TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ (MÁY CNC)

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẨU CHƯƠNG I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ (MÁY CNC) 1.1 Giới thiệu chung máy công cụ CNC 1.2- Đặc trƣng máy CNC 1.3- Mơ hình khái qt máy CNC .5 1.4- Các phương pháp điều khiển .9 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC: .9 2.1 Máy phay CNC 2.2 Các thành phần Máy Phay CNC: HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG MÁY PHAY CNC: 11 3.1/ Hệ thống dẫn động máy phay CNC trục: Sơ đồ động học: 11 3.2/ Động bước: 14 3.3/ Động Servo: 14 CHƯƠNG II: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG CHO BÀN MÁY CNC 16 THÔNG SỐ CHO TRƯỚC: .16 THƠNG SỐ TÍNH TỐN ĐƯỢC: 17 CHƯƠNG III: ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 19 ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY X: 19 1.1 Mơ hình hàm truyền động hệ thống: .19 1.2 Tìm hàm truyền đạt G(s): 21 1.3 Kiểm tra tính ổn định hàm truyền G(s): 21 1.4 Thiết kế điều khiển PID: 25 ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY Y: .31 2.1 Tìm hàm truyền bàn Y: 31 2.2 Kiểm tra tính ổn định hàm truyền G(s): 31 2.3 Thiết kế điều khiển PID: 35 CHƯƠNG IV: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC 37 TÌM HIỂU KHỐI CƠNG CỤ SIMMECHANICS TRONG MATLAB 37 GIA CÔNG ĐƯỜNG THẲNG: .42 1|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GIA CƠNG ĐƯỜNG TRỊN: .46 KẾT LUẬN ĐIỀU KHIỂN: 51 KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO .53 2|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ LỜI MỞ ĐẨU Ngày với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, tự động hóa sản xuất có vai trị quan trọng công nghiệp nước ta Nhận thức điều này, chiến lược cơng nghiệp hóa theo hướng đại vào năm 2020 công nghệ ưu tiên đầu tư phát triển Ở nước ta cơng nghiệp tự động hóa hình thành từ lâu, yếu tố định đến sản xuất tự động hóa kỹ thuật điều khiển Các máy công cụ điều khiển số NC CNC dùng phổ biến nước phát triển từ lâu Trong năm gần đây, NC CNC nhập Việt Nam phổ biến rộng rãi Máy công cụ NC CNC hệ thống đại, thành nghiên cứu lớn thiết bị điển hình cho sản xuất tự động Với đề tài giao: “Thiết kế hệ thống dẫn động bàn máy cho máy phay CNC”, lần tiếp xúc với đề tài em nhận thấy đề tài hay thực tế Q trình làm hồn thành đề tài giúp em tổng hợp lại kiến thức học kiến thức thực tế liên quan đến công việc em sau Đồ án tiếp nối đồ án “Thiết Kế Hệ Thống Cơ Khí”, tập trung nhiều vào phần điều khiển Vì vậy, phần tính tốn khí em trình bày cốt lõi cần thiết cho việc điều khiển Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Trương Đức Phức, thầy mơn Cơ Điện Tử, Viện Cơ khí giúp em hoàn thành đồ án Do thời gian cịn hạn chế, nên chắn khơng thể tránh khỏi thiếu sót, em kính mong nhận giúp đỡ ý kiến đóng góp thầy để đồ án em hồn thiện Em xin chân thành cảm ơn! 3|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ CHƯƠNG I: TÌM HIỂU TỔNG QUAN HỆ THỐNG TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ (MÁY CNC) 1.1 Giới thiệu chung máy công cụ CNC Ở máy cắt thông thường, việc điều khiển chuyển động thay đổi vận tốc phận máy phải thực tay, thời gian phụ thường lớn Do khơng thể nâng cao suất lao động Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa q trình điều khiển Trong sản xuất hàng loạt hàng khối từ lâu người ta áp dụng phương pháp gia công tự động với việc tự động hóa q trình điều khiển vấu tỳ, mẫu chép hình, cam trục phân phối…Đặc điểm loại máy rút ngắn thời gian phụ , thời gian chuẩn bị sản xuất dài, phù hợp với sản xuất khối lượng lớn, không phù hợp với sản xuất lượng nhỏ mặt hàng thay đổi thường xuyên Yêu cầu tìm phương pháp điều khiển đặt Với đời phương pháp điều khiển theo chương trình số giải vấn đề Đặc điểm quan trọng việc tự động hóa q trình gia cơng máy cơng cụ điều khiển chương trình số (máy NC máy CNC) đảm bảo cho máy có tính vạn cao Điều cho phép gia cơng nhều loại chi tiết, phù hợp với sản xuất loạt nhỏ loạt vừa (chế tạo 70% sản phẩm ngành chế tạo máy) Các máy công cụ điều khiển chương trình số – máy NC (numerical control) máy tự động điều khiển toàn hoạt động hay vài hoạt động, hành động điều khiển sản sinh sở cung cấp liệu dạng lệnh Các lệnh hợp thành chương trình làm việc, lệnh ghi lên cấu mang chương trình ( băng đột lỗ, băng từ nhớ máy tính….) Các hệ đầu, máy NC sử dụng cáp logic hệ thống, Phương pháp điều khiển theo điểm đoạn thẳng, mà gia công chi tiết đơn giản lỗ hay đường thẳng song song với chuyển đơng mà máy có Các hệ sau, với phát triển khoa học – kỹ thuật công nghệ máy tính, cơng nghệ phần mềm , máy NC cài đặt cụm vi tính , vi xử lý việc điều khiển lúc phần lớn hay hoàn toàn Phương pháp điều khiển theo đường biên, tức có mối qua hệ hàm số chuyển động theo hướng tọa độ Các máy NC gọi máy CNC (computer numerical control) Hiện máy đươc sử dụng phổ biến trình sản xuất, đặc biệt nước có cơng phiệp phát triển - Tính tự động cao : máy CNC có suất cắt gọt cao giảm tối đa thời gian phụ, mức độ tự động nâng lên vượt bậc Tùy mức độ tự động, máy CNC thực lúc nhiều chuyển động khác nhau, tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dụng cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết qua tự động hiệu chỉnh sai lệc vị trí tương đối đối tượng chi tiết… 4|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển máy thay đổi dễ dàng, nhanh chóng, thích ứng với loại chi tiết khác Do rút ngắn thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ Bất lúc sản xuất nhanh chóng chi tiết có chương trình, khơng cần sản xuất chi tiết dự trữ mà cần lưu trữ chương trình chi tiết Máy CNC gia cơng chi tiết nhỏ vừa, có khả đáp ứng công nghệ thay đổi, đặc biệt việc lập trình gia cơng cho máy khơng thiết phải thực máy mà thực máy tính 1.2- Đặc trưng máy CNC - Tính tập trung ngun cơng cao: Đa số máy CNC thực phần lớn nguyên công khác mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chi tiết, máy CNC có phát triển phối hợp với thành trung tâm gia cơng CNC - Tính xác đảm bảo chất lượng chi tiết cao: giảm hư hỏng sai sót người, có khả gia cơng hàng loạt với độ xác cao lặp lại, đặc điểm ưu việt máy CNC - Gia công biên dạng phức tạp : Máy CNC có khả gia cơng nhanh xác biên dạng phức tạp mà máy công cụ thơng thường khơng thể gia cơng được, ví dụ bề mặt chiều - Tính hiệu kinh tế kỹ thuật cao: có chế độ cắt lựa chọn tối ưu điều kiện q trình gia cơng bơi trơn làm mát… tốt hẳn so với trình gia cơng máy thơng thường nên tuổi thọ dao tăng lên, tiết kiệm dụng cụ cắt, đồ gá, phụ tùng Giảm lượng phế phẩm tiết kiệm người công, đồng thời giảm thời gian sản xuất, tăng thời gian sử dụng máy… - Bên cạnh ưu điểm trên, máy CNC có hạn chế định chi phí ban đầu cho cho việc mua máy lắp đặt lớn Hệ thống khí hệ thống điện hệ thống máy phức tạp, q trình bảo dưỡng khó khăn tốn Và sử dụng máy CNC để gia công chi tiết đơn giản làm hiệu kinh tế thấp 1.3- Mơ hình khái qt máy CNC Máy gồm phần chính: phần điều khiển phần chấp hành: 1.3.1- Phần điều khiển a Các cụm điều khiển máy CNC - Cụm điều khiển máy MCU (Machine Control Unit): Cụm điều khiển hình thành sở thiết bị điều khiển điện tử, thiết bị vào thiết bị số Nó coi trái tim máy công cụ điều khiển số CNC Lệnh CNC thực bên điều khiển thông báo cho mơ tơ chuyển động quay số vịng cần thiết → trục vit me bi quay số vòng quay tương ứng → kéo theo chuyển động 5|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ thẳng bàn máy dao Thiết bị phản hồi đầu vit me bi cho phép kiểm soát kết thúc lệnh số vòng quay cần thiết thực - Cụm dẫn động (Driving Unit): Cụm dẫn động tập hợp động cơ, sensor phản hồi, phần tử điều khiển, khuếch đại hệ dẫn động Trong đó, động sensor phản hồi thành phần đặc trưng cho máy công cụ điều khiển số CNC b Các loại động máy CNC để chạy dao *Động chiều: - Ưu điểm: Momen khởi động lớn, dễ điều khiên tốc độ chiều, giá thành rẻ - Nhược điểm: Dải tốc độ điều khiển hẹp, phải có mạch nguồn riêng *Động xoay chiều: 6|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - Ưu điểm: Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều, đa dạng phong phú chủng loại, giá thành rẻ - Nhược điểm: Phải có mạch cách ly phần điều khiển phần chấp hành để đảm bảo an toàn, momen khởi động nhỏ, mạch điểu khiển tốc độ phức tạp *Động bước: - Ưu điểm: Điều khiển vị trí, tốc độ xác, khơng cần mạch phản hồi, thường sử dụng hệ thống máy CNC - Nhược điểm: Giá thành cao, momen xoắn nhỏ, momen máy nhỏ *Động servo: 7|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Động servo thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có lí ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Loại động có số đặc điểm chung sau: - Momen quán tính nhỏ - Đặc điểm động học tốt - Thường tích hợp sẵn cảm biến đo tốc độ hay góc quay - Có dải tần số cơng tác rộng 0÷400 Hz 1.3.2- Phần chấp hành: Gồm cấu gia công kim loại số cấu phục vụ vấn đề tự động hóa cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn….Cũng máy cắt gọt kim loại khác, phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiết Tùy theo khả công nghệ máy mà máy có: thân máy, bàn máy, trục chính,… kết cấu thiết kế với đặc điểm đáp ứng yêu cầu trình điều khiển tự động máy + Thân máy: Bên thân máy chứa hệ thống điều khiển, động trục nhiều hệ thống khác + Đế máy: Để đỡ toàn máy tạo ổn định cân cho máy + Bàn máy: Là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có chuyển động linh hoạt xác bàn máy mà khả gia công máy CNC tăng lên cao, có khả gia cơng chi tiết có biên dạng phức tạp + Cụm trục chính: Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay trục sinh lực cắt để cắt gọt phơi q trình gia cơng + Băng dẫn hướng: Hệ thống trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho chuyển động bàn máy theo X, Y chuyển động theo trục Z trục + Trục vít me, đai ốc: Biến chuyển động quay động thành chuyển động tịnh tiến bàn máy + Ổ tích dụng cụ: Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho q trình gia cơng Nhờ có ổ tích dao mà máy CNC thực nhiều nguyên công cắt gọt khác liên tiếp với nhiều loại dao cắt khác 1.4- Các phương pháp điều khiển Một số phương pháp điều khiển máy CNC là: - Điều khiển điểm (điều khiển vị trí) : dùng để gia công lỗ phương pháp khoan, khoét, doa… 8|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ - Điều khiển đường : dùng máy để gia công chi tiết mà dụng cụ căt thự lượng chay dao song song với trục tọa độ máy, thường áp dụng máy phay, máy điện đơn giản - Điều khiển theo đường viền: cho phép thực chạy dao nhiều trụ lúc, để gia cơng chi tiết có biên dạng phúc tạp TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC: 2.1 Máy phay CNC Máy phay CNC loại máy phổ biến phân xưởng khí chế tạo khn mẫu nước ta Các máy phay CNC nhập từ nước ngồi, đó chủng loại kiểu máy khác tùy thuộc vào hãng sản xuất Để mở rộng khả cơng nghệ thực tế người ta thường kết hợp máy phay CNC với máy tiện CNC, máy khoan CNC để tạo thành trung tâm gia công CNC Các trung tâm gia cơng thường có trục chuyển động dao, để tăng khả gia công máy biên dạng chi tiết phức tạp, máy có trục chuyển động chạy dao bàn máy quay Máy phay CNC cơng cụ hỗ trợ q trình gia cơng khí đắc lực Khả cơng nghệ máy giúp lực sản xuất doanh nghiệp tăng lên gấp nhiều lần Trong thời đại công nghiệp phát triển nay, máy công cụ CNC dần phổ biến để thay cho người 2.2 Các thành phần Máy Phay CNC: Máy gồm phần chính: phần điều khiển phần chấp hành a/ Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển cấu điều khiển Chương trình điều khiển: tập hợp tín hiệu ( lệnh ) để điều khiển máy, mã hóa dạng chữ cái, chữ số số ký hiệu khác dấu cộng, dấu trừ… Tập lệnh (chương trình) ghi lên cấu mang chương trình dạng mã băng đục lỗ hay nhớ máy tính… Các cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cấu đọc chương trình, thực phép biến đổi cần thiết để có tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra hoạt động cấu chấp hành thông qua cảm biến… Cụm điều khiển có nhiệm vụ liên kết chức để thực điều khiển máy, chức bao gồm: + Số liệu vào (Data Input) + Xử lý số liệu (Data Procesing) + Số liệu (Data Output) 9|Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ + Ghép nối vào (Machine I/O interface) + Phần cứng điều khiển bao gồm thành phần : Máy tính CPU Bộ nhớ RAM, ROM Hệ thống BUS Điều khiển trình tự PMC Điều khiển Servo Bộ phận ghép nối b/ Phần chấp hành: gồm cấu gia công kim loại số cấu phục vụ vấn đề tự động hóa cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn… Cũng máy cắt gọt kim loại khác, phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiết Tùy theo khả công nghệ máy mà máy có thể: thân máy, bàn máy, trục chính… Các kết cấu thiết kế với đặc điểm đáp ứng yêu cầu trình điều khiển tự động máy , ví dụ phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máy, cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải phoi bôi trơn… 10 | P a g e ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ + Chuyển động tịnh tiến cho khớp nguyên thủy lăng trụ, dạng vị trí, vận tốc gia tốc + Chuyển động quay cho khớp nguyên thủy quay, dạng góc quay, vận tốc góc gia tốc góc Khối To Workspace đưa tín hiệu ghi liệu tín hiệu vào khơng gian làm việc MatLab Trong q trình mô phỏng, khối ghi liệu vào vùng nhớ đệm bên Khi q trình mơ hồn thành dừng lại liệu đƣợc ghi vào không gian làm việc biểu tượng khối thể tên mảng mà liệu ghi vào Để xác định tên biến không gian làm việc mà khối To Workspace ghi liệu dùng thông số “Variable name” Để xác định dạng liệu biến, sử dụng thông số “Save format ” Khối Derivative xấp xỉ đạo hàm tín hiệu đầu vào u với mơ theo thời gian t Chúng ta có xấp xỉ cách tính tốn chênh lệch số Trong đó, ∆𝑢 thay đổi tín hiệu đầu vào, ∆𝑡 thay đổi thời gian kể từ mô trước bước thời gian 39 | P a g e ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ thị Khối đồ thj scope : hiển thị tín hiệu q trình mơ dạng đồ Khối hệ trục XY graph : dùng biểu diễn tín hiệu vào trục XY Khối hiển thị Display : hiển thị thơng số q trình mơ Khối tín hiệu điều khiển Ramp, Step : dùng tạo tín hiệu bậc thang hay tín hiệu dốc tuyến dùng kích thích mơ hình simulink 40 | P a g e ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Sau xây dựng mơ hình 3D Solidworks, ta mơ hình hệ bàn máy mơi trường Matlab & Simulink sau: HÌNH 4.1 MƠ HÌNH BÀN MÁY XUẤT SANG MƠI TRƯỜNG MATLAB & SIMULINK 41 | P a g e ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ GIA CÔNG ĐƯỜNG THẲNG: Sơ đồ thuật toán: BẮT ĐẦU Nhập Đưa hàm: Bộ PID Bộ PID Bộ điều khiển PID vị trí X với K p =1223,7034; tham số K i=10704,3613 ; K d =34,65 Bộ điều khiển PID vị trí Y với tham số K p =1213,1723; K i=9244,1703; K d =39,3706 Điều khiển bàn Y Điều khiển bàn X Kết thúc 42 | P a g e ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Ta viết chương trình sau matlab function function d = GiaCongDuongThang (t) %Neu gc = thi ban may chay co tai, gc = thi chay khong tai gc = 1; %Cac diem quy dao A = [A(1) A(2)]; B = [B(1) B(2)]; %với A(1) A(2) B(1) B(2)là tọa độ A B xA = A(1); yA = A(2); xB = B(1); yB = B(2); %Gia toc a0 = 4.9 * (xB / sqrt(xB^2 + yB^2)); a3 = - 4.9 * (xB / sqrt(xB^2 + yB^2)); %Thoi gian di chuyen if (gc == 1) %Chay co tai t0 = 0; t1 = (1/6) / a0; t2 = (xB - xA) / (t1 * a0); t3 = (xB - xA) / (t1 * a0) + t1; end %Giai doan tang toc if (t >= t0) && (t < t1) x = xA + (a0 / 2)*(t - t0)^2; y = (yB - yA) / (xB - xA)* x + (yA * xB - yB * xA) / (xB xA); vx = a0 *(t - t0); vy = (yB - yA) / (xB - xA)* vx; end %Giai doan chay deu if (t >= t1) && (t < t2) x = xA + (a0 / 2)*(t1 - t0)^2 + a0*(t1 - t0)*(t - t1); y = (yB - yA) / (xB - xA)* x + (yA * xB - yB * xA) / (xB xA); vx = a0 *(t1 - t0); vy = (yB - yA) / (xB - xA)* vx; end %Giai doan giam toc if (t >= t2) && (t = t0) && (t < t1) Q = Q1 + (GiaTocGoc / 2)*(t - t0)^2; x = xI + R * cos(pi-Q); y = yI + R * sin(pi-Q); vx = -R * sin(Q) * (2 * (GiaTocGoc / 2)*(t - t0)); vy = R * cos(Q) * (2 * (GiaTocGoc / 2)*(t - t0)); end %Giai doan chay deu if (t >= t1) && (t < t2) 47 | P a g e ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Q = Q1 + (GiaTocGoc / 2)*(t1 - t0)^2 + GiaTocGoc*(t1 t0)*(t - t1); x = xI + R * cos(pi-Q); y = yI + R * sin(pi-Q); vx = -R * sin(Q) * GiaTocGoc*(t1 - t0); vy = R * cos(Q) * GiaTocGoc*(t1 - t0); end %Giai doan giam toc if (t >= t2) && (t