ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯỜNG CƠ KHÍ ********************** ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Thiết kế hệ thống điều khiển bàn máy phay CNC Bùi Phạm Sơn Hà Ha.bps184425@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Cơ điện tử Chuyên ngành Thiết bị tự động Giảng viên hướng dẫn: GVC, TS Nguyễn Hữu Quang_____ Chữ ký GVHD Nhóm chuyên môn: Cơ điện tử HÀ NỘI, 08-2022 1
ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG Mã HP: ME5512 ĐIỀU KHIỂN Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK02-10 I. Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC II. Số liệu cho trước: 1- Ray dẫn hướng trục Z 2- Cột đứng máy phay 3- Gối đỡ vít me bi kèm gá động cơ trục X 4- Ray dẫn hướng trục X 5- Thân máy 6- Vít me bi trục X 7- Gối đỡ vít me bi trục Y 8- Ray dẫn hướng trục Y 9- Bàn Y 10-Bàn X (đặt chi tiết gia công) 11-Cụm trục chính 12-Cụm trục Z 13-Vít me bi trục Z 1. Loại máy CNC: Phay 2. Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT: .... 3. Khối lượng lớn nhất của chi tiết M (300 / 500 / 700 kg): ....... 2
4. Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V1 (18 / 20 / 25 m/ph): .... 5. Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực V2 (10 / 12 / 15 m/ph): .... 6. Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a (0,4g / 0,50g m/s2): ...... 7. Thời gian hoạt động: 05 đến 07 năm 8. Cho trước các kết cấu của cụm bàn máy X và Y để gắn vít me bi và ray dẫn hướng có thể tham khảo từ trang web:http://www.mediafire.com/?bwfr2l5xel69kj5 9. Cho trước tài liệu của hãng sản xuất vit me bi và ray dẫn hướng. 10. Cho trước tài liệu của hãng sản xuất động cơ. III.Nội dung thực hiện: 1. Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật hệ thống điều khiển - Tổng quan về hệ thống điều khiển - Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển - Xác định các thành phần cơ bản và thông số/yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển 2. Thiết kế hệ thống điều khiển - Xây dựng mô hình toán học cho các trục dẫn động - Xây dựng sơ đồ khối và xác định hàm truyền - Khảo sát tính ổn định của hệ thống - Lựa chọn các thiết bị điều khiển: cảm biến, động cơ, … - Xây dựng bản vẽ mạch điều khiển, giao diện AD/DA 3. Mô phỏng hoạt động hệ thống điều khiển 3
- Mô phỏng bằng MATLAB-SIMULINK (vị trí, tốc độ, gia tốc của trục) - Phân tích, đánh giá các chỉ tiêu chất lượng 4. Lập trình điều khiển - Chọn ngôn ngữ lập trình điều khiển - Lập trình điều khiển cho trục chuyển động BẢNG SỐ LIỆU CÁC PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ Đề số SVT M V1 V2 a Ghi chú Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, D=80mm, JIS, S45C, VCK02-1 300 18 15 0,4 Grade 4040, v=100m/ph, t=1,2mm, F=900mm/ph VCK02-2 nt 500 18 15 0,4 VCK02-3 nt 700 18 15 0,4 VCK02-4 nt 300 20 15 0,4 VCK02-5 nt 500 20 15 0,4 VCK02-6 Nt 700 20 15 0,4 VCK02-7 Nt 300 18 12 0,5 VCK02-8 Nt 500 18 12 0,5 VCK02-9 Nt 700 18 12 0,5 VCK02-10 Nt 300 20 12 0,5 VCK02-11 Nt 500 20 12 0,5 VCK02-12 Nt 700 20 12 0,5 Phay mặt đầu, 8 lưỡi cắt, D=80mm, JIS, SUS440C, VCK02-13 300 25 15 0,4 Grade 4040, v=100m/ph, t=0,8mm, F=900mm/ph 4
VCK02-14 Nt 500 25 10 0,4 VCK02-15 Nt 700 25 10 0,4 VCK02-16 Nt 300 25 10 0,5 VCK02-17 Nt 500 25 10 0,5 VCK02-18 Nt 700 25 10 0,5 VCK02-19 Nt 300 18 15 0,4 VCK02-20 Nt 500 18 15 0,4 VCK02-21 nt 700 18 15 0,4 VCK02-22 Nt 300 20 10 0,4 5
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ………………………………………………………………. …….. CHƯƠNG 1- NGUYÊN LÝ, CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 8 I - Tổng quan về hệ thống điều khiển 8 II - Nguyên lý hoạt động hệ thống điều khiển CNC bàn chạy dao 9 III - Bộ điều khiển PID 13 IV – Nguyên lý hoạt động 15 V - Các phần tử cơ bản và thông số kỹ thuật 16 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG VÀ CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG BÀN MÁY CNC I - Tính toán các thông số cắt và lực cắt 23 II - Tính toán lực cho bàn X 24 III - Tính toán lực cho bàn X 26 CHƯƠNG 3- THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 29 I - Thiết kế mô hình điều khiển bàn máy X 29 1- Phương trình điều khiển bàn chạy dao theo phương X …….. 2- Khảo sát tính ổn định và đáp ứng của hàm truyền X …….. 2.2- Sơ đồ khối, hàm truyền hệ điều khiển bàn chay dao (X, Y) ……… …….. 2.2.1- Hàm truyền Gs bàn chạy dao trục X …………………………. …….. 2.2.2- Hàm truyền Gs bàn chạy dao trục Y …………………………. …….. 2.3- Khảo sát tính ổn định của hệ điều khiển (X, Y) …………………. …….. 2.3.1- Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền khi bàn dao chuyển động theo trục X ……………………………………………………. …….. 2.3.2- Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền khi bàn dao chuyển động theo trục Y ……………………………………………………. …….. 2.4- Thiết kế bộ điều khiển PID cho bàn chay dao (giao diện AD/DA) .. …….. 2.4.1- Những kiến thức cơ bản về bộ điều khiển PID ………………. …….. 2.4.2- Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân …………………. …….. 2.4.3- Thiết kế bộ điều khiển PID bằng thực nghiệm cho bàn X ……. …….. 2.4.4- Thiết kế bộ điều khiển PID bằng thực nghiệm cho bàn Y ……. …….. CHƯƠNG 4- MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG BÀN CHẠY 6
DAO ……………………………………………………. …….. 3.1- Giới thiệu phần mềm mô phỏng …………………………………. …….. 3.1.1- Tìm hiểu khối công cụ Simmechanics trong Matlab …………. …….. 3.1.2- Giới thiệu về Simulink trong Matlab ………………………… …….. 3.2- Mô phỏng chuyển động các bàn chạy dao ………………………… …….. 3.2.1- Mô phỏng bàn chạy dao chuyển động thẳng …………………. …….. 3.2.2- Mô phỏng bàn chạy dao chuyển động theo đường tròn ………. …….. 3.2.2.1- Mô phỏng bàn chạy dao chuyển động theo đường tròn cùng chiều kim đồng hồ ………………………………… …….. 3.2.2.2- Mô phỏng bàn chạy dao chuyển động theo đường tròn ngược chiều kim đồng hồ ……………………………… …….. CHƯƠNG 5- LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ……………………………. …….. 4.1- Xây dựng sơ đồ thuật toán về HOME ……………………………. …….. 4.2- Lập trình điều khiển ………………………………………………. …….. 4.3- Lựa chọn các phần tử, thiết bị điều khiển ………………………… …….. 4.4- Xây dựng bản vẽ mạch điện ………………………………………. …….. KẾT LUẬN ……………………………………………………………. …….. PHỤ LỤC ……………………………………………………………… …….. TÀI LIỆU THAM KHẢO ……………………………………………. …….. 7
CHƯƠNG 1- PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN I . Tổng quan về điều khiển tự động Điều khiển tự động là một trong những lĩnh vực quan trọng trong cuộc sống hiện đại ngày nay, trở thành công cụ giúp hoạt động của con người hiệu quả hơn, tăng năng suất, chất lượng trong sản xuất công nghiệp. Các ứng dụng cơ điện tử, người máy là những lĩnh vực tiên tiến ứng dụng thành quả của kỹ thuật điều khiển tự động, và máy công nghiệp CNC chính là một trong số đó. Hình 1.1- Cấu thành hệ điều khiển CNC [*] Cấu thành hệ điều khiển CNC được mô tả qua H1.1 gồm: - Bộ phận giao tiếp người-máy (MMI-Man machine interface): chức năng hiển thị trạng thái, hoạt động của máy; thiết lập các tham số; soạn thảo chương trình; giám sát và cảnh báo; v.v.; - Hệ điều khiển số (NCK-Numerical control kernel): có chức năng là bộ thông dịch; nội suy; điều khiển gia tốc/giảm tốc và điều khiển vị trí; 8
- Bộ điều khiển logic khả lập trình (PLC-Programmable logic control): thực hiện các điều khiển mang tính tuần tự trong các máy móc và trong công nghiệp. II . Phân loại hệ thống điều khiển Đối với hệ thống điều khiển máy công cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là làm sao từ các dữ liệu của chương trình đã lập của người dùng, bộ điều khiển tiến hành xử lý, tính toán và phát lệnh đến các động cơ dẫn động bàn máy và trục chính thực hiện các dịch chuyển cần thiết để tạo ra hình dáng hình học của chi tiết cần gia công với độ chính xác nhất định một cách tự động hoàn toàn. Khi vận tốc thực và vị trí thực được các sensor nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ servo dùng trong các máy CNC liên tục được điều khiển sao cho sai số vận tốc hoặc sai số vị trí giữa vị trí cần và vị trí thật là nhỏ nhất. Nếu phân loại dựa theo phương pháp mà hệ điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người ta chia hệ thống điều khiển thành 3 loại sau: - Điều khiển chu trình hở (open loop). - Điều khiển theo chu trình nửa kín (semi-closed loop). - Điều khiển chu trình kín (closed loop). - Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop). Hệ thống điều khiển chu trình hở Được mô tả qua H1.2 với một số đặc điểm cơ bản như sau: - Hệ thống điều khiển một chiều, không phản hồi nên không xác định được động cơ có dịch chuyển ( quay) theo đúng lệnh đã được yêu cầu không. - Hệ điều khiển đưa ra các giá trị cần vào máy công cụ mà không trực tiếp điều chỉnh giá trị này. 9
- Mạch điều khiển hở sử dụng trên máy CNC có nguồn động lực là động cơ bước. Độ chính xác gia công chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động của động cơ bước, vít me và và hệ thống truyền động.. Hình 1.2- Sơ đồ điều khiển chu trình hở [*] Hệ thống điều khiển chu trình nửa kín Được mô tả qua H1.3 với một số đặc điểm cơ bản như sau: - Thiết bị kiểm tra vị trí được lắp trên trục của động cơ servo và kiểu tra góc quay. Độ chính xác của chuyển động bàn máy phụ thuộc vào độ chính xác của trục vít me. - Với điều khiển chu trình nửa kín có thể bù trừ sai số bước vít me bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến hệ dẫn động servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy. 10
Hình 1.3- Sơ đồ điều khiển chu trình nửa kín [*] Hệ thống điều khiển chu trình kín Được mô tả qua H1.4 với một số đặc điểm cơ bản như sau: - Chu trình kín và chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sát vị trí. Trong điều khiển chu trình kín thiết bị giám sát vị trí được lắp đặt trên bàn máy và vị trí thực của bàn máy trực tiếp hồi tiếp về hệ điều khiển. Do đó độ chính xác của thiết vị nhận biết vị trí của hệ điều khiển chu trình kín rất cao. - Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng trong dao động của khung máy, hiện tượng dính trượt v.v..Hệ điều khiển chu trình kín luôn cố làm giảm sai số giữa vị trí cần đến trong lệnh dịch chuyển và vị trí thật dẫn đến mất ổn định điều khiển. Vì thế người ta cố gắng tăng độ cứng vững của khung máy nhằm tăng tần số dao động cộng hưởng của máy. - Ngày nay, động cơ servo là cơ cấu chấp hành chính trong máy công cụ điều khiển số và là một hệ thống đo tiêu chuẩn có tích hợp hệ thống đo phản hồi kín. 11
Hình 1.4- Sơ đồ điều khiển chu trình kín [*] Hệ thống điều khiển hỗn hợp Được mô tả qua H1.5 với một số đặc điểm cơ bản như sau: - Có hai vòng lặp điều khiển: vòng nửa kín giám sát chuyển động của động cơ, vòng kín sử dụng thước quang để giám sát vị trí của bàn máy. - Trong vòng lặp nửa kín, có thể dùng thuật toán điều khiển có độ nhạy cao bởi vì vòng lặp này không bị ảnh hưởng của toàn bộ khung máy. - Còn trong vòng lặp kín, độ chính xác điều khiển được tăng lên nhờ phương pháp bù trừ sai số mà vòng lặp nửa kín không thực hiện được. - Sự kết hợp giữa vòng lặp kín và nửa kín cho phép đảm bảo độ chính xác điều khiển trong mọi trường hợp. Hình 1.5- Sơ đồ điều khiển chu trình kết hợp [*] 12
III . Bộ điều khiển PID Hình 1.6- Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID [*] PID là chữ viết tắt của ba thành phần cơ bản có trong bộ điều khiển bao gồm khâu khuếch đại (P), khâu tích phân (I) và khâu vi phân ( D). Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng. - Nếu sai lệch e(t) lớn thì thông qua khâu khuếch đại, tín hiệu u(t) càng lớn. - Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còn tạo tín hiệu điều chỉnh. - Nếu thay đổi sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần tích phân, phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh và kết quả e(t) giảm nhanh. Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào – ra : ⅆⅇ(𝑡) 𝑈(𝑡) = 𝐾𝑝ⅇ(𝑡) + 𝐾𝑖∫ ⅇ(𝑡) + 𝐾𝑑 ⅆ𝑡 Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID 1 𝑅(𝑠) = 𝑘𝑝 (1 + + 𝑇 𝑆) 𝑇 𝐷 𝑆 13
Khâu tỷ lệ : Khâu tỷ lệ (đôi khi còn được gọi là độ lợi) làm thay đổi giá trị đầu ra, tỉ lệ với giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỉ lệ có thể được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó với một hằng số Kp, được gọi là hệ số tỉ lệ. Khâu tỉ lệ được cho bởi: 𝑈(𝑡) = 𝐾𝑝ⅇ(𝑡) Hệ số của khâu tỉ lệ lớn là do thay đổi lớn ở đầu ra mà sai số thay đổi nhỏ. Nếu hệ số của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định. Ngược lại, hệ số nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm. Khâu tích phân: Khâu tích phân (khi cộng thêm khâu tỉ lệ) sẽ tăng tốc chuyển động của quá trình tới điểm đặt và triệt tiêu sai lệch tĩnh với một tỉ lệ chỉ phụ thuộc vào bộ điều khiển. Tuy nhiên, vì khâu tích phân là đáp ứng của sai số tích lũy trong quá khứ, nó có thể khiến giá trị hiện tại vọt lố qua giá trị đặt (ngang qua điểm đặt và tạo ra một độ lệch với các hướng khác). Thành phần tích phân của phương trình : 𝐾𝑖∫ ⅇ(𝑡) = 𝐾𝑖∑ⅇ(𝑖) Khâu vi phân : Khâu vi phân làm tăng tốc độ tác động của quá trình, rút ngắn được thời gian quá độ. Nhưng nó lại có độ quá điều chỉnh (𝛥ℎ) lớn và phản ứng với nhiễu ở tần số cao. Một điều quan trọng cần chú ý là bộ điều khiển vi phân D không thể dùng độc lập, vì nó không đáp ứng được sai số ở chế độ xác lập, nó cần được sử dụng với tổ hợp các dạng điều khiển khác như tỷ lệ và tích phân. Khâu tỉ lệ được cho bởi: ⅆⅇ(𝑡) 𝑈(𝑡) = 𝐾𝑑 ⅆ𝑡 14
IV . Nguyên lý hoạt động Phần lớn các máy công cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều khiển chu trình kín có mạch phản hồi. Hệ thống phản hồi dùng để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh với vị trí và tốc độ yêu cầu. Hình 1.7- Hệ thống điều khiển theo chu trình kín bàn máy phay CNC [*] H1.7 mô tả hệ thống điều khiển bàn máy CNC theo nguyên lý điều khiển kín: - Bàn máy của máy phay CNC chuyển động chạy dao theo 2 trục X và Y, được dẫn động nhờ các động cơ servo, thông qua bộ truyền động vitme - đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởi bộ điều khiển CNC kín có phản hồi. - Lệnh CNC thực hiện bên trong bộ điều khiển sẽ thông báo cho động cơ chuyển động quay đúng số vòng cần thiết → trục vitme bi quay đúng số vòng quay tương ứng → kéo theo chuyển động thẳng của bàn máy và dao. Các thiết bị phản hồi cho phép kiểm soát kết thúc lệnh đúng khi số vòng quay cần thiết được thực hiện. Hoạt động của bàn máy CNC: Máy ở điểm tọa độ gốc (M) sẽ di chuyển theo đường thẳng với chế độ chạy nhanh không tải đến điểm chuẩn bị chạy chế độ gia công. Khi bắt đầu tiến hành gia công, sẽ thực hiện các lệnh nội suy đường thẳng hay đường tròn tùy theo yêu cầu của bề mặt cần gia công. Sau khi gia công xong, bàn 15
máy lại quay trở về điểm gốc của máy. Quĩ đạo gia công chính là quĩ đạo dịch chuyển của bàn máy. Bàn máy mang theo đồ gá và chi tiết gia công. Trong quá trình gia công thì lực cắt chính là ngoại lực tác động lên hệ thống, và cũng chính là nhiễu tác động lên hệ thống. V . Các phần tử cơ bản và thông số kỹ thuật Hệ thống điều khiển CNC bàn máy phay 3 trục gồm các thành phần chính: cơ cấu chấp hành; thiết bị đo lường; và thiết bị điều khiển. Dựa trên “Đồ án thiết kế cơ khí” đã hoàn thành, với các thiết bị đã tính chọn, ta có thông số kỹ thuật của một số các phần tử cơ bản của hệ thống điều khiển bàn máy phay CNC như sau: Cơ cấu chấp hành: động cơ; khớp nối; hệ thống vít me bi; và bàn máy. - Động cơ điện : Lưa chọn động cơ servo như hình H1.8 và H1.9 để truyền động cho 2 trục X, Y; thông số kỹ thuật tra cứu từ catalog của hãng Anilam: Hình 1.8- Động cơ servo [*] + Thông số động cơ trục X và Y: 16
Hình 1.9- Bản vẽ Series động cơ AM-1400C (hãng Anilam) Bảng 1.1- Thông số kỹ thuật động cơ AM -1400C Thông số kỹ thuật Giá trị Đường kính trục động cơ 24 mm Điện áp định mức 330 V Công suất định mức đầu ra 2,7 kW Dòng điện định mức 6,6 A Tốc độ quay định mức 3000 rpm Momen xoắn 8,5 Nm Momen quán tính của roto 43 kg.cm2 Khoảng cách 4 lỗ bắt động cơ ϕ165 mm - Các cơ cấu dẫn động, dẫn hướng: + Cơ cấu dẫn động trục X và Y : 17
Hình 1.10. Bản vẽ trục vít me 50-10B3-FDWC ( PMI ) Type of Ballscrew : 50-10B3-FDWC Screw shaft diameter :50 (mm) Lead : 10 (mm) + Cơ cấu dẫn hướng trục X và Y : Hình 1.11. Thông số ổ bi đỡ-chặn mã 6408 ( SKF ) 18
Hình 1.12. Thông số ổ bi đỡ mã 7408 BCBM ( SKF ) Hình 1.13. Thông số ray dẫn hướng mã MSA-A/LA (Linear) Thiết bị đo lường: encoder; thước quang; thước từ; công tắc hành trình; v.v.. - Cảm biến Encoder Động cơ Servo được tích hợp sẵn cảm biến encoder như H1.7, điều khiển phản hồi vòng kín nhằm đáp ứng điều khiển chính xác tốc độ và góc quay. Ví dụ với 19
encoder 1000 xung thì động cơ servo có thể chính xác tới 360/1000 = 0,36 độ. Với encoder 5000 xung… thì có thể chính xác tới 360/5000 = 0,072 độ. Hình 1.13- Động cơ servo tích hợp encoder [*] - Công tắc hành trình Công tắc hành trình là thiết bị có chức năng cảnh báo cho bộ điều khiển biết rằng động cơ (bàn máy) đã đi đến đúng điểm đã yêu cầu hay chưa, từ đó giúp bộ điều khiển xác định được vị trí hiện thời của bàn máy để đưa ra các câu lệnh điều khiển phù hợp. Cấu tạo cơ bản của công tắc hành trình được mô tả qua H1.14. Hình 1.14- Cấu tạo cơ bản công tắc hành trình [*] Thiết bị điều khiển: các driver cho động cơ; máy tính; PLC; vi điều khiển. - Bộ điều khiển PLC Cấu trúc: Tất cả các PLC hiện nay đều gồm có thành phần chính như sau: - Bộ nhớ chương trình RAM, ROM; 20
显示前 20 页。下载资料查看完整内容。
暂无评论。快来抢沙发吧！
评论 (0)
暂无评论。快来抢沙发吧！