Nghiên cứu khái quát về công nghệ mài thiết kế điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính

LỜI NÓI ĐẦU Đã từ rất lâu, loài người đã biết sử dụng các dụng cụ để phục vụ cho cuộc sống của mình. Nhất là khi mà các dụng cụ vẫn còn thô sơ: giáo mác, dao kiếm thì con người đã biết đến kĩ thuật mài (bằng tay). Bởi vậy kĩ thuật mài đã ra đời từ rất lâu trong lịch sử phát triển của loài người. Ngày nay, kĩ thuật mài vẫn còn vô cùng quan trọng trong cuộc sống của con người. Cùng với sự phát triển của điện, điện tử, công nghệ mài đã phát triển đến một trình độ rất cao, con người đã sử dụng máy móc để mài thay cho mình: con người đã có thể mài được nhiều vật thể cứng như kim cương, thủy tinh; mài được những mặt phẳng gần như tuyệt đối. Để mài được những vật thể cứng và gần như phẳng tuyệt đối như vậy đòi hỏi phải có một công nghệ cực cao và thật hiện đại. Trong bài viết này, em xin đề cập đến công nghệ mài trong công nghiệp.

MỤC LỤC

Mục lục………1

Lời nói đầu……… 3

Chương 1 Tổng quan về công nghệ trên máy mài……….4

1.1 Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ……… 4

1.1.1 Phân loại máy mài……… 4

1.1.2 Giới thiệu một số loại máy mài và đặc điểm công nghệ……5

1.2 Các đặc điểm về truyền động điện, trang bị điện của máy mài…….6

1.2.1 Hệ truyền động điện……… 6

a) Truyền động chính……… 6

b) Truyền động ăn dao……….6

c) Truyền động phụ……… 7

1.2.2 Trang bị điện ……… 7

Chương 2 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính và điều chỉnh tốc độ của máy mài……… 8

2.1 Đặt vấn đề……… …8

2.1.1 Khái niệm chung……….8

2.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi……… 9

2.1.3 Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi……… 9

2.1.4 Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC … 9

a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu MRAC……… 10

b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient…….11

2.2 Nhận dạng hệ thống……… 14

2.3 Thiết kế sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy mài……… 17

2.3.1 Thuật giải………17

2.3.2 Xây dựng sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển……… 20

a) Khối đối tượng ……… 21

b) Khối mô hình mẫu……….21

c) Khối luật điều khiển……… … …… 21

d) Khối hiệu chỉnh hệ số……… 21

2.3.3 Điều kiện hoạt động ổn định của hệ thống……….22

a) Giới hạn của tích số……… 22

b) Hệ thống chịu nhiễu tác động……… 22

2.3.4 Kết quả mô phỏng……… 23

2.4 Nhận xét………24

Chương 3 Xây dựng sơ đồ nguyên lý, sơ đồ lắp ráp……… 25

3.1 Sơ đồ điều khiển máy mài……….25

3.2 Nguyên lý làm việc……….……… 27

Kết luận……… 29

Tài liệu tham khảo……….30

LỜI NÓI ĐẦU

Đã từ rất lâu, loài người đã biết sử dụng các dụng cụ để phục vụ chocuộc sống của mình Nhất là khi mà các dụng cụ vẫn còn thô sơ: giáomác, dao kiếm thì con người đã biết đến kĩ thuật mài (bằng tay) Bởi vậy

kĩ thuật mài đã ra đời từ rất lâu trong lịch sử phát triển của loài người.Ngày nay, kĩ thuật mài vẫn còn vô cùng quan trọng trong cuộc sống củacon người

Cùng với sự phát triển của điện, điện tử, công nghệ mài đã phát triểnđến một trình độ rất cao, con người đã sử dụng máy móc để mài thay chomình: con người đã có thể mài được nhiều vật thể cứng như kim cương,thủy tinh; mài được những mặt phẳng gần như tuyệt đối Để mài đượcnhững vật thể cứng và gần như phẳng tuyệt đối như vậy đòi hỏi phải cómột công nghệ cực cao và thật hiện đại Trong bài viết này, em xin đề cậpđến công nghệ mài trong công nghiệp

Những máy mài này dùng để phục vụ trong công nghiệp, dùng đểmài những vật thể, chi tiết máy bằng những vật liệu không cứng như:Kim cương và bề mặt được mài không đòi hỏi có độ phẳng tuyệt đối Tuyvậy, công nghệ được trang bị cho những máy này cũng rất hiện đại vàkhông kém phần quan trọng vì tất cả máy này đang trực tiếp phục vụ chonền công nghiệp đang phát triển với tốc độ rất cao của con người

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo - TS HOÀNG XUÂN BÌNH

đã tận tình giúp đỡ em hoàn thành đồ án này

Sinh viên

Nguyễn Hà Giang

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TRÊN MÁY

MÀI1.1 Giới thiệu chung về đặc điểm công nghệ

1.1.1 Phân loại máy mài

Máy mài được chia làm hai loại chính: Máy mài tròn và máy mài phẳng.Ngoài ra còn có các máy khác nhau: máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máymài cắt, máy mài răng…Thường trên máy mài có ụ chi tiết hoặc bàn, trên

đó kẹp chi tiết ụ đá mài, trên đó có trục chính với đá mài Cả hai ụ đều đặttrên bệ máy Sơ đồ biểu diễn công nghệ mài được giới thiệu ở hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn công nghệ máy mài

1.1.2 Giới thiệu một vài loại máy mài và đặc điểm công nghệ

a) Máy mài tròn

Có hai loại:

 Máy mài tròn ngoài (hình 1.1 a)

 Máy mài tròn trong (hình 1.1 b)

Trên máy mài tròn:

 Chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài

 Chuyển động ăn dao là di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang trục(ăn dao ngang) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng)

 Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết

 Chuyển động quay của đá là chuyển động chính

 Chuyển động ăn dao là di chuyển của đá (ăn dao ngang) hoặcchuyển động của chi tiết (ăn dao dọc)

- Ở máy mài bằng mặt đầu đá, bàn có thể là tròn hoặc chữ nhật:

 Chuyển động quay của đá là chuyển động chính

 Chuyển động ăn dao là di chuyển ngang của đá (ăn dao ngang)hoặc chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn mang chi tiết (ăn daodọc)

Một tham số quan trọng của chế độ mài là tốc độ cắt ( m/s):

v=0,5.d. đ 10-3 , [ m/s] (1.1)Trong đó:

d - đường kính đá mài, [mm]

wđ - tốc độ quay của đá mài, [rad/s].

Thông thường v=3050 m/s

1.2 Các đặc điểm về truyền động điện, trang bị điện của máy mài 1.2.1 Hệ truyền động điện

a) Truyền đông chính

- Thông thường máy không yêu cầu điều chỉnh tốc độ, nên sử dụng động

cơ không đồng bộ roto lồng sóc Ở các máy mài cỡ nặng, để duy trì tốc

độ cắt là không đổi khi mòn đá hay kích thước chi tiết gia công thay đổi,thường sử dụng truyền động động cơ có phạm vi điều chỉnh tốc độ là D =(2 ÷ 4/1) với công suất không đổi

- Ở máy mài trung bình và nhỏ v = 50 ÷ 80 m/s nên đá mài có đường kínhlớn thì tốc độ quay đá khoảng 1000vg/ph Ở những máy có đường kínhnhỏ, tốc độ đá rất cao Động cơ truyền động là các động cơ đặc biêt, đámài gắn trên trục động cơ, động cơ có tốc độ (24000 ÷ 48000) vg/ph,hoặc có thể lên tới (150000 ÷ 200000) vg/ph Nguồn của động cơ là các

bộ biến tần, có thể là các máy phát tần số cao (BBT quay) hoặc là các bộbiến tần tĩnh bằng Thyristor

- Mô men cản tĩnh trên trục động cơ thường là 15 ÷ 20% momen địnhmức Mô men quán tính của đá và cơ cấu truyền lực lại lớn: 500 ÷ 600%momen quán tính của động cơ, do đó cần hãm cưỡng bức động cơ quay

đá Không yêu cầu đảo chiều quay đá

b) Truyền động ăn dao

+) Máy mài tròn : Ở máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động cơ

không đồng bộ nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực) với D = (2 ÷ 4)/1

Ở các máy lớn thì dùng hệ thống biến đổi - động cơ một chiều ĐM), hệ KĐT – ĐM có D = 10/1 với điều chỉnh điện áp phần ứng.Truyền động ăn dao dọc của bàn máy tròn cỡ lớn thực hiện theo hệ BBĐ-

(BBĐ-ĐM với D = (20 ÷ 25)/1 Truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực

+) Máy mài phẳng: Truyền động ăn dao của ụ đá thực hiện lặp lại nhiều

chu kỳ, sử dụng thuỷ lực Truyền động ăn dao tịnh tiến qua lại của bàndùng hệ truyền động một chiều với phạm vi điều chỉnh tốc độ D = (8 ÷10):1

c) Truyền động phụ trong máy mài và truyền động ăn di chuyển nhanh

đầu mài, bơm dầu của hệ thống bôi trơn, bơm nước làm mát thường dùng

hệ truyền động xoay chiều với động cơ không đồng bộ roto lồng sóc

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHUYỂN ĐỘNG Ụ TRỤC CHÍNH VÀ ĐIỀU CHỈNH TỐC

ĐỘ CỦA MÁY MÀI2.1 Đặt vấn đề

2.1.1 Khái niệm chung

“Thích nghi là quá trình thay đổi thông số và cấu trúc hay tác độngđiều khiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việcvới mục đích đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếulượng thông tin ban đầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi”

Hệ thống được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng:

(1) Vòng hồi tiếp thông thường (Feedback) (2) Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi (Adaptation)

2.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi

Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:

- Hệ thích nghi mô hình tham chiếu ( MRAC )

- Bộ tự chỉnh định ( STR )

- Lịch trình độ lợi

- Hệ tự học

- Hệ tự tổ chức

2.1.3 Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi

Hệ điều khiển thích nghi có các ứng dụng như sau:

2.1.4 Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC

a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu - MRAC (Model Reference Adaptive Control)

Hệ thống thích nghi sử dụng mô hình chuẩn là một trong nhữngphương pháp chính của điều khiển thích nghi Nguyên lí cơ bản như sau:

Hình 2.2 Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình thamchiếu

Mô hình chuẩn sẽ cho đáp ứng ngõ ra mong muốn đối với tín hiệuđặt (yêu cầu) Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm đốitượng và bộ điều khiển Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống vàcủa mô hình chuẩn e = y - ym Bộ điều khiển có thông số thay đổi dựa vàosai số này Hệ thống có hai vòng hồi tiếp:hồi tiếp trong là vòng hồi tiếpthông thường và vòng hồi tiếp bên ngoài hiệu chỉnh tham số cho vòng hồitiếp bên trong Vòng hồi tiếp bên trong được giả sử là nhanh hơn vònghồi tiếp bên ngoài

Hình trên là mô hình MRAC đầu tiên được đề nghị bởi Whitakervào năm 1958 với hai ý tưởng mới được đưa ra: Trước hết sự thực hiệncủa hệ thống được xác định bởi một mô hình, thứ hai là sai số của bộ điềukhiển được chỉnh bởi sai số giữa mô hình chuẩn và hệ thống Mô hìnhchuẩn sử dụng trong hệ thích nghi bắt nguồn từ hệ liên tục sau đó được

mở rộng sang hệ rời rạc có nhiễu ngẫu nhiên

b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient

Có ba phương pháp cơ bản để phân tích và thiết kế hệ MRAC :

1 Phương pháp tiếp cận Gradient

2 Hàm Lyapunov

3 Lý thuyết bị động

Ở đây em xin đề cập đến phương pháp tiếp cận Gradient:

Phương pháp Gradient được dùng bởi Whitaker đầu tiên cho hệMRAC Phương pháp này dựa vào giả sử tham số của bộ hiệu chỉnh thayđổi chậm hơn các biến khác của hệ thống Giả sử này thừa nhận có sự ổnđịnh giả cần thiết cho việc tính toán độ nhạy và cho cơ cấu hiệu chỉnhthích nghi Phương pháp tiếp cận gradient không cho kết quả cần thiếtcho hệ thống kín ổn định Bộ quan sát được đưa ra để áp dụng lý thuyết

ổn định Lyapunov và lí thuyết bị động được dùng để bổ sung cho cơ cấuthích nghi

Đối với hệ thống có tham số điều chỉnh được như trong hình 2.3,phương pháp thích nghi sử dụng mô hình chuẩn cho một cách hiệu chỉnhtham số tổng quát để có được hàm truyền hệ thống vòng kín gần với môhình Đây gọi là vấn đề mô hình kèm theo Một câu hỏi đặt ra là chúng talàm cho sai lệch nhỏ như thế nào, điều này phụ thuộc bởi mô hình, hệthống và tín hiệu đặt Nếu có thể làm cho sai số bằng 0 đối với mọi tínhiệu yêu cầu thì gọi là mô hình kèm theo hoàn hảo

+) Mô hình kèm theo

Vấn đề mô hình kèm theo có thể được giải quyết bằng thiết kế phân sốcực Mô hình kèm theo là cách đơn giản để thiết lập hay giải một vấn đềđiều khiển tuỳ động Mô hình sử dụng có thể là tuyến tính hay phi tuyến.Các tham số trong hệ thống được hiệu chỉnh để có được y càng gần với

ym càng tốt đối với một tập các tín hiệu vào Phương pháp thích nghi làmột công cụ thiết kế hệ MRAC Mặc dù mô hình kèm theo hoàn hảo chỉ

có thể đạt được trong điều kiện lý tưởng nhưng phân tích trường hợp này

sẽ cho hiểu biết sâu sắc vào vấn đề thiết kế

Xét hệ 1 đầu vào, 1 đầu ra có thể là liên tục hay rời rạc có phương trình:

y(t) = u (t)

A

B

(2.1)với u là tín hiệu điều khiển, y là ngõ ra Kí hiệu A, B là những đa thứctheo biến S hay Z Giả sử bậc của A  bậc của B nghĩa là hệ thống là hợpthức (đối với hệ liên tục) và nhân quả đối với hệ rời rạc Giả sử hệ số bậccao nhất của A là 1.Tìm bộ điều khiển sao cho quan hệ giữa tín hiệu đặt

uc và tín hiệu ra mong muốn ym được cho bởi :

Với Am, Bm cũng là những đa thức theo biến S hoặc Z

Luật điều khiển tổng quát được cho bởi :

Ru=TuC - Sy (2.3)với R, S, T là các đa thức Luật điều khiển này được xem như vừa cóthành phần hồi tiếp âm với hàm truyền -S/R và thành phần nuôi tiến vớihàm truyền T/R

Hình 2.3 Hệ vòng kín với bộ điều khiển tuyến tính tổng quát

Khử u ở 2 phương trình (2.2) và (2.3) được phương trình sau cho hệthống vòng kín:

(AR  BS)y  BTu c (2.4)

Để đạt được đáp ứng vòng kín mong muốn, thì AR + BS phải chia hết cho

Am, các zero của đối tượng, khi cho B = 0, sẽ là zero của hệ kín nếukhông bị khử bởi cực vòng kín

Bởi vì các điểm zero không ổn định không thể bị khử nên có thể phântích thành B = B+B-, trong đó B+ chứa những thành phần có thể khử đi, B-

là thành phần còn lại

Theo phương trình (2.4) AR + BS là đa thức đặc trưng của hệ thống đượcphân tích thành ba thành phần : khử zero của đối tượng:B+ ; cực mongmuốn của mô hình được cho bởi Am; các cực của bộ quan sát A0 Vì thế :

AR + BS = B + A 0 A m

gọi là phương trình Diophantine ( hay là phương trình nhận dạngBenzout) Vì B+ có thể khử nên :

(2.6)Chia phương trình (2.5) cho B+ sẽ được:

A R 1 + B - S = A 0 A m (2.7)

Vì yêu cầu là phải giống đáp ứng mong muốn nên tử số (3.4) phải chia hết cho Bm, nếu không thì sẽ không có lời giải cho bài toán thiết kế Vì vậy :

Giả sử tất cả các zero đều bị khử, khi đó có thể viết lại như sau :



Các thông số ở vế trái đã biết, vế phải chưa biết Đa thức T có được trựctiếp từ phương trình (2.8) Các tham số mô hình của phương trình (2.9)bây giờ có thể được dùng để ước lượng các tham số chưa biết của bộ điềukhiển.

BT y



Thay y vào (*) ta tính được:

C

u BS AR

AT u

Các bộ điều khiển dòng điện phần ứng, tốc độ động cơ được tổng hợptrên máy tính, hay nói chính xác hơn thì Ri và Rw là các thuật toán điềukhiển được cài đặt trên thiết bị tính toán (máy tính, vi xử lý, vi điềukhiển).

Ngoài ra còn có các cảm biến phản hồi dòng phần ứng và tốc độ động cơ

Ta có hệ phương trình mô tả động cơ điện 1 chiều trên miền ảnh Laplacenhư sau :





.

) (

1

b A

A t m

f

L e

A A A A A

K e

i K M

B s J

T T

e u s L R i

Đối tượng động cơ DC SERVO có cấu trúc như hình 2.1

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc động cơHàm truyền của đối tượng được tính như sau :

G1(s) = LA .s1 RA Kt J.s1 Bf =

Bf RA s J RA Bf LA s

J LA

Kt

).

.

( 2

=

J LA

Kb Kt Bf RA s J LA

J RA Bf LA s

J LA

Kt K Kcl

.

.

.

.

.

Tuy nhiên trong quá trình hoạt động, các tham số của động cơ có thể bị thay đổi Hoặc với 1 bộ điều khiển PID thường như vậy chỉ có thể điều khiển được 1 đối tượng cố định chuẩn, nếu thay đổi đối tượng thì bộ điều khiển PID thường không còn có mang tính chính xác Bộ điều khiển

thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC có thể giải quyết vấn đề này.

Phương pháp thiết kế được chọn là phương pháp tiếp cận Gradient

2.3 Thiết kế bộ điều khiển thích nghi cho máy mài

Hình 2.5 Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếuTrong đó ta có:

 (s2 + a1.s + a2).N(s) = b1.U(s)

 (p2 + a1.p + a2).n = b1.u (2.11)Trong đó p là toán tử vi phân dt d

Luật điều khiển: u = k.(n* - n) (2.12)Trong đó:

Cơ cấu hiệu chỉnh

Bộ điều khiển Đối tượng

Tham số điều khiển

y m

1





a p a b k p

k b

1 (

1 1 ) 1 2

1 (

1

k b a p a p

k b b k b a p a p b

) 2 1 (

1

k b a p a p

a p a p b

2

.n ) 1 2 1 (

) 2 1 (

1

k b a p a p

a p a p b

(2.17)Phương trình (2.17) không thể sử dụng trực tiếp để cập nhật hệ số

tỉ lệ k của bộ điều khiển được do các thông số động cơ thay đổi dẫn đến hàm truyền đối tượng lúc này cũng thay đổi Do đó phải sử dụng phép xấp xỉ để loại bỏ đi thông số chưa biết này

Đối với động cơ DC servo, đặc tính tốc độ của động cơ đạt theo 1 chỉ tiêu mong muốn nào đó nghĩa là tín hiệu tốc độ đặt đạt mong muốn trong thời gian xác lập nhất đinh t giây(t = 13s), độ quá điều chỉnh không quá 4.3%,… Như vậy cần phải chỉnh định đặc tính động cơ theo 1

mô hình mẫu nhất định Điều cần chú ý trong quá tình tìm kiếm hàm truyền mô hình mẫu đó là :

Tương đương với (p2 + a1.p + a2 + b1.k).n = b1.k.n*

Khi đó ta có điều kiện :

am2

 k = (bm1 + am2 –a2)/(2.b1)Hay b1.k = (bm1 + am2 - a2)/2

2

) 2 / ) 2 2 1 ( 2 1 (

) 2 1 (

1

n a

am bm a

p a p

a p a p b

(2.20)Bên cạnh đó có thể đặt  1 = .b1, khi đó phương trình (2.20) có thể xấp

2

) 2 / ) 2 2 1 ( 2 1 (

) 2 1 (

n a

am bm a

p a p

a p a p

(2.21)Một câu hỏi đặt ra là các phép xấp xỉ trên có ảnh hưởng như thế nào tới chất lượng điều khiển Ta biết rằng, hàm truyền đạt vòng kín của hệ thống chỉ có thể hội tụ về hàm truyền đạt vòng kín mong muốn khi thông

số  1 được chọn đủ nhỏ Phép xấp xỉ  1 = .b1 đã gộp thông số b1