đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy cnc

Trong công nghiệp để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, độ bền cao,có tính thẩm mỹ và đảm bảo tiêu chuẩn, phục vụ nhu cầu cuộc sống, phát triểnkinh tế thì cần phải có hệ thống sản xu

TRƯỜNG CƠ KHÍKHOA : CƠ ĐIỆN TỬ

Lớp: CĐT 02 – K63

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN Mã HP: ME5512

Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK02-9Ngày …/…/20…

ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN

(ký, ghi rõ họ tên)(ký, ghi rõ họ tên)

3-Gối đỡ vít me bi kèm gá động cơ trục X

4- Ray dẫn hướng trục X5- Thân máy

6- Vít me bi trục X

7- Gối đỡ vít me bi trục Y8- Ray dẫn hướng trục Y9- Bàn Y

10- Bàn X (đặt chi tiết gia công)11- Cụm trục chính

12- Cụm trục Z13- Vít me bi trục Z

1 Loại máy CNC: Phay

2 Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT: Phay mặt đầu, 6 lưỡi cắt, D=80mm, JIS, S45C,

Grade 4040, v=100m/ph, t=0,8mm, F=900mm/ph

3 Khối lượng lớn nhất của chi tiết M (300 / 500 / 700 kg): 700 kg

4 Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công V1 (18 / 20 / 25 m/ph): 18 m/ph

5 Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực V2 (10 / 12 / 15 m/ph): 12 m/ph

6 Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống a (4 / 5 m/s2): 5 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 1 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

- Mô phỏng bằng MATLAB-SIMULINK (vị trí, tốc độ, gia tốc của trục)- Phân tích, đánh giá các chỉ tiêu chất lượng

a(m/s2)

lưỡi cắt, D=80mm,JIS, S45C, Grade4040, v=100m/ph,

t=1,2mm,F=900mm/ph

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT 11

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CHỌN THIẾT BỊ DẪN ĐỘNG HỆ BÀN

MÁY PHAY CNC 18

 Kết cấu bộ truyền vitme đai ốc bi 21

2.1 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CỤM TRỤC VIT ME BI TRỤC X 23

2.1.1 Các thông số đầu vào 23

2.1.3 Lực cắt chính của máy (Fm) 24

2.1.4 Tính toán lựa chọn trục vít, ổ lăn cho bàn máy di chuyển theo trục X 26

2.2 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN CỤM TRỤC VIT ME BI TRỤC Y 38

2.2.1 Các thông số đầu vào 38

2.2.2 Bước vít me (l) 39

2.2.3 Lực cắt chính của máy (Fm) 39

2.2.4 Tính toán lựa chọn trục vít, ổ lăn cho bàn máy di chuyển theo trục Y 39

2.3 TÍNH TOÁN RAY DẪN HƯỚNG 52

2.3.1 Cơ sở tính toán 54

2.3.2 Tính chọn ray dẫn hướng bàn X, Y 62

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ 75

3.1 Tính chọn động cơ cho trục X 75

3.2 Tính chọn động cơ cho trục Y 79

CHƯƠNG 4: TỔNG KẾT HỆ THỐNG THIẾT KẾ CƠ KHÍ 81

CHƯƠNG 5: NGUYÊN LÝ, CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN VÀ THÔNG SỐKỸ THUẬT TRONG HỆ ĐIỀU KHIỂN CNC BÀN CHẠY DAO MÁYPHAY ĐỨNG 3 TRỤC 82

5.1 Nguyên lí hoạt động hệ thống điều khiển CNC bàn chạy dao 82

5.1.1 Hệ thống điều khiển vòng kín 82

5.1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở 84

5.1.3 Các dạng điều khiển máy CNC 85

5.2 Các phần tử cơ bản và thông số kỹ thuật 86

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 93

6.1 Điều khiển bàn X 93

6.1.1 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống 93

6.1.2 Tìm hàm truyền đạt G(s) 98

6.1.3 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 99

6.1.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 102

6.1.5 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 104

6.1.6 Thiết kế PID controller theo phương pháp thực nghiệm (phương pháp Nichols thứ nhất) 107

Ziegler-6.2 Điều khiển bàn Y 110

6.2.1 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống 110

6.2.2 Tìm hàm truyền đạt G(s) 113

6.2.3 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 114

6.2.4 Thiết kế PID controller theo phương pháp thực nghiệm (phương pháp Nichols thứ nhất) 117

Ziegler-CHƯƠNG 7: MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN HOẠT ĐỘNG BÀN CHẠYDAO 122

7.1 Giới thiệu phần mềm mô phỏng 122

7.1.1 Tìm hiểu khối công cụ simmechanics trong matlab 122

7.1.2 Giới thiệu về Simulink trong Matlab 125

7.2 Mô phỏng chuyển động các bàn chạy dạo 128

7.2.1 Mô phỏng bàn chạy dao chuyển động thẳng 128

7.2.2 Mô phỏng bàn chạy dao chuyển động tròn 133

CHƯƠNG 8: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 138

8.1 Xây dựng sơ đồ thuật toán về HOME 138

8.2 Chương trình PLC trên hệ thống điều khiển CNC 140

8.2.1 Danh sách các biển đầu vào, đầu ra 140

Trong công nghiệp để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt, độ bền cao,có tính thẩm mỹ và đảm bảo tiêu chuẩn, phục vụ nhu cầu cuộc sống, phát triểnkinh tế thì cần phải có hệ thống sản xuất hiện đại, tự động bao gồm nhiều loạimáy móc công nghiệp khác nhau.

Bằng các máy công cụ thông thường như máy tiện, và máy phay từ trướcđến nay, ta vẫn có thể gia công các biên dạng chi tiết với một mức dung saicho phép và một số lượng chi tiết đủ lớn Mặc dù vậy, kỹ thuật CNC hiện đạivẫn ra đời, vẫn phát triển nhanh chóng và ngày càng đóng vai trò chủ đạo vớitư cách là công nghệ cao trong chế tạo cơ khí.

Sự cần thiết phải phát triển hệ thống điều khiển số cho máy công cụ đãhình thành trong ngành chế tạo máy ngay từ những năm sau Chiến tranh thếgiới thứ 2 Trên thực tế các biên dạng chi tiết lớn, kết cấu vô cùng phức tạp,nếu có được làm ra bằng những kỹ thuật truyền thống (ví dụ: Liên kết hàn nhờcác kết cấu hàn và miết ghép) thì cũng phải đối mặt với những khoản chi phílớn và thời gian kéo dài.

Tuy nhiên, những biên dạng này lại có thể mô tả được bằng các hàm toánhọc và do đó, có thể thiết kế một hệ thống điều khiển điện toán, tiếp thu đượcnhững dữ liệu truy nhập (về đường quỹ đạo cắt gọt để tạo ra biên dạng chi tiếtvà mạch đóng/ngắt) và truyền đạt các cơ cấu chấp hành của một máy công cụđể thực hiện gia công.

Với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật vi xử lý và công nghệ vi mạchtích hợp (IC), vào những năm trong thập niên 70 thế kỷ XX đã bắt đầu cónhững thiết kế nâng cao từ hệ điều khiển NC thành hệ điều khiển CNC, các hệthống này đã dẫn đến việc mở rộng các chức năng của máy công cụ điều khiểnbằng máy tính Cùng với điều đó là sự tăng lên liên tục về độ chính xác biêndạng của các chi tiết cần gia công, nâng cao tốc độ cắt gọt của các chuyểnđộng chạy dao và cũng là tăng năng suất gia công Hệ điều khiển CNC hiệnđại còn có những đặc tính gia tăng hiệu quả, ví dụ khả năng lập trình trực tiếp

cho toàn bộ kết cấu hình dáng hình học của chi tiết mà không cần đến nhữnghỗ trợ tính toán toán học.

Với đề tài được giao: “Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy cho máy phay CNC”, mặc dù lần đầu tiên tiếp xúc với đề tài này nhưng em nhận thấyđây là một đề tài hay và rất thực tế Quá trình làm và hoàn thành đề tài này đãgiúp em tổng hợp được những kiến thức đã học cũng như những kiến thứcthực tế liên quan đến công việc của em sau này khi đi làm.

Đồ án này là sự tiếp nối của đồ án “thiết kế cơ khí”, và tập trung lớn vàoviệc điều khiển Vì vậy, phần tính toán cơ khí chỉ trình bày những cái cốt lõinhất và cần thiết nhất cho việc điều khiển.

Đặc biệt em xin cảm ơn thầy Lê Đức Độ , đã tận tình hướng dẫn, trựctiếp thông duyệt, đánh giá, nhận xét cho em thêm phần hoàn thiện cho đồ án.

Em xin chân thành cảm ơn!

Sinh viên

Nguyễn Anh Tuấn

CHƯƠNG 1: PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNGSỐ KỸ THUẬT

1.1 Khái niệm

CNC là viết tắt của các từ Computer Numerical Control, xuất hiện vào

khoảng đầu thập niên 1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điềukhiển máy công cụ thay cho NC, Numerical (Điều khiển số) CNC đề cập đếnviệc điều khiển bằng máy tính các máy móc với mục đích sản xuất (có tính lặplại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng

các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D,thường gọi mã G CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT Trướckhoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lýtrên các băng đục lỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động Cách này đãcho thấy nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, khólưu trữ, truyền tải, dung lượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhượcđiểm trên nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bitthông tin được lưu trữ trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý,điều khiển các quá trình một cách nhanh chóng, chính xác.

Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuấtcông nghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, cáccấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thaotác do con người thực hiện được giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trongquá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác vàchất lượng Kĩ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp ngườithao tác có thời gian cho các công việc khác Ngoài ra còn cho phép linh hoạttrong thao tác các sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc đểsản xuất các linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, một loạt các máyCNC kết hợp thành một tổ hợp, gọi là cell, để có thể làm nhiều thao tác trênmột bộ phận Máy CNC ngày nay được điều khiển trực tiếp từ các bản vẽ dophần mềm CAM, vì thế một bộ phận hay lắp ráp có thể trực tiếp từ thiết kếsang sản xuất mà không cần các bản vẽ in của từng chi tiết Có thể nói CNC làcác phân đoạn của các hệ thống robot công nghiệp, tức là chúng được thiết kếđể thực hiện nhiều thao các sản xuất (trong tầm giới hạn).

Các loại máy tiện CNC phổ biến hiện nay gồm có: Máy tiện CNC

 Máy phay CNC

 Máy khoan tia lửa điện CNC Máy cắt dây CNC

Hình 1.1: Máy phay CNC Hình 1.2: Máy tiện CNC

1.2 Kết cấu và nguyên lý hoạt động máy CNC

Hình 1.3: Mô hình tổng quan một máy CNC

Hình 1.4: Sơ đồ động máy CNC 3 trục

Nguyên lý hoạt động:

Ta xuất File thiết kế CAD 2D/3D sau đó lập trình trên phầm mềmCAM để lên chương trình chạy dạo của máy Chương trình được đưa vào bộxử lý sẽ biến chương trình CAM thành mã G-Code mà máy có thể đọc Mã G-Code được tải lên máy CNC cùng với tất cả các công cụ cắt gọt cần thiếtnhư dao phay ngón, dao lăn ren, mũi khoan Sau đó, máy sẽ được đưa vàochế độ tự động và khởi động chương trình, điều khiển tất cả các tính năng củamáy như di chuyển, tốc độ tiến dao, tốc độ trục chính, công cụ cắt, để giacông chi tiết Việc còn lại của người đứng máy là theo dõi quá trình vận hànhnhằm đảm bảo mọi thứ đều đi đúng với lập trình và xử lí khi có sự cố xảy ra.

1.3 Các thành phần cơ bản của hệ thống

 Thân máy và đế máy

Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén caogấp 10 lần so với thép và đều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không cókhuyết tật đúc.

Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chínhvà rất nhiều hệ thống khác.

- Phải đảm bảo độ chính xác gia công.

- Đế máy để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy. Bàn máy

Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyểnđộng linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC

được tăng lên rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạngphức tạp.

Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máyđều là dạng bàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy.Nó làm tăng tính vạn năng cho máy CNC.

Yêu cầu của bàn máy: Phải có độ ổn định, cứng vững, được điều khiểnchuyển động một cách chính xác.

àn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển Hệ điềukhiển vòng kín và hệ điều khiển vòng hở khá giống nhau ngoại trừ vị trí củathiế bị giám sát được lắp ở bàn máy hay ở trục của động cơ và độ chính xáccủa thiết bị nhận biết vị trí của của hệ điều khiển vòng kín rất cao

Bộ phát hiện lỗi tạo ra một tín hiệu lỗi, vì vậy đây là sự biến đổi của đầuvào cũng như tín hiệu phản hồi Tín hiệu phản hồi này có thể nhận được từ cácthiết bị giám sát trong hệ thống điều khiển bằng cách coi đầu ra của hệ thốnglà đầu vào Là một thay thế cho đầu vào, tín hiệu lỗi này có thể được đưa ralàm đầu vào của bộ điều khiển

5.1.2 Hệ thống điều khiển vòng hở

Bộ điều khiển vòng hở, còn được gọi là một bộ điều khiển không-phảnhồi, là một dạng của bộ điều khiển dùng để tính toán đầu vào của nó vào 1 hệthống chỉ sử dụng dòng trạng thái và mô hình của nó cho hệ thống Một đặctính của bộ điều khiển vòng hở là nó không sử dụng hồi tiếp để xác định liệuđầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay không Điềunày có nghĩa là hệ thống này không giám sát đầu ra của quá trình mà nó điềukhiển Do đó, một hệ thống vòng hở thực sự không thể được sử dụng trongmáy học và cũng không thể hiệu chỉnh bất kỳ sai số có thể mắc phải nào Nócũng không thể bù nhiễu trong hệ thống.

Hình 5.2- Mô hình cơ bản của hệ thống điều khiển vòng hở

5.1.3 Các dạng điều khiển máy CNC

Một số dạng điều khiển máy CNC hiện nay là:

Điều khiển điểm (điều khiển vị trí): Được dùng để gia công lỗ bằng các

phương pháp như khoan, khoét, doa, …

Điều khiển đường: Dùng trong các máy để gia công các chi tiết mà dụng

cụ cắt thực hiện lượng chạy dao song song với một trục tọa độ của máy,thường áp dụng trên các máy phay, máy điện đơn giản.

Điều khiển theo đường viền: Cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trụ

1 lúc, để có thể gia công các chi tiết có biên dạng phức tạp.

a, Điều khiển điểm b, Điều khiển đoạn

c, Điều khiển đường

Hình 5.3- Hình ảnh minh họa các dạng điều khiển

5.2 Các phần tử cơ bản và thông số kỹ thuật

Các phần tử cơ bản của hệ ĐK kín được mô tả qua sơ đồ cấu trúc vậtlý sau:

Hình 5.4- Cấu trúc hệ điều khiển kín

Các phần tử cơ bản của hệ thống bàn chạy dao CNC gồm (H1.3): Encoder,động cơ, hệ thống PLC, công tắc, nút ấn, v.v

Các thiết bị đo và giám sát vị trí (Encoder)

Hình 5.5- Hệ thống đo vị trí gián tiếp

Encoder hay còn gọi là Bộ mã hóa quay hoặc bộ mã hóa trục, là một thiếtbị cơ điện chuyển đổi vị trí góc hoặc chuyển động của trục hoặc trục thành tínhiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số Encoder được dùng để phát hiện vị trí,hướng di chuyển, tốc độ, v.v của động cơ bằng cách đếm số vòng quay đượccủa trục.

Trong máy CNC encoder được dùng gia công cơ khí chính xác hoàn toàntự động Điều khiển và xác định các góc quay của dao hoặc bàn gá, hiển thịtrên máy tính là đường thẳng hoặc góc bao nhiêu độ.

Trong cấu tạo của máy CNC thì encoder là một bộ phận rất quan trọng Cóthể hình dung nó giống bộ phận công tơ mét ở xe máy hay ô tô Nó sẽ đo đạcvà hiển thị các thông số về tốc độ của máy cho người sử dụng biết thông quahệ thống giám sát của máy tính điều khiển

Thông số kỹ thuật:

Encoder Omron E6B2-CWZ6C: - Pha đầu ra: A, B và Z

- Đường kính trục: 6mm- Đường kính thân: 40mm- Điện áp hoạt động: 5-24 V- Dòng tiêu thụ: max 80mA- Tần số đáp ứng: 100KHz- Tiêu chuẩn: IEC 60529 IP50

- Loại: Tương đối

- Ngõ ra: NPN cực thu hở (cần mắc trở để kéo lên VCC để tạo mức cao)

Động cơ servo:

Động cơ Servo là một trong những dòng động cơ phổ biến và thường đượcdùng trong các máy cắt cnc thời điểm hiện nay rất nhiều nhờ vào hiệu suất làm

việc và khả năng làm việc chính xác cũng như tự động hoàn toàn được lậptrình bằng máy tính, do đó động cơ SERVO đang dần thay thế động cơ thườngtrong các ngành công nghiệp.

Động cơ servo là một phần của hệ thống vòng kín và bao gồm một số bộphận là mạch điều khiển, động cơ servo, trục, chiết áp, bánh răng truyền động,bộ khuếch đại và bộ mã hóa hoặc bộ giải Động cơ servo là một thiết bị điệnkhép kín Nó được dùng để xoay các bộ phận của máy với hiệu suất cao và độchính xác cao Trục đầu ra của động cơ này có thể di chuyển đến một góc, vịtrí và vận tốc cụ thể mà động cơ thông thường không có.

Động cơ servo thường sử dụng một động cơ thông thường và kết hợp nóvới một cảm biến phản hồi vị trí Bộ điều khiển là bộ phận quan trọng nhấtcủa động cơ servo được thiết kế và sử dụng riêng cho mục đích này.

Thông số kỹ thuật:

Động cơ servo BPTA004GBA6D1- Size: 60

- Điện áp: 220VAC- Công suất: 400W

- Model bộ điều khiển: DXFE1124001*- Dòng điện định mức: 2.5A

- Momen xoắn định mức: 1.27 Nm- Momen xoắn tối đa: 3.82 Nm

Hình 5.7- Động cơ servo

BPTA004GBA6D1 [*]

- Tốc độ quay định mức: 3000 rpm- Tốc độ quay tối đa: 4500 rpm- Xung mỗi pha: 5.6 Ω

- Quán tính Rotor (động cơ không phanh): 0.28 kgcm2

- Quán tính Rotor (động cơ có phanh): 0.34 kgcm2

Hệ thống PLC trên máy CNC:

Bộ điều khiển logic lập trình PLC hoặc Bộ điều khiển khả trình là mộtmáy tính kỹ thuật số được sử dụng để tự động hóa các quy trình cơ điện,chẳng hạn như điều khiển máy móc trên dây chuyền lắp ráp nhà máy hoặc sửachữa ánh sáng PLC được thiết kế cho nhiều sắp xếp đầu vào và đầu ra Cácchương trình PLC thường được viết cho một ứng dụng đặc biệt trên máy tínhcá nhân, sau đó được tải xuống bằng cáp kết nối trực tiếp hoặc qua mạng tớiPLC, được lưu trữ trong RAM dự phòng bằng pin hoặc một số bộ nhớ flashkhác.

Một PLC phù hợp với NC, với máy như là một sự thay thế cho bảng điềukhiển rơle cứng có dây PLC hiện có sẵn với các chức năng tăng thêm, bộ nhớnhiều hơn và khả năng đầu vào / đầu ra lớn hơn Trong CPU, tất cả các quyếtđịnh được đưa ra liên quan đến việc điều khiển máy hoặc một quy trình CPUnhận dữ liệu đầu vào, thực hiện các quyết định logic dựa trên chương trìnhđược lưu trữ và ổ đĩa kết nối đầu ra đến một máy tính cho kiểm soát phân cấpđược thực hiện thông qua CPU.

PLC là một loại công nghệ vi xử lý, bộ nhớ quá trình mua sắm quy tắc kiểmsoát, chủ yếu được áp dụng để điều khiển chuyển đổi hoặc bao gồm cả điềukhiển logic điều khiển với tham số, điều khiển chuyển động cơ điện, hoặc điềukhiển quá trình và thiết bị công nghiệp kiểm soát mới của lĩnh vực côngnghiệp điều khiển.

Thông số kỹ thuật:

Bộ PLC S7-200- Kích thước:

W196xH80xD62 (mm);- Trọng lượng: 550g ;

- Tổn thất điện năng: 11W; Hình 5.8- Bộ PLC S7-200 [*]

- On-board đầu vào kỹ thuật số: 24 đầu vào;- On-board đầu ra kỹ thuật số: 16 đầu ra;- 6 bộ đếm tốc độ cao (giá trị 32 bit);- Loạt xung đầu ra: 2 tại 20kHz tỷ lệ xung;- Bộ nhớ trong: 256 bit;

- Analog I/O tối đa: 32 đầu vào và 32 đầu ra.- Kích thước chương trình: 4096 từ;

- Kích thước khối dữ liệu: 2560 từ;

Công tắc hành trình

Công tắc hành trình hay còn gọi công tắc giới hạn hành trình là dạng côngtắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động Nó có cấu tạonhư công tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộphận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bêntrong nó Công tắc hành trình là loại không duy trì trạng thái, khi không còntác động sẽ trở về vị trí ban đầu Công tắc hành trình dùng để đóng ngắt mạchdùng ở lưới điện hạ áp Nó có tác dụng giống như nút ấn động tác ấn bằng tayđược thay thế bằng động tác va chạm của các bộ phận cơ khí, làm cho quátrình chuyển động cơ khí thành tín hiệu điện

Trên thị trường hiện nay có nhiều hảng sản xuất công tắc hành trình cũngnhư nhiều chủng loại, nhưng chung quy lại ta sẽ phân chia thành 3 loại theocấu tạo vật lý của nó bao gồm: kiểu gạt, nhấn, hạn vị đầu tang, kéo và treo…

Thông số kỹ thuật:

Công tắc hành trình Omron Z-15GQ-B

- Loại: Chốt dài tác động Lên xuống - Dòng định mức: 15A (AC), 6A (DC)

- Điện áp định mức: 125 VAC, 30 VDC

Hình 5.9- Công tắc hành trình Omron Z-15GQ-B [*]

- Tiếp điểm: NO/NC – SPDT

- Kiểu chuyển động: Overtravel plungder- Gá lắp: Lắp trên Panel

- Chịu đựng tần số hoạt động cao: 120 lần/phút (tác động cơ)

- Tuổi thọ: Hoạt động tối thiểu 10.000.000 lần (tác động cơ), 500.000 lần(tác động điện)

- Tốc độ tác động: 1mm/s ~ 1m/s- Đấu nối: Kiểu terminal bắt vít

Thông số kỹ thuật:

- Điện áp tải max: 440V;

- Số tiếp điểm: 1 thường đóng, 1 thường mở;

- Độ bền nút nhấn: 500.000 lần;- Kích thước: 66x32x29mm

Hình 5.10- nút ấn Model LA38-11BN

[*]

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Hình 6.1- Quy trình mô hình hóa và chọn bộ điều khiển cho hệ thống

6.1 Điều khiển bàn X

6.1.1 Xây dựng mô hình toán học của hệ thống

Hệ thống điều khiển truyền động bàn máy cho máy CNC là một hệ thốngđiều khiển tự động điển hình, trước tiên đi vào quá trình tính tính toán thiết kế,ta cần biết một hệ thống điều khiển tự động gồm các thành phần nào, nó baogồm 3 thành phần cơ bản sau:

- Đối tượng điều khiển (Object)- Bộ điều khiển (Controller)

- Thiết bị cảm biến đo lường (Measuring Device)

Hình 6.2- Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động nói chung

Vậy công việc cần làm để thiết kế một hệ thống điều khiển tự động làphải xác định được đối tượng điều khiển, sau đó tìm ra bộ điều khiển thíchhợp để điều khiển đối tượng đấy Cụ thể trong phần xác định đối tượng điềukhiển này ta phải xây dựng được sơ đồ khối mô tả hoạt động của cả hệ thốngmáy CNC thông qua các phần tử điển hình Và từ việc xác định các phần tửđiển hình đó ta có được hàm truyền của hệ thống từ các phép biến đổi toánhọc thông thường.

Để ta nhìn rõ hơn trong vấn đề này, chúng ta hãy nhìn vào hình dưới đâymô tả về sơ đồ bàn máy.

Hình 6.3- Mô hình bàn máy X, Y

Bàn máy được lắp vít me, vít me được nối với động cơ qua khớp nối.Khi động cơ quay thì làm vít me quay, nhờ đó bàn máy di chuyển tịnh tiếntrên vít me Vậy nên ta điều khiển bàn máy chính là điều khiển động cơ.

Hình 6.4- Mô hình hóa hệ bàn máy

Trong đó:

+ M: Khối lượng bàn máy và phôi

+ K: hệ số độ cứng của vít me, ổ bi, nối trục, ray dẫn hướng+ B: hệ số giảm chấn

+ ∑F=Fdc+Fms: Các lực tác dụng gồm lực động cơ và lực ma sát+ x: là khoảng dịch chuyển của bàn máy

a, Các thông số đầu:

- Khối lượng phôi: Mp=700(kg)- Khối lượng bàn máy: Mx=140 (kg)- Hệ số ma sát: f =0,1

- Bước vít me: l=10 (mm)

- Chiều dài vít me: Lxmax=1400 (mm)

b, Phương trình toán học:

m ´x (t )+C ´x (t )+Kx=∑F (6.1)

+ kc: độ cứng của nối trục

+ kb:độ cứng ổ bi tra cứu trong catalog của hãng SKF

+ kg: độ cứng ray dẫn hướng tra cứu trong catalog của hãng PMI+ kch: độ cứng càng cua

+ ks: độ cứng trục vít me+ kn: độ cứng của đai ốc bi

- Độ cứng của nối trục (kc):

Chọn kiểu nối trục đàn hồi đơn với kích thước đường kính trong 40 mm.

Tra thông số của hãng Daidoseimitu theo bảng dưới đây:

Bảng : Thông số nối trục đàn hồi đơn của hãng Daidoseimitu

Từ bảng trên tra được độ cứng với lực xoắn của nối trục là : 205,9 104

×Nm/rad => kc =205,9 104

- Độ cứng của ổ bi (kb): tra cứu trong catalog của hãng SKF

- Độ cứng ray dẫn hướng (kg): tra cứu trong catalog của hãng PMI

840 s2

+8964 s+182000

Ta thấy các hệ số của đa thức A(s) đều lớn hơn và khác 0 Vậy thỏa mãn điềukiện cần của tiêu chuẩn Routh

Và ta có tất cả các nghiệm của đa thúc A(s) là:

s1=−5,336+ 13,718i và s2=−5,336−13,718 i

đều nằm bên trái trục ảo  Vậy ta có hệ Gh(s) ổn định theo tiêu chuẩnRouth.

b, Kiểm tra sự ổn định của hệ kín:

- Xét tính ổn định của hệ kín theo tiêu chuẩn Nyquist:

Nhập vào matlab lệnh:

Hệ kín sẽ ổn định khi vào chỉ khi đồ thị Nyquist của hệ hở Gs(X) không điqua điểm bao (-1+0j) được đánh dấu (+) Ta có đồ thị Nyquist (hình 6.5) củaGs(X) như sau:

Hình 6.5- Đồ thị Nyquist

Ta thấy đồ thị Nyquist không bao điểm (-1+0j).Vậy hệ kín Gs(X) ổn định.

- Xét tính ổn định của hệ kín theo tiêu chuẩn Bode:

Nhập vào matlab lệnh:

Trên Hình 6.6 là đồ thị mô tả mối quan hệ giữa góc pha, tốc độ góc pha(rad/s) xây dựng theo tiêu chuẩn Bode.

Hình 6.6- Đồ thị Bode

Nhận xét: Để hệ kín ổn định, theo tiêu chuẩn Bode về góc pha (φ) tronggiới hạn: −π <φ<0 thì hệ kín ổn định.

- Kiểm tra phản hồi bước của hệ thống khí có tín hiệu vào:

Trên Hình 6.7 là đồ thị mô tả biên độ bước (step) khi có tín hiệu vào.Đồ thị Step: đồ thị đáp ứng bước của hệ thống Kiểm tra phản hồi bướccủa hệ thống khi có tín hiệu đầu vào.

Hình 6.7- Đồ thị Step

Sử dụng lệnh stepinfo ta được các thông tin của hệ thống

Nhận xét:

+ Thời gian xác lập (SettlingTime): Ts= 0,737 s+ Độ quá điều chỉnh (Overshoot): ∆ h=¿ 29,4%+ Thời gian tăng (RiseTime): Tr=¿ 0,0958 s+ Biên độ cực đại (Peak amplitude): 0,00206

Với các thông số chỉ tiêu chất lượng của hệ cấp 2 như trên không đáp ứng yêu cầu của máy điều khiển số CNC do có thời gian ổn định lâu và độ quá điều chỉnh lớn Cần thiết kế bộ điều khiển PID để đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng của hệ thống.

- Kiểm tra đáp ứng (đầu ra) của hệ thống khi có xung đầu vào đáp ứng tiêuchuẩn Dirac:

Trên Hình 6.8 là đồ thị mô tả biên độ xung đầu vào theo thời gian

Hình 6.8- Đồ thị đáp ứng xung Dirac

Từ Hình 6.8 cho thấy giá trị biên độ đạt 0,0147 tại thời điểm 0,0863(s) làđạt yêu cầu vì chưa vượt ngưỡng biên độ là 0,5.

6.1.4 Thiết kế bộ điều khiển PID

Những kiến thức cơ bản về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa ra sai lệch e(t) của hệ thống về 0 saocho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng.

Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại, tín hiệu u(t) cànglớn.

Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còntạo ra tín hiệu điều chỉnh.

Nếu sai lệch e(t) càng lớn thông qua khâu vi phân, phản ứng thích ứng củau(t) sẽ càng nhanh.

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào – ra:

u (t )=kp[e (t)+ 1TI∫

e (τ ) dτ +TDde (t )

dt ] (6.12)Trong đó:

e (t): là tín hiệu đầu vào bộ điều khiển;

u (t ): là tín hiệu đầu ra bộ điều khiển;

kp: được gọi là hệ số khuếch đại;