Tổng quát về phương pháp lựa chọn dụng cụ tự động cho nguyên công uốn kim loại tấm

Nội dung text: Tổng quát về phương pháp lựa chọn dụng cụ tự động cho nguyên công uốn kim loại tấm

1. TỔNG QUÁT VỀ PHƢƠNG PHÁP LỰA CHỌN DỤNG CỤ TỰ ĐỘNG CHO NGUYÊN CÔNG UỐN KIM LOẠI TẤM Từ khóa : CAPP, uốn kim loại tấm, lựa chọn dụng cụ. Tổng quan. Uốn kim loại tấm là một quy trình định hình kim loại, trong đó những tấm phẳng được uốn dọc theo các đường uốn thẳng theo một thứ tự uốn nhất định để tạo nên chi tiết ba chiều. Quy trình này có thể sử dụng một số lượng lớn các dụng cụ với những đặc điểm khác nhau. Tuy nhiên nhiệm vụ lựa chọn bộ dụng cụ phù hợp cho một chi tiết tấm lại là một trong những vấn đề khó khăn còn tồn tại. Nếu lựa chọn dụng cụ không hiệu quả có thể dẫn đến thất bại trong việc tìm kiếm một thứ tự uốn hợp lý. Mục đích của bài báo nhằm trình bày một cách tổng quát về phương pháp lựa chọn dụng cụ tự động theo một thứ tự uốn nhất định. Nội dụng Ngày nay, những máy ép CNC hiện đại có thể gia công được các chi tiết có độ phức tạp cao với thời gian ngắn. Đặc biệt với sự hỗ trợ đắc lực của đa dạng các loại dụng cụ đã giúp cho việc gia công chi tiết hiệu quả và năng suất hơn. Cũng giống như các quy trình gia công khác, đòi hỏi phải cần nhiều chuyên gia cho việc xác định thông số công nghệ, thứ tự nguyên công và dụng cụ. Điều này dẫn đến kết quả là nếu chi tiết có độ phức tạp cao và kích thước chi tiết nhỏ thì thời gian cho việc tính toán sẽ rất lâu. Do đó, những nỗ lực tự động hóa bước này đã được thực hiện hơn một thập kỷ trước nhằm giải quyết hai vấn đề chính đó là thứ tự nguyên công và lựa chọn dụng cụ. Mặt dù hai mặt này có quan hệ mật thiết với nhau nhưng lựa chọn dụng cụ và xác định thứ tự nguyên công trong gia công uốn lại chưa bao giờ được giải quyết một cách đồng thời với nhau trong bất kỳ một nghiên cứu nào. Vì hình dáng chi tiết biến đổi một cách liên tục trong suốt quá trình gia công, khả năng gây ra va đập cao, nên việc xác định thứ tự uốn đã được nghiên cứu khá nhiều [1, 2, 3, 4]. Hiện nay các giải pháp với sự trợ giúp của máy tính cho việc xác định thứ tự uốn đã được thiết lập, bao gồm những kỹ thuật tìm kiếm theo phương pháp thử sai dựa trên một bộ quy tắc cho việc tránh va đập [2, 3], và dựa trên việc xác định dung sai [1, 4]. Tuy nhiên, mỗi cách tiếp cận đều thường dựa trên mối quan hệ tương hỗ với quá trình lựa chọn dụng cụ, hoặc không xem xét quá trình lựa chọn dụng cụ. Kết quả là nếu dụng cụ không được lựa chọn tốt thì những giải pháp cho việc xác định thứ tự uốn sẽ không hợp lý. Cùng lúc đó, quá trình lựa chọn dụng cụ cũng đã được đề cập hoặc được xem xét một phần bởi các nhà nghiên cứu [5, 6, 7, 8, 9]. Để xem xét các khía cạnh công nghệ, một hệ chuyên gia đã được xây dựng sử dụng ngôn ngữ LISP nhằm hỗ trợ người lập kế hoạch trong việc lựa chọn đúng quy trình gia công kim loại tấm cũng như loại dụng cụ [5, 6]. Những phương pháp lựa chọn dụng cụ tự động trước đây chủ yếu bắt đầu từ việc định trước thứ tự uốn [7, 8, 9]. Do đó thường đưa ra kết quả cuối cùng là phải tạo ra những dụng cụ đặc biệt, nhằm tránh các va đập xảy ra giữa chi tiết và dụng cụ. Bài báo sẽ trình bày một cách tổng quát về phương pháp lựa chọn dụng cụ tự động, kết hợp với thứ tự uốn đã được xác định trước. Những dụng cụ khả thi sẽ được lựa chọn trước dựa trên điều kiện công nghệ và điều kiện hình học. Kết quả cuối cùng đưa ra là sẽ xác định được những dụng cụ phù hợp với từng thứ tự uốn nhất định. Phƣơng pháp lựa chọn dụng cụ Phương pháp lựa chọn dụng cụ cho những quy trình sản xuất bao gồm việc chuyển đổi từ các đặc điểm của sản phẩm thành tiêu chuẩn lựa chọn cho các thông số công nghệ nhằm xác định loại máy và dụng cụ thích hợp. Vì vậy lựa chọn dụng cụ cho nguyên công uốn kim loại tấm sẽ nghiên cứu các khía cạnh khả thi của quá trình uốn. Phương pháp được đề xuất sẽ xem xét các
2. yêu cầu về công nghệ và yêu cầu về hình dạng được tách ra từ chi tiết như là những điều kiện tiên quyết cho quá trình uốn. Mỗi yêu cầu sẽ được chuyển đổi thành các điều kiện cứng, các điều kiện này sau đó được kết hợp lại với nhau nhằm loại bỏ dần các dụng cụ không phù hợp. Về cơ bản, lựa chọn dụng cụ cho nguyên công uốn dựa vào hai nhóm điều kiện chính là điều kiện cứng (điều kiện tiên quyết) và điều kiện mềm (điều kiện lựa chọn). Điều kiện cứng thiết lập một tiêu chuẩn loại bỏ cứng cho việc lựa chọn, trong khi đó điều kiện mềm thiết lập tiêu chuẩn xếp hạng cho những dụng cụ không bị loại bỏ. Điều kiện cứng cho quá trình lựa chọn dụng cụ bao gồm điều kiện công nghệ và điều kiện hình học. Điều kiện công nghệ. Tương tự như các quy trình gia công khác, dụng cụ được lựa chọn cho nguyên công uốn kim loại tấm phải thỏa mãn các điều kiện công nghệ được thể hiện trong chi tiết thông qua bản vẽ thiết kế. Dụng cụ được lựa chọn trước dựa trên điều kiện công nghệ được thực hiện qua ba bước sau [10]. Bước đầu tiên là lựa chọn kỹ thuật uốn, trong bài báo này giới hạn hai kỹ thuật uốn là uốn ba điểm và uốn đáy. Việc lựa chọn này phụ thuộc vào độ chính xác và đặc điểm chi tiết uốn. Thông tin về độ chính xác góc uốn sẽ được chuyển đổi thành các yêu cầu cho kỹ thuật uốn. Ở bước này, những đường uốn có các điểm đặc biệt sẽ sinh ra các điều kiện nhằm xác định bộ dụng cụ phù hợp tương ứng. Bước thứ hai là lựa chọn đặc điểm máy, ví dụ như khoảng chiều dài thiết lập, tải trọng và các yêu cầu về cữ chặn. Bàn máy phải đủ dài để có thể gia công toàn bộ các đường uốn cũng như sắp xếp tất cả các dụng cụ cần thiết cho việc gia công chi tiết. Lực cần thiết để gia công đường uốn dài nhất với loại vật liệu và kỹ thuật uốn chọn trước sẽ được tính toán nhằm xác định tải trọng của máy được sử dụng. Thêm vào đó, cấu trúc bề mặt uốn đặc biệt có thể đòi hỏi phải có một giải pháp định cữ chặn đặc biệt, chỉ khả thi đối với một vài cấu hình máy đặc trưng. Bước thứ ba là lựa chọn loại dụng cụ dựa vào kỹ thuật uốn và đặc điểm của máy gia công. Việc lựa chọn này phụ thuộc vào lực cần thiết để gia công chi tiết cũng như hình dạng của dụng cụ đó. Bước này sẽ dựa vào các thông số đầu vào của chi tiết, như bề dày tấm, thuộc tính của vật liệu gia công, và những đặc điểm hình học của biên dạng chi tiết uốn, bao gồm bán kính uốn trong, góc uốn và chiều rộng mặt uốn nhỏ nhất. Điều kiện hình học. Cùng với các điều kiện công nghệ, hình dáng dụng cụ cũng phải tương thích với hình dạng cuối cùng cũng như hình dạng tức thời của chi tiết nhằm tránh những va đập giữa chi tiết và dụng cụ. Do đó, quá trình lựa chọn dụng cụ có thể chia là hai giai đoạn. Giai đoạn đầu tiên gọi là tiền lựa chọn, được thực hiện trước khi xác định thứ tự uốn nhằm loại bỏ những biên dạng dụng cụ không phù hợp dựa trên hình dáng của mỗi loại đặc trưng hình học địa phương tồn tại trong chi tiết. Tiền lựa chọn tạo ra những điều kiện thuân lợi ban đầu cho việc xác định thứ tự uốn vì nó giúp làm giảm đi số lượng va đập có thể xảy ra trong quá trình tìm kiếm một thứ tự uốn tối ưu [11]. Mặc dù những dụng cụ được lựa chọn trước cho phép tránh được hầu hết các va đập, nhưng những va đập phụ có thể xuất hiện vì dụng cụ được lựa chọn trước dựa trên các đặc trưng hình học địa phương nên chưa thể xác định được cho hình dạng tổng thể của chi tiết một cách tức thời trong suốt quá trình uốn. Vì thế giai đoạn thứ hai gọi là hậu lựa chọn (lựa chọn tinh), giúp lựa chọn dụng cụ dựa trên các va đập xảy ra tại một hình dáng tức thời của chi tiết ở một bước uốn nhất định. Trong suốt giai đoạn này, dữ liệu va đập giữa dụng cụ và chi tiết sẽ được ghi nhận lại và được xử lý để đưa ra các yêu cầu bổ sung cho dụng cụ. Vì vậy những dụng cụ được sử dụng sẽ tương thích với hình dạng tổng thể của chi tiết trong toàn bộ quá trình uốn.
3. Điều kiện mềm cho quá trình lựa chọn dụng cụ. Bên cạnh các điều kiện cứng đã trình bày như trên, những điều kiện mềm được thiết lập bằng cách xem xét đến các nhân tố về kế hoạch sản xuất, như việc hòa hợp sản phẩm để sản xuất trong cùng một tầng kế hoạch, những thông số công nghệ, và dữ liệu thống kê phản ánh sự ưu tiên của một nguyên công trong quy trình tổng quát. Việc lựa chọn dụng cụ có xem xét đến các yếu tố như trên giúp làm giảm thời gian thiết lập và tạo ra một quy trình dễ dàng hơn cho người vận hành, từ đó giúp tăng năng suất. Phân tích thống kê các dữ liệu doanh thu của các công ty sản xuất dụng cụ cho thấy có một bộ phận các loại dụng cụ, kể cả chày và cối, được sử dụng một cách thường xuyên, qua đó chứng tỏ sự ưu tiên của những loại dụng cụ này trong thực tế sản xuất. Thêm vào đó, những loại dụng cụ được dùng cho một sản phẩm thực tế tại công ty phụ thuộc rất nhiều vào sự đa dạng của sản phẩm tại công ty đó. Để giải quyết các mâu thuẫn thực tế, một vài quy tắc được đưa ra như sau : + Sử dụng cùng loại dụng cụ hoặc ít nhất là cùng họ dụng cụ, ví dụ những dụng cụ có cùng chiều cao, đối với những công việc phải hợp nhất lại với nhau . + Sử dụng những dụng cụ thường được dùng để sản xuất tại các công ty. + Sử dụng những dụng cụ linh hoạt nhất dựa trên dữ liệu thống kê về khả năng công nghệ. Có thể thấy rằng trong những trường hợp mà công việc cần phải được hợp nhất lại với nhau, quy tắc đầu tiên sẽ đem đến nhiều lựa chọn hơn trong việc tối ưu hóa tổng thể về máy móc và dụng cụ được sử dụng. Ngoài ra, quy tắc thứ hai hoàn toàn nhằm mục đích làm giảm thời gian thiết lập dụng cụ và làm giảm số lượng dụng cụ được sử dụng, qua đó làm giảm thời gian sản xuất. Trong trường hợp không có một tham chiếu nào được xác định, những dụng cụ linh hoạt nhất, ví dụ những dụng cụ được mua nhiều nhất, sẽ được xác định ở mức ưu tiên cao nhất trong quá trình lựa chọn. Áp dụng thực tế Quy trình lựa chọn dụng cụ tự động được áp dụng vào thực tế với sự trợ giúp của phần mềm MATLAB R2008a, sử dụng máy tính có cấu hình Pentium Dual 3.2GHz, RAM 2.0 GB, hệ điều hành Windows XP SP3 nhằm tìm ra các dụng cụ phù hợp ứng với mỗi thứ tự uốn khác nhau của chi tiết. Kết quả : - Với thứ tự uốn 1 – 2 – 4 – 3 : các dụng cụ thỏa mãn là BIU – 013; BIU – 023; BIU – 033. - Với thứ tự uốn 1 – 4 – 3 – 2 : các dụng cụ thỏa mãn là BIU – 013; BIU – 023; BIU – 033; BIU – 012; BIU – 022; BIU – 032. Qua kết quả trên ta thấy rằng thứ tự uốn rất đa dạng, mỗi thứ tự uốn lại đưa đến sự khác nhau về việc có áp dụng hay không một điều kiện của đặc trưng hình học địa phương, việc ảnh hưởng của các đặc trưng hình học địa phương đến tổng quan chung của việc lựa chọn dụng cụ cho toàn bộ chi tiết, từ đó sẽ đưa đến kết quả là các bộ dụng cụ khác nhau sẽ được lựa chọn. Kết luận Bài báo mô tả một cách tổng quát các bước của quá trình lựa chọn dụng cụ tự động cho nguyên công uốn kim loại tấm. Đầu tiên, các thông số về điều kiện công nghệ cần phải được xác
4. định trước, bao gồm lựa chọn kỹ thuật uốn, tính toán các thông số máy móc và các thông số dụng cụ. Tiếp theo, điều kiện hình học của chi tiết sẽ được được xem xét. Bước này bao gồm hai giai đoạn là tiền lựa chọn và hậu lựa chọn (lựa chọn tinh). Bước tiền lựa chọn sẽ giúp loại bỏ đi những dụng cụ không phù hợp với từng loại đặc trưng hình học địa phương tồn tại trong chi tiết, chỉ giữ lại những dụng cụ phù hợp. Bước hậu lựa chọn (lựa chọn tinh) sẽ lọc lại các dụng cụ đã được lựa chọn trước bằng cách xem xét các thông tin phản hồi từ các bước của thứ tự uốn. Với một thứ tự uốn nhất định được chọn trước, những va đập có thể xảy ra giữa hình dạng chi tiết tức thời với dụng cụ sẽ được ghi nhận lại và đưa ra thêm các yêu cầu bổ sung đến thông số dụng cụ. Vì vậy sau bước lựa chọn tinh này, những dụng cụ được lựa chọn sẽ tương thích với hình dạng tổng thể của chi tiết trong toàn bộ quá trình uốn. Tài liệu tham khảo [1] de Vin, L.J., de Vries, J. and Streppel, T., Process planning for small batch manufacturing of sheet metal parts, Int.J.Prod.Res., 38(17), 2000, 4273 – 4283. [2] Duflou, J., Kruth, J.-P., Van Oudheusden, D., Algorithms for the Design Verfication and Automatic Process Planning for Bent Sheet Metal Parts, CIRP Annals, 48(1), 1999, 405 – 408. [3] Duflou, J.R., Collin, P., Kruth, J.-P., and Van Oudheusden, D., Automatic Process Planning for Bent Sheet Metal Parts : Implementation Aspects and Performance Evaluation, Proc. of 9th Int. Conf. on Sheet metal, Leuven, 2001, ISBN 90-73802-78-4, 371 – 378. [4] Shpitalni, M. and Radin, B., Critical Tolerance Oriented Process Planning in Sheet Metal Bending, Trans. of ASME J. of Mechanical Design, 121, 1999, 136 – 144. [5] Singh, R. and Sekhon, G.S., An expert system for optimal selection of a press for a sheet metal operation, J.Materials Processing Technology, 86(1-3), 1999, 131 – 138. [6] Singh, R. and Sekhon, G.S., An intelligent system for optimal selection of dies and tools for a sheet metal operation, J.Engineering Manufacture, 216B, 2002, 821 – 828. [7] Franke, V., Automation of Tools Planning for Bent Components, Proc. of 3rd Int. Conf. on Sheet Metal, Birmingham, 1995, ISBN 0 9527664 0 X, 35 – 44. [8] Gupta, S.K, and Bourne, D.A., Sheet Metal Bending : Generating Shared Setups, ASME J. of Manufacturing Science and Engineering, 121, 1999, 689 – 694. [9] Alva U., and Gupta, S.K., Automated Design of Sheet Metal Punches for Bending Multiple Parts in a Single Setup, Robo. and Comp.-Integ.Manuf., 17(1-2), 2001, 33 – 47. [10] Duflou, J., Nguyen, T.H.M., Kruth, J.-P, Intelligent Tool Preselection – A Contribution To Automatic Process Planning For Sheet Metal Bending, Proc. of 4th Int.Symp. on Tools and Methods for Competitive Engineering, Lausanne, 2004, Millpress, ISBN 90-5966-018-8, 671 – 682. [11] Duflou, J., Nguyen, T.H.M., Kruth, J.-P, Geometric Reasoning For Tool Selection in Sheet Metal Bending Operations, Proc. of 5th Int.Conf. on Integ. Design and Manuf. In Mech. Eng., Bath, 2004, ISBN 1-85790-129-0.
5. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.