Nam chậm hơn nhiều so với thế giới, nhưng trong một thời gian ngắn có thể nói công nghệ này đã có chổ đứng tại Việt Nam và tin chắc trong những năm tới đây công nghệ này sẽ được dùng nhiều trong các xí nghiệp, phân xưởng, nhà máy, khu công nghiệp, khu công nghệ cao, các cơ sở tiểu thủ công nghiệp … - 10 - 1.1 Lý do chọn đề tài : Các máy móc thiết bị trong sản xuất cũng như các phương tiện giao thông vận tải trong quá trình hoạt động thường sinh ra những dao động mạnh, đặc biệt đối với các máy móc, thiết bị làm việc với hành trình lớn và vận tốc cao. Những dao động này dưới dạng sóng cơ (gồm sóng dọc và sóng ngang) được truyền trực tiếp tới con người hoặc qua các bộ phận của máy, xuống bệ máy, sàn nhà và tới cơ thể con người, làm cho cả cơ thể hoặc từng bộ phận cơ thể dao động theo, gây ra những biến đổi về tâm sinh lý trong cơ thể và là nguyên nhân sự xuất hiện các bệnh rung. Tuỳ thuộc vào một số yếu tố như: thời gian tiếp xúc với nguồn rung, vị trí tác động, đặc tính nguồn rung, và giá trị của các đại lượng động lực đặc trưng cho rung động (tần số, biên độ, vận tốc và gia tốc) mà ảnh hưởng của rung động tới cơ thể con người sẽ rất khác nhau. Bên cạnh đó ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ trong lĩnh vực cơ khí và tự động hóa, nhiều dây chuyền được tự động hóa khép kín từ khâu đầu vào đến sản phẩm đầu ra.Khi một chi tiết của một bộ phận trong dây chuyền phát sinh hư hỏng có thể làm đình trệ cả dây chuyền sản xuất, gây thiệt hại lớn về kinh tế. 1.2 Tình hình nghiên cứu : Phân tích tín hiệu dao động hiện nay đang là một kỹ thuật được phát triển mạnh mẽ ở các nước tiên tiến nhằm theo dõi và chẩn đoán hư hỏng trong máy móc và các thiết bị cơ khí. Theo dõi và chẩn đoán hư hỏng máy móc, thiết bị bằng phân tích dao động rung động trong máy tỏ ra là một phương pháp hiệu quả trong việc bảo dưỡng dự phòng có điều kiện nhằm duy trì tình trạng hoạt động tốt của thiết bị, nhất là các thiết bị của dây chuyền sản xuất tự động. Hiện nay việc chẩn đoán hư hỏng do rung động trong máy được thực hiện bởi các chuyên gia nhiều kinh nghiệm. Họ nhận dạng hư hỏng bằng cách quan sát các tín hiệu dao động thu được ở các trạng thái bình thường và hư hỏng rồi phân tích các tín hiệu để xác định dạng hư hỏng đã xảy ra. - Độ rung của máy gây ra bởi quá trình cắt gọt tạo hình của dụng cụ cắt gọt và phôi khi gia công, điển hình là quá trình Khoan, Tiện, Phay, Mài…vv. Độ rung động càng lớn thì càng thể hiện rõ rệt trên bề mặt sản phẩm sau khi gia công. - Những rung động được tạo ra trong quá trình cắt máy công cụ CNC có ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng gia công cũng như chất lượng sản phẩm, dẫn đến ảnh hưởng đáng kể đến tuổi thọ của máy và còn ảnh hưởng đến năng suất sản xuất sản phẩm. Các mô hình mô phỏng có thể tính toán mô phỏng khá chính xác sự rung động trong quá trình gia công, tuy nhiên trong thực tế để xác định nguồn rung động và nguyên nhân gây rung rất khó khăn. Chính vì vậy, các nguyên nhân gây rung động được các nhà sản xuất máy công cụ CNC rất chú trọng và đặt lên hàng đầu. - Hiện nay trong việc giải quyết các vấn đề rung động của máy, cải thiện kết cấu máy và tối ưu kết cấu máy để đáp ứng khả năng gia công các sản phẩm có độ phức - 11 - tạp cao, đồng thời nâng cao độ chính xác của sản phẩm luôn là mục tiêu hướng đến của các nhà sản xuất máy công cụ. - Tại các nước phát triển như Mỹ, Nhật, các nước Châu Âu đã và đang thử nghiệm phát triển hàng loạt các máy công cụ có độ chính xác cực kỳ cao, theo đó là khả năng giảm thiểu rung động được giải quyết gần như triệt để với một số dòng máy của các hãng như DMG, Okuma, Haas…vv. - Song song với các nhà sản xuất máy công cụ thì các nhà khoa học thuộc các trường đại học kỹ thuật công nghệ trên khắp thế giới đều có mối quan tâm đặt biệt đến vấn đề giải quyết rung động cho máy. Rất nhiều các công trình nghiên cứu, các mô hình thí nghiệm và triển khai thực nghiệm đã được công bố trên các tạp chí khoa học quốc tế. Điều đó chứng tỏ việc nghiên cứu và tìm giải pháp giải quyết các vấn đề rung động luôn là bài toán cực kỳ hấp dẫn và thiết thực. Hình 1.1: Các công trình nghiên cứu trên thế giới Trong những năm gần đây, quá trình đẩy mạnh công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước ngày càng mạnh mẽ, nhiệm vụ đặt ra hàng đầu cho các nhà sản xuất, nhà khoa học phải nghiên cứu và sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao. Nhưng hiện nay tại Việt Nam, quá trình chế tạo và sản xuất máy công cụ, máy CNC chỉ đa phần là do các phòng thí nghiệm tại các trường đại học đầu tư nghiên cứu và chế tạo. Và các công trình nghiên cứu, các mô hình thực nghiệm đa phần đều còn nằm trên lý thuyết, hiếm hoi có các công trình thực tiễn. Theo Ngô Kiều Nhi và Nguyễn Quốc Hưng (1) cho thấy nếu muốn nâng cao chất lượng của các sản phẩm chạy từ máy CNC thì trước hết phải nâng cao độ cứng vững cho máy. Chính độ cứng vững của máy là yếu tố quyết định bởi sự rung động trong quá trình gia công làm sai lệch các quỹ đạo cho trước của máy. Đối với nghiên cứu này, nhóm tác giả đã thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC 4 trục, để từ đó khảo sát độ chính xác thực tế khi điều khiển máy trong trạng thái không tải cũng như trong quá trình gia công sản phẩm. Kết luận của nghiên cứu đã cố gắng hướng đến độ ổn định của mô hình máy trong thời gian làm việc lâu dài và khả năng đáp ứng trong việc gia công các sản phẩm thực tế phục vụ cho nhu cầu sản xuất. Nhóm tác giả của Ngô Kiêu Nhi đã đưa nhiều biện pháp để nâng cao chất lượng (2) (3) (4) (5) qua các nghiên cứu trên, nhiều biện pháp truyền thống được nhóm đưa ra nhằm nâng cao chất lượng bền – độ cứng vững của khung máy phay CNC nhiều trục. Tuy nhiên, quá trình tối ưu bằng phương pháp số thông qua mô - 12 - phỏng (3) (4) (5) hay kết hợp với các giải thuật cao cấp như mang thần kinh nhân tạo (2) vẫn chưa đem lại kết quả như mong muốn, máy vẫn chưa đạt được trạng thái tốt nhất để gia công. 1.3 Các thông số đánh giá rung động của một hệ máy Vận hành máy cho đến khi hư hỏng có thể chấp nhận được nếu máy đó dùng một lần, tuy nhiên hầu hết các máy đều không dùng một lần vì giá thành cao. Nếu chúng ta theo dõi liên tục tình trạng máy, chúng ta có thể nhận thấy bất cứ các vấn đề đang tiến triển, vì thế chúng ta có thể sửa chữa khắc phục vấn đề đó khi nó vẫn đang tiến triển. Trái lại nếu chúng ta không theo dõi máy để phát hiện các rung động không mong muốn thì máy sẽ vận hành cho đến khi hư hỏng. Bởi vì theo dõi rung động máy tìm ra các rung động gây hư hỏng tiềm tang, nên chúng ta có thể ngăn ngừa các những hư hỏng đó và tiết kiệm thời gian, tiền bạc và sự hư hỏng. Để phân tích chính xác tình trạng máy, cần phải mô tả chính xác các trạng thái hay các triệu chứng của máy. Bằng cách xem, cảm nhận và lắng nghe rung động máy, có lúc chúng ta có thể xác định được độ mạnh của rung động một cách tương đối. Chúng ta có thể quan sát các loại rung động máy xuất hiện rất mạnh hoặc đáng chú ý hoặc không đáng kể. Chúng ta cũng có thể chạm vào vị trí vòng bi đang rung và cảm nhận sức nóng hoặc nghe thấy tiếng ồn, và từ đó kết luận rằng có vấn đề với vòng bi. Tuy nhiên việc mô tả rung động chung chung như thế là không chính xác và phụ thuộc vào sự đánh giá chủ quan của mỗi người. Có thể người này cho là mạnh quá người khác lại cho là có thể chấp nhận được. Sự mô tả bằng lời nói thường không đảm bảo độ tin cậy. Để phân tích chính xác một rung động, cần thiết phải mô tả sự rung động theo một cách thức nhất quán và đảm bảo độ tin cậy. Sự phân tích rung động dựa trên sự mô tả bằng con số hơn là sự mô tả bằng lời nói, giúp cho việc phân tích và truyền đạt được chính xác. Có hai con số quan trọng nhất mô tả rung động máy là biên độ (amplitude) và tần số (frequency). Biên độ mô tả mức độ rung động và tần số mô tả tốc độ dao động của rung động. Cả biên độ và tần số rung động cung cấp cơ sở cho việc xác định nguyên nhân gốc rễ của rung động. - Biên độ dao động Biên độ rung động là độ lớn của sự rung động. Một máy với biên độ rung động lớn thì sẽ có một chuyển động dao động mạnh, nhanh và lớn. Nếu biên độ càng lớn thì chuyển động này càng lớn hoặc ứng suất gây ra bởi máy càng lớn và khả năng dẫn đến hư hỏng máy càng lớn. Vì thế mà biên độ cho thấy mức độ “khốc liệt” của rung động. Nói chung, mức độ hay biên độ của rung động còn liên hệ tới: - 13 - (a) khoảng chuyển động rung động (b) tốc độ của chuyển động (c) lực quán tính Trong hầu hết các trường hợp, tốc độ và biên độ vận tốc của máy cho thông tin hữu ích về tình trạng máy. Biên độ vận tốc có thể biểu diễn theo các thuật ngữ như “peak value” (giá trị đỉnh) hoặc RMS (Root-Mean-Square: giá trị hiệu dụng). Biên độ vận tốc tối đa hay đỉnh (peak) của một máy đang rung động đơn giản là giá trị tốc độ rung động lớn nhất có được của máy trong 1 chu kỳ thời gian. Biên độ đỉnh (peak) RMS Hình 1.2: Biểu đồ biên độ vận tốc, [1]. Trái ngược với biên độ vận tốc tối đa, biên độ vận tốc RMS của rung động máy cho chúng ta biết năng lượng rung động của máy. Năng lượng rung động càng cao, biên độ RMS càng lớn. - Tần số Khi một thành phần của máy đang rung động nó sẽ lặp lại các chu kỳ chuyển động. Phụ thuộc vào lực gây ra sự rung động, thành phần của máy đó sẽ dao động nhanh hay chậm. Ở tốc độ mà một thành phần của máy dao động được gọi là tần số dao động hay tần số rung động. Tần số rung động càng nhanh thì dao động càng nhanh. - 14 - CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT: 2.1 Lý thuyết động học của máy phay CNC 2.1.1.Sơ đồ cơ cấu máy nhiều bậc tự do 2.1.1.1.Sơ đồ cơ cấu máy Trước khi khảo sát động học của máy nhiều trục ta phải xây dựng sơ đồ cơ cấu máy. Sơ đồ cơ cấu máy là một sơ đồ thể hiện trực quan liên kết cũng như chuyển động tương đối của các khâu thao tác với nhau, đồng thời cũng xác định khâu giá và vị trí chính xác của mũi dao trong không gian máy. Xây dựng sơ đồ, ta đi từ hình dáng của chi tiết muốn gia công để chọn dạng máy CNC phù hợp, sau đó ta xét các kích thước tối đa của chi tiết để ước lượng các kích thước sơ bộ của sơ đồ. Tiếp đó ta đặt hệ toạ độ cố định, hệ qui chiếu, trên khâu giá và đặt các toạ độ cục bộ lần lượt lên các khâu cho đến khâu cuối cùng. Một điểm quan trọng trong sơ đồ là vị trí mũi dao trong hệ toạ độ cố định. Vị trí này được thể hiện bằng một vec-tơ chứa ba thông số vị trí của mũi dao, vec-tơ đó được gọi là vec-tơ định vị, vec-tơ này là một phần quan trọng của sơ đồ động học và sẽ được bàn đến trong phần kế tiếp. 2.1.1.2.Vec-tơ định vị và toạ độ thuần nhất Vậy như đã nói ở trên, ta xác định mũi dao bằng một vec-tơ định vị dùng để mô tả vị trí của một điểm trong không gian 3 chiều. Để hiểu rõ ta xét điểm mũi dao N trong hệ toạ độ cố định Oxyz, vị trí điểm N có thể biểu diễn bằng vec-tơ r : r   rx ,ry ,rz  T (2.1) Hình 2.1.1: Hệ tọa độ thuần nhất Để thuận lợi trong tính toán ta biểu diễn vecto định vị r trong không gian toạ độ thuần nhất, trong không gian toạ độ này vec-tơ r được mở rộng bằng cách thêm thành - 15 -