Một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay cnc dựa trên rung động của máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ - CƠ SỞ THANH HÓA - - BÀI LUẬN ĐỀ TÀI: MỘT THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN LƯỢNG CHẠY DAO CHO MÁY PHAY CNC DỰA TRÊN RUNG ĐỘNG CỦA MÁY Giảng viên HD : Sinh viên TH : MSSV : Lớp : THANH HÓA, THÁNG 11 NĂM 2014 Một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC dựa rung động máy Tóm tắt: Bài báo giới thiệu thuật toán điều khiển lượng chạy dao (F) cho máy phay CNC sở phân tích rung động máy Nghiên cứu đưa phương pháp xác định biên độ vận tốc rung động từ gia tốc rung động Hiện nay, nghiên cứu giai đoạn xây dựng thuật tốn điều khiển mơ máy tính mục tiêu xa chúng tơi tương lai tích hợp thuật tốn vào chíp vi điều khiển để tạo thành mô đun điều khiển mở rộng cho máy phay CNC nhằm mục đích nâng cao chất lượng gia công Giới thiệu chung rung động máy phay CNC phân tích phương án điều khiển Rung động máy phay CNC tượng vật lý sinh q trình gia cơng Dưới tác dụng lực cắt, hệ (hệ thống công nghệ) gồm máy phay – đồ gá – dao phay – chi tiết bị rung động cưỡng Rung động gây số tác hại như: làm giảm chất lượng bề mặt, gây sai số kích thước chi tiết gia công, làm lệch phận máy dẫn đến giảm độ bền máy làm gãy dụng cụ cắt Trong ba đặc trưng (tần số, biên độ pha) rung động đặc trưng biên độ gây ảnh hưởng trực tiếp lớn Biên độ rung động phục thuộc chủ yếu vào yếu tố sau: chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) lượng chạy dao (F) Đây bốn thông số công nghệ đặc trưng cho chế độ gia công máy phay CNC Trước đặt toán điều khiển máy phay CNC sở rung động máy, cần phải xét đến khả thay đổi yếu tố bốn thông số công nghệ nêu Để cụ thể chọn máy phay CNC trục V30 sử dụng điều khiển 18MC hãng Fanuc làm đối tượng nghiên cứu tìm số khả thay đổi thông số công nghệ (F,S,B,t) sau: - Trong q trình gia cơng máy phay CNC, người vận hành thay đổi trực tiếp vận tốc cắt thông qua hai nút ấn lượng chạy dao thông qua công tắc xoay 16 tiếp điểm điều khiển CNC - Nếu điều khiển máy phay CNC theo phương pháp CNC (computer numerical control) nghĩa toàn chương trình gia cơng (đường chạy dao gia cơng) phần mềm CAM sinh truyền vào nhớ điều khiển CNC khơng thể thay đổi thông số công nghệ chương trình gia cơng Do thay đổi hai thông số vận tốc cắt lượng chạy dao nút ấn công tắc điều khiển CNC - Nếu điều khiển máy phay CNC theo phương pháp DNC (direct numercial control) nghĩa lệnh gia cơng (G- code) máy tính gửi tới điều khiển CNC Vì thay đổi thông số công nghệ (F, S, B, t) công lệnh G – code Câu lệnh mà máy thực sửa đổi Như sử dụng phương pháp xãy trường hợp dụng cụ cắt bị gãy trước thông số công nghệ (F, S, B, t) thay đổi câu lệnh G – code Trên sở phân tích này, đề xuất hai phương án sau: - Phương án 1: Xấp xỉ (chia nhỏ) câu lệnh G – code thành nhiều câu lệnh G – code khác Số lượng bước chia nhỏ chọn cho kiểm sốt trạng thái rung động máy Phương án cho phép thay đổi bốn thông số công nghệ (F, S, B, t) nhiên gây sai số lớn trình gia cơng áp dụng điều khiển máy theo phương pháp DNC - Phương án 2: Can thiệp trực tiếp vào phần cứng điều khiển CNC để thay đổi hai thông số công nghệ vận tốc cắt lượng chạy dao nhờ thay hai nút ấn công tắc xoay 16 tiếp điểm tín hiệu điều khiển từ bên ngồi Phương án có ưu điểm tín hiệu điều khiển từ bên ngồi Phương án có ưu điểm khơng gây sai số q trình gia cơng áp dụng hai trường hợp điều khiển máy theo phương pháp CNC DNC Để tránh sai số, lựa chọn phương án Tuy nhiên bước nghiên cứu nên có lượng chạy dao lựa chọn để thay đổi Vì hướng nghiên cứu xây dựng thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC dựa rung động Xây dựng hệ thống đo xử lý tín hiệu rung động Hệ thống đo rung động cho máy phay CNC trục V30 gồm cảm biến đo rung động có dải đo ±68g với g gia tốc trọng trường (g = 9,8m/s 2) Ba cảm biến đo rung động gắn chi tiết theo ba phương x, y, x Vì tín hiệu cảm biến nhỏ nên cần phải đưa qua khuếch đại chuẩn hóa tín hiệu (hình 1) Đặc tính chuyển đổi khuếch đại chuẩn hóa tín hiệu hồn tồn tuyến tính Đầu khuếch đại chuẩn hóa tín hiệu giá trị điện áp chiều khoảng -10V đến 10V Sử dụng card biến đổi ADC (Analog Digital Converter) 12 bit để biến đổi giá trị điện áp đo thành giá trị số Máy tính đọc liệu từ card ADC tính tốn để tìm biên độ rung động tổng hợp máy phay theo ba phương x, y, x Dựa vào độ lớn biên độ rung động tổng hợp, lượng chạy dao chỉnh định theo thuật tốn điều khiển thơng qua bốn cổng số (P1, P2, P3, P4) card ADC cảm biến đo rung động gắn chi tiết theo ba phương (x, y, z) ±68g Bộ khuếch đại chuẩn hóa tín hiệu ±10 VDC P1 …P4 Card ADC (12 bit) Máy tính làm nhiệm vụ đo lường, xử lý tín hiệu rung động điều khiển máy phay CNC RS 232 Các lệnh G-code truyề tới máy phay theo DNC Máy phay CNC5 trục V30 Điều khiển tỷ lệ phần trăm F (0÷150) Hình 1: Mơ hình hệ thống đo xử lý tín hiệu rung động Tổ hợp bốn cổng số tạo 16 trạng thái khác lượng chạy dao F (xem bảng 1) Các giá trị lượng chạy dao bảng tính tỷ lệ phần trăm so với lượng chạy dao thời lưu nhớ điều khiển CNC Ví dụ: Nếu F= 50% (P1=1, P2=0, P3=1, P4=0) độ lớn lượng chạy dao F thực tế 50% độ lớn lượng chạy dao F lưu nhớ điều khiển CNC Bảng 1: Bảng xác định độ lớn lượng chạy dao thực tế P4 P3 P2 P1 Phần trăm F 0 0 0% 0 10% 0 20% 0 1 30% 0 40% 1 50% 1 60% 1 70% 0 80% 0 90% 1 100% 1 110% 1 0 120% 1 130% 1 140% 1 1 150% Kết đo rung động Chúng tiến hành đo thu thập liệu rung động máy nhiều chế độ gia cơng khác Hình biểu diễn kết đo rung động máy phay CNC trục V30 với dụng cụ cắt dao phay ngón (thép gió 12 khơng phủ, cắt) phôi gia công thép C45 Chế độ gia công gồm thông số sau: phay nghịch, vận tốc cắt S = 20m/ph (ứng với tốc độ quay trục n=530v/ph), chiều sâu cắt t=1mm lượng chạy dao F= 21,2mm/ph Tần số lấy mẫu 1kHz Tổng hợp kết đo này, nhận thấy dụng cụ cắt vào phôi gây rung động có gia tốc lớn có dạng hình ( ứng với trường hợp phay nghịch) Tín hiệu gia tốc rung động xuất lưỡi dao phay ăn vào chi tiết gia công Khi lưỡi dao bắt đầu ăn vào chi tiết, gia tốc rung động nhỏ Gia tốc rung động lớn lưỡi dao ăn sâu vào chi tiết nhiều giảm dần lưỡi dao phay khỏi chi tiết Khi tốc độ quay trục cao tần số xuất tín hiệu lớn Khi phay thuận, gia tốc rung động lớn lưỡi dao bắt đầu ăn vào chi tiết giảm dần lưỡi dao phay khỏi chi tiết Hình 3: Dạng tín hiệu gia tốc rung động ứng với trường hợp phay nghịch Xây dựng thuật toán điều khiển lượng chạy dao Với mục tiêu giữ cho rung động máy nằm giới hạn cho phép đồng thời phải giảm thời gain gia công tức nâng cao suất, chúng tơi đưa luật điều khiển có dạng khâu phi tuyến tính Hình 4: Luật điều khiển lượng chạy đaoựa rung động Thuật toán điều khiển lượng chạy dao máy phay CNC dựa rung động (hình 5) có thơng số sau: - T chu kỳ lấy mẫu (ms) - n số lượng mẫu GX, GY GZ sử dụng phép tính tích phân rời rạc theo thời gian m số lượng giá trị biên độ rung động tổng hợp A i dùng để tính giá trị biên độ rung động trung bình ATB - Agh giá trị biên độ rung động giới hạn (lớn cho phép) cụm trục máy Giá trị phụ thuộc vào yếu tố như: loại dao phay, vật liệu làm dao chi tiết, chế độ cắt chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) … Giá trị Agh người vận hành máy thiết lập thay đổi q trình gia cơng Đơn vị tính Agh mm Hình 5: Lưu đồ thuật tốn điều khiển lượng chạy dao - GX, GY GZ giá trị gia tốc rung động máy tính theo đơn vị gia tốc trọng trường g (với g= 9,8m/s2) Vì ba cảm biến đo rung động có giới hạn đo ±68g nên giá trị GX, GY GZ đo nằm khoảng [-666.4 ÷666.4] m/s hay [-666400÷ 666400] mm/s2 - AX, AY, AZ giá trị biên độ rung động thời máy, đơn vị tính mm - Am giá trị biên độ rung động tổng hợp theo ba phương thời máy, đơn vị tính mm - ATB giá trị biên độ rung động trung bình m giá trị biên độ rung động tổng hợp máy (Ai), đơn vị tính mm Trong thuật tốn điều khiển lượng chạy dao, cần phải thực hai lần tích phân rời rạc theo thời gian để xác định giá trị biên độ rung động thời AX, AY, AZ (mm) từ giá trị gia tốc rung động GX, GY GZ (mm/s2) khoảng thời gian (Nt) Sử dụng phương pháp Ơ le lùi (Backward Euler) phép tính tích phân rời rạc Biểu thức tính phương pháp là: y(k)=y(k-1) +T*u(k) với x(k)=y(k-1), k=1÷n Hình6: Mơ hình mơ phương pháp xác định vận tốc biên độ rung động từ gia tốc rung động Khi sử dụng phương pháp Ơle lùi, khâu tích phân xấp xỉ biểu tức T*z/(x-1) Để kiểm tra tính xác phương pháp xác định biên độ rung động từ gia tốc rung động trước xây dựng thành phần mềm hồn chỉnh, chúng tơi sử dụng công cụ Simelink Matlab để xây dựng mơ hình mơ Khâu “Giả tạo tín hiệu dao động” tạo tín hiệu gia tốc rung động có dạng hình Kết mơ biểu diễn hình Hình 7: Kết mô phương pháp xác định biên độ vận tốc rung động từ gia tốc rung động Các kết đạt nghiên cứu Đề xuất thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC sở rung động máy Đưa phương pháp xác định biên độ vận tốc rung động từ gia tốc rung động Ngoài ra, xây dựng phần mềm điều khiển DNC cho máy phay CNC trục với chức tương tự số phần mềm khác nước Đề xuất vài hướng phát triển tương lai Tích hợp thuật tốn vào chip vi điều khiển để tạo thành mô đun điều khiển mở rộng cho máy phay CNC nhằm mục đích nâng cao suất chất lượng gia cơng Vì lượng chạy dao F có 16 giá trị khác nên thuật toán điều khiển lượng chạy dao cịn nhiều hạn chế Vì cần đưa thêm vận tốc cắt vào để hình thành toán điều khiển đồng thời lượng chạy dao vận tốc cắt cho máy phay CNC Xây dựng tốn tối ưu hóa q trình xấp xỉ (chia nhỏ) câu lệnh G – code thành nhiều câu lệnh G – code khác với phiếm hàm mục tiêu sai số nhỏ Nếu thành công phương pháp cho phép thay đổi bốn thông số công nghệ (F, S, B, t) điều khiển máy phay CNC theo phương pháp DNC