30 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC, KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHI ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA BÀN MÁY .... Nhờ có sự chuyển động linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của má
TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ DẪN ĐỘNG CỦA MÁY CNC
Khái niệm máy CNC
Máy CNC (computer numerical controlled) là những công cụ gia công kim loại tinh tế có thể tạo ra những chi tiết phức tạp theo yêu cầu của công nghệ hiện đại Phát triển nhanh chóng với những tiến bộ trong máy tính, ta có thể bắt gặp CNC dưới dạng máy tiện, máy phay, máy cắt laze, máy cắt tia nước có hạt mài, máy đột rập và nhiều công cụ công nghiệp khác Thuật ngữ CNC liên quan đến một nhóm máy móc lớn sử dụng logic máy tính để điều khiển các chuyển động và thực hiện quá trình gia công kim loại.
Thành phần chính của máy CNC
Máy phay CNC gồm 2 thành phần chính là phần điều khiển và phần chấp hành:
Gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển:
Là tập hợp các tín hiệu để điều khiển máy, được mã hóa dưới dạng chữ cái, số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng … Chương trình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số ( mã thập – nhị phân như băng đục lỗ, mã nhị phân như bộ nhớ của máy tính)
▪ Các cơ cấu điều khiển:
Nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của chúng thông qua các tín hiệu được gửi về từ các cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu đo hành trình, cơ cấu đo vận tốc, bộ nhớ và các thiết bị xuất nhập tín hiệu
Cụm điều khiển có nhiệm vụ liên kết các chức năng để thực hiện điều khiển máy, các chức năng bao gồm:
+ Số liệu vào (Data Input) + Xử lý số liệu (Data Procesing) + Số liệu ra (Data Output)
7 + Ghép nối vào (Machine I/O interface)
+ Phần cứng điều khiển bao gồm 6 thành phần :
• Điều khiển trình tự PMC
▪ Thân máy và đế máy: Thường được chế tạo bằng các chi tiết gang vì gang có độ bền nén cao gấp 10 lần so với thép vàđều được kiểm tra sau khi đúc để đảm bảo không có khuyết tật đúc Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thống khác
▪ Bàn máy: Bàn máy là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyển động 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 dạng phức tạp.Đa số trên các máy CNC hay trung tâm gia công hiện đại thì bàn máy đều là dạng bàn máy xoay được, nó có ý nghĩa như trục thứ 4, thứ 5 của máy
▪ Cụm trục chính: Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công.Trục chính được điều khiển bởi các động cơ Thường sử dụng động cơ Servo theo chế độ vòng lặp kín, bằng công nghệ số để tạo ra tốc độ điều khiển chính xác và hiệu quả cao dưới chế độ tải nặng.Hệ thống điều khiển chính xác góc giữa phần quay và phần tĩnh của động cơ trục chính để tăng momen xoắn và gia tốc nhanh Hệ thống điều khiển này cho phép người sử dụng có thể tăng tốc độ của trục chính lên rất nhanh
▪ Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các chuyển động của ban theo X,Y và chuyển động theo trục Z của trục chính
▪ Trục vit me, đai ốc: Trong máy công cụ điều khiển số người ta thường sử dụng hai
8 dạng vit me cơ bản đó là: vít me đai ốc thường và vít me đai ốc bi:Vít me đai ốc thường: là loại vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc mặtVít me đai ốc bi: là loại mà vít me và đai ốc có dạng tiếp xúc lăn
▪ Ổ tích dụng cụ: Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho quá trình gia công Nhờ có ổ tích dao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên tiếp với nhiều loại dao cắt khác nhau.Do đó quá trình gia công nhanh hơn và mang tính tự động hoá cao
▪ Các xích động của máy: Tất cả các đường chuyền động đến từng cơ cấu chấp hành của máy công cụ điều khiển số đều dùng những nguồn động lực riêng biệt, bởi vậy các xích động học chỉ còn 2 loại cơ bản sau:Xích động học tốc độ cắt gọt Xích động học của chuyền động chạy dao
Hình 1.1: Bộ phận cơ khí trong máy CNC
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY X VÀ Y
Sơ đồ động học cho bàn máy X và Y
Hình 2.1: Mô hình 3D sơ đồ động học cho bàn máy X và Y
Hình 2.2: Mô hình 2D sơ đồ động học cho bàn máy X và Y
Hệ thống dẫn động có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn máy theo trục X, Y
▪ Nguyên lý: Động cơ quay truyền chuyển động qua bộ truyền động đai (hoặc xích) được lắp ở 1 đầu trục vít, truyền chuyển động quay cho vit me Vit me được gá đặt trên 2 ổ đỡ ở hai đầu quay tạo chuyển động tịnh tiến cho đai ốc Đai ốc được lắp với bàn Y bằng bulong, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me giúp bàn Y chuyển động tịnh tiến trượt trên 2 thanh ray song song với trục vít me lắp cố định trên thân máy thân máy.Bàn X cũng chuyển động tương tự
▪ Yêu cầu: hệ thống thanh trượt phải thẳng, có khả năng tải cao, độ cứng vững tốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính.
Sơ đồ thiết kế hệ thống truyền động cho bàn máy X và Y
Tính chọn ổ lăn, khớp nối
1 Tính các tải trọng động, tải trọng tĩnh→ Chọn ổ bi đỡ chặn, cụm ổ đỡ
Tính chọn ray dẫn hướng
1 Các điều kiện ban đầu
2 Tính toán các lực, hệ số an toàn, tải trọng trung bình, tuổi thọ
Các thông số đầu vào
𝑃 𝑚𝑎𝑥 : khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công (kG) 𝐺 𝑥 , 𝐺 𝑦 : Trọng lượng bàn máy X và Y
𝑃 𝑥𝑚𝑎𝑥 , 𝑃 𝑦𝑚𝑎𝑥 : Lực dọc trục lớn nhất của bàn máy X và Y
V 1 , V 2 : Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công và gia công 𝑎: Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống à : Hệ số ma sỏt trượt bề mặt 𝑛 𝑚𝑎𝑥 : Tốc độ quay lớn nhất của động cơ
Tính toán truc vít- đai ốc bi
1 Chọn kiểu lắp đặt, tính lực cắt 2 Tính lực trung bình
3 Tính tải trọng tĩnh và tải trọng động
4 Chọn trục vít đai ốc bi
Sơ lược về quy trình thiết kế hệ thống truyền động cho bàn máy X và Y
Loại máy CNC : máy phay
▪ Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công : 𝑃 𝑚𝑎𝑥 = 300𝑘𝐺
▪ Chiều cao lớn nhất của chi tiết gia công: 𝐻 𝑚𝑎𝑥 = 200𝑚𝑚
▪ Lực cắt theo phương thẳng đứng: 𝑃 𝑧𝑚𝑎𝑥 = 900𝑘𝐺
▪ Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V CK = 20m/ph
▪ Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực : Vc = 10 mm/ph
▪ Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : 𝑎 = 0,5𝑔 = 0,5 × 9,8 = 4,9 𝑚/𝑠 2
▪ Thời gian hoạt động : 21000 h làm việc
▪ Tốc độ vòng động cơ lớn nhất: 𝑛 𝑚𝑎𝑥 = 2000 𝑣/𝑝ℎ
▪ Hệ số ma sỏt trượt: à= 0,01
▪ Vùng hoạt động lớn nhất: 𝐿 𝑋𝑚𝑎𝑥 = 550𝑚𝑚, 𝐿 𝑌𝑚𝑎𝑥 = 400𝑚𝑚
Các máy phay CNC có tốc độ quay của vitme không quá lớn hay tốc độ dịch chuyển của bàn máy là không lớn nhưng để đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao khi gia công trên máy CNC thì hệ thống dẫn hướng yêu cầu độ chính xác cao Do đó lựa chọn kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động 2 bàn máy là kiểu lắp 1 đầu lắp chặt và 1 đầu di động (fix- support):Với kiểu lắp ghép này, hai hệ số phụ thuộc vào kiểu lắp ghép f và nhận các gia trị là : f = 15,1 và = 3,927(theo catalog của hãng PMI)
Hình 2.3: Kiểu lắp ổ đỡ chung cho vitme dẫn động
Bước vít me o Tốc độ quay lớn nhất của động cơ khi làm việc: n = 2000 (vòng/phút) o Bước vitme l được xác định theo công thức:
Chọn sơ bộ bước vitme l = 10 (mm)
2.3.3 Tính toán thiết kế và lựa cho vít me bi cho bàn máy X và Y
Dựa vào kết quả tính toán của đồ án thiết kế hệ thống cơ khí (đồ án 1) ta có các bảng kết quả tính toán như sau:
▪ Kết quả tính toán đối với bàn máy X
Bảng 2.1: Kết quả tính toán các lực dọc trục
Bảng 2.2: Bảng kết quả tính toán 𝑭 𝒂𝒎 , 𝒏, 𝑪 𝒐 𝒗à 𝑪 𝒂
Vitme lựa chọn phải có tải trọng động 𝐶 𝑎 ≥ 6260 (𝑘𝑔𝑓)
Dựa vào kết quả tính toán trên ta lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC
+ Đường kính vitme 𝐷 = 45 (𝑚𝑚) + Bước vitme 𝑙 = 10 (𝑚𝑚) + Tải trọng tĩnh : 𝐶 𝑜 = 23550 (𝑘𝑔𝑓) + Tải trọng động: 𝐶 𝑎 = 7760 (𝑘𝑔𝑓) + Đường kính lõi ren: d r = 45 + 1.4 − 6.35 = 40,05 (mm)
Dựa vào kết quả tính toán trên ta lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC
+ Đường kính vitme 𝐷 = 45 (𝑚𝑚) + Bước vitme 𝑙 = 10 (𝑚𝑚)
▪ Kết quả tính toán đối với bàn máy Y
Bảng 2.3: Bảng số liệu lực dọc trục tác dụng lên trục 𝒀
Bảng 2.4: Kết quả tính toán các thông số 𝑭 𝒂𝒎 , 𝒏, 𝑪 𝒐 𝒗à 𝑪 𝒂
Vitme lựa chọn phải có tải trọng động 𝐶 𝑎 ≥ 6817,8 (𝑘𝑔𝑓)
2.3.4 Tính toán và lựa chọn ổ lăn cho bàn máy X và Y
Dựa vào kết quả tính toán của đồ án thiết kế hệ thống cơ khí (đồ án 1) ta có các bảng kết quả tính toán như sau:
▪ Đối với bàn máy X o Chọn 2 ổ bi đỡ chặn có ký hiệu : 7308 ACCBM ( Hãng SKF) có các thông số 𝐶 = 56 (𝑘𝑁) 𝑣à 𝐶 𝑜 = 36 (𝑘𝑁) o Chọn ổ bi đỡ có kí hiệu : 6308 (Hãng SKF) có các thông số 𝐶 = 42,3 (𝑘𝑁), 𝐶 𝑜 = 24 (𝑘𝑁)
Dựa vào kết quả tính toán trên ta lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC
+ Đường kính vitme 𝐷 = 45 (𝑚𝑚) + Bước vitme 𝑙 = 10 (𝑚𝑚) + Tải trọng tĩnh : 𝐶 𝑜 = 23550 (𝑘𝑔𝑓) + Tải trọng động: 𝐶 𝑎 = 7760 (𝑘𝑔𝑓) + Đường kính lõi ren: d r = 45 + 1.4 − 6.35 = 40,05 (mm)
Dựa vào kết quả tính toán trên ta lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC
+ Đường kính vitme 𝐷 = 45 (𝑚𝑚) + Bước vitme 𝑙 = 10 (𝑚𝑚) + Tải trọng tĩnh : 𝐶 𝑜 = 23550 (𝑘𝑔𝑓) + Tải trọng động: 𝐶 𝑎 = 7760 (𝑘𝑔𝑓) + Đường kính lõi ren: d r = 45 + 1.4 − 6.35 = 40,05 (mm)
Dựa vào kết quả tính toán trên ta lựa chọn vitme 45-10B3-FDWC
+ Đường kính vitme 𝐷 = 45 (𝑚𝑚) + Bước vitme 𝑙 = 10 (𝑚𝑚) + Tải trọng tĩnh : 𝐶 𝑜 = 23550 (𝑘𝑔𝑓)
14 o Chọn 2 ổ bi đỡ chặn có ký hiệu : 7308 ACCBM ( Hãng SKF) có các thông số
𝐶 = 56 (𝑘𝑁) 𝑣à 𝐶 𝑜 = 36 (𝑘𝑁) o Chọn ổ bi đỡ có kí hiệu : 6308 (Hãng SKF) có các thông số
2.3.5 Tính toán và lựa chọn ray dẫn hướng cho bàn máy X và Y 2.3.5.1 Thông số đầu vào
Với yêu cầu của công việc ta chọn ray dẫn hướng chịu được sức tải nặng do đó ray dẫn hướng sẽ được sử dụng loại xích bi:
▪ Vận tốc lớn nhất khi không gia công: 𝑉 1 = 20 ( 𝑚
▪ Vận tốc lớn nhất khi gia công: 𝑉 2 = 10 ( 𝑚
▪ Gia tốc của bàn máy: 𝑎 = 𝑎 1 = 𝑎 2 = 𝑎 3 = 0,5𝑔 = 4,9 (𝑚/𝑠 2 )
▪ Sử dụng công thức tính : 𝑓 𝑠 = 𝐶 𝑜
Lựa chọn ray dẫn hướng sơ bộ của hãng PMI có thông số tải trọng tĩnh và tải trọng động lớn yêu cầu cho phép
15 Hình 2.4 : Bảng datasheet ray dẫn hướng của hãng PMI
Ta chọn sơ bộ ray dẫn hướng:
+ Tải trọng tĩnh: 𝐶 𝑜 = 75,5 (𝑘𝑁) + Tải trọng động: 𝐶 = 52 (𝑘𝑁) Ray bàn Y: MSA 35 A có:
+ Tải trọng tĩnh: 𝐶 𝑜 = 75,5 (𝑘𝑁) + Tải trọng động: 𝐶 = 52 (𝑘𝑁)
Sơ đồ đặt Lực và Chế độ di chuyển
Hình 2.5 : Sơ đồ đặt Lực và Chế độ di chuyển
Các giai đoạn khi cho bàn X di chuyển trên hành trình và các khoảng cách định vị
▪ Thời gian tang tốc (𝑡 1 ) và thời gian giảm tốc (𝑡 3 ): 𝑡 1 = 𝑡 3 = 𝑣
▪ Độ dài đoạn tăng tốc và giảm tốc: 𝑋 1 = 𝑋 3 = 𝑉 2
▪ Thời gian chuyển động đều(𝑡 2 ): 𝑡 2 = 𝑋 2
▪ Độ dài đoạn chuyển động đều: 𝑋 2 = 527,32 (𝑚𝑚)
▪ Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: 𝑙 1 = 450 (𝑚𝑚)
▪ Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: 𝑙 2 = 234 (𝑚𝑚)
▪ Theo phương dọc ray dẫn tâm phôi trùng với bàn tâm máy: 𝑙 3 = 0
▪ Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn máy: 𝑙 4 = 0
▪ Khoảng cách từ tâm vít me đến tâm bàn máy: 𝑙 5 = 85 (𝑚𝑚)
▪ Khoảng cách từ tâm trục vít me đến bề mặt phôi: 𝑙 6 = 𝑙 5 + 𝐻 𝑚𝑎𝑥 = 85 + 200 285 (𝑚𝑚)
▪ Chiều dài ray dẫn hướng: 𝐿 = 𝐿 𝑥 + 𝑙 1 + 𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑐ℎ𝑎𝑦 = 1160 (𝑚𝑚)
Các giai đoạn khi cho bàn Y di chuyển trên hành trình và các khoảng cách định vị
▪ Thời gian tang tốc (𝑡 1 ) và thời gian giảm tốc (𝑡 3 ): 𝑡 1 = 𝑡 3 = 𝑣 1
▪ Độ dài đoạn tăng tốc và giảm tốc: 𝑋 1 = 𝑋 3 = 𝑉 2
▪ Thời gian chuyển động đều(𝑡 2 ): 𝑡 2 = 𝑋 2
▪ Độ dài đoạn chuyển động đều: 𝑋 2 = 377,78 (𝑚𝑚)
▪ Tổng khối lượng đặt lên bàn Y : 𝑚 1 = 300 + 200 = 500 (𝑘𝐺)
▪ Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: 𝑙 1 = 235 (𝑚𝑚)
▪ Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: 𝑙 2 = 332 (𝑚𝑚)
▪ Theo phương dọc ray dẫn tâm phôi trùng với bàn tâm máy: 𝑙 3 = 0
▪ Khoảng cách từ tâm phôi đến tâm bàn máy: 𝑙 4 = 274 (𝑚𝑚)
▪ Khoảng cách từ tâm vít me đến tâm bàn máy: 𝑙 5 = 275 (𝑚𝑚)
▪ Khoảng cách từ tâm trục vít me đến bề mặt phôi: 𝑙 6 = 𝐿 5 + 𝐻 𝑚𝑎𝑥 = 274 + 200 474 (𝑚𝑚)
▪ Chiều dài ray dẫn hướng: 𝐿 = 𝐿 𝑦 + 𝑙 1 + 𝑙 𝑐𝑜𝑛𝑐ℎ𝑎𝑦 = 780 (𝑚𝑚)
2.3.5.3 Tính toán các lực riêng rẽ
Bảng 2.5: Chuyển động đều, Lực hướng kính 𝑷 𝒏
Chuyển động đều, Lực hướng kính 𝑃 𝑛 Bàn X Bàn Y
Bảng 2.6: Chuyển động tang tốc sang trái, Lực 𝑷 𝒏 𝒍𝒂 𝟏
Chuyển động tang tốc sang trái, Lực 𝑃 𝑛 𝑙𝑎 1 Bàn X Bàn Y
Tải Phụ P n t 1 la 1 Bàn X Bàn Y
Bảng 2.8: Chuyển động giảm tốc sang trái 𝑷 𝒏 𝒍𝒂 𝟑
Chuyển động giảm tốc sang trái 𝑃 𝑛 𝑙𝑎 3 Bàn X Bàn Y
Tải Phụ P n t 2 la 3 Bàn X Bàn Y
Bảng 2.10: Chuyển động tăng tốc sang phải 𝑷 𝒏 𝒓𝒂 𝟏 Chuyển động tăng tốc sang phải 𝑃 𝑛 𝑟𝑎 1 Bàn X Bàn Y
Bảng 2.12: Chuyển động giảm tốc sang phải: 𝑷 𝒏 𝒓𝒂 𝟏 Chuyển động giảm tốc sang phải: 𝑃 𝑛 𝑟𝑎 1 Bàn X Bàn Y
2.3.5.4 Tính toán tải tương đương
Bảng 2.14: Khi chuyển động đều
Khi chuyển động đều Bàn X Bàn Y
Bảng 2.15: Tăng tốc sang trái
Tăng tốc sang trái Bàn X Bàn Y
22 Bảng 2.16: Giảm tốc sang trái
Giảm tốc sang trái Bàn X Bàn Y
Bảng 2.17: Tăng tốc sang phải
Tăng tốc sang phải Bàn X Bàn Y
Bảng 2.18: Giảm tốc sang phải
Giảm tốc sang phải Bàn X Bàn Y
2.3.5.5 Tính toán hệ số tĩnh
Bảng 3.16: Tính toán hệ số tĩnh
Hệ số tĩnh Bàn X Bàn Y
2.3.5.6 Tính toán tải trung bình 𝑷 𝒎𝒏
Bảng 3.17: Tính toán tải trung bình 𝑷 𝒎𝒏
Tải trung bình 𝑃 𝑚𝑛 Bàn X Bàn Y
2.3.5.7 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa 𝑳 𝒏
Bảng 3.18: Tính toán tuổi thọ danh nghĩa 𝑳 𝒏
Tuổi thọ danh nghĩa 𝐿 𝑛 Bàn X Bàn Y
Vậy ray dẫn hướng đủ điều kiện bền và thời gian hoạt động theo yêu cầu
TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ SERVO PHÙ HỢP CHO CHUYỂN ĐỘNG BÀN MÁY X VÀ Y
Thông số đầu vào
▪ Hệ số ma sát trượt: 𝜇 = 0,1
▪ Khối lượng của phần đâu dịch chuyển là: 𝑚 𝑥 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 + 𝐺 𝑥 , 𝑚 𝑦 = (𝐺 𝑥 + 𝐺 𝑦 ) + 𝑃𝑚𝑎𝑥
▪ Tỉ số truyền giảm tốc: 𝑖 = 1(Do phương án động cơ nối trực tiếp với vít me không qua hộp giảm tốc)
▪ Hiệu suất của máy ta chọn: 𝜂 = 0,9
▪ Thời gian khởi động động cơ : t = 2 (s)
▪ Tốc độ quay lớn nhất của động cơ: 𝑛 𝑚𝑎𝑥 = 2000 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡)
Tính toán chọn động cơ cho bàn máy X
Chọn động cơ servo điều khiển quỹ đạo cho bàn máy X
Thời gian dành cho quá trình có gia tốc rất ngắn, do ở đây ta chỉ tính toán cho giai đoạn chạy đều(chiếm phần lớn thời gian gia công)
➢ Momen do lực ma sát khi phay khô
2𝜋 × 0,9= 109,46 (𝑘𝐺 𝑐𝑚) Do đó, Monen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen cần thiết khi phai thôi
➢ Momen ma sát Mô men ma sát quy đổi gây ra bởi trục đai ốc bi và ổ bi là không đáng kể nên có thể bỏ qua, do vậy ở đây mô men ma sát quy đổi gây ra bởi ray dẫn hướng được sử dụng để tính toán
2 đai ốc bi và ổ bi; Ở đây 𝜇’ = 0,01, rất bé so với 𝜇 =0,1(ở trên)
Do vậy 𝑀 𝑓𝑟𝑖𝑐 sẽ không thay đổi đáng kể khi kể thêm mô men quy đổi gây ra bởi trục
➢ Momen chống trọng lực kết cấu
➢ Tốc độ quay của motor
0.01 = 471 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎ) Cần phải lựa chọn động cơ có momen phát động lớn hơn momen tĩnh 𝑀 𝑠𝑡𝑎𝑡 = 3,21 (𝑁𝑚)
Dựa vào momen tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, ta lựa chọn động cơ của hãng ANILAM tra theo bảng datasheet của hãng:
Hình 3.1: Bảng datasheet chọn động cơ servo cho trục X của Hãng ANILAM
Vậy ta chọn động cơ cho trục X là động cơ có Model Number AM 1160C có momen khởi động 𝑴 = 𝟕, 𝟐 (𝑵𝒎) và có tốc độ quay tối da là 3000 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡)
3.3.4 Kiểm tra thời gia cần thiết để đạt được vận tốc cực đại
Thời gian cần thiết để đạt được vận tốc cực đại là:
▪ J là tổng mô men quán tính
60 × 1,2 = 1,6 (𝑠) < 2(𝑠) Kết luận: Động cơ đã chọn thỏa mãn yêu cầu.
Tính toán chọn động cơ cho bàn máy Y
Chọn động cơ servo điều khiển quỹ đạo cho bàn máy Y
Thời gian dành cho quá trình có gia tốc rất ngắn, do ở đây ta chỉ tính toán cho giai đoạn chạy đều(chiếm phần lớn thời gian gia công)
➢ Momen do lực ma sát khi phay khô
2𝜋 × 0,9= 109,96 (𝑘𝐺 𝑐𝑚) Do đó, Monen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen cần thiết khi phai thôi
➢ Momen ma sát Mô men ma sát quy đổi gây ra bởi trục đai ốc bi và ổ bi là không đáng kể nên có thể bỏ qua, do vậy ở đây mô men ma sát quy đổi gây ra bởi ray dẫn hướng được sử dụng để tính toán
2 đai ốc bi và ổ bi; Ở đây 𝜇’ = 0,01, rất bé so với 𝜇 =0,1(ở trên)
Do vậy 𝑀 𝑓𝑟𝑖𝑐 sẽ không thay đổi đáng kể khi kể thêm mô men quy đổi gây ra bởi trục
➢ Momen chống trọng lực kết cấu 𝑀 𝑤 =𝑚 × 𝑔 × ℎ × 𝑠𝑖𝑛𝛼
➢ Tốc độ quay của motor
0.01 = 471 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎ) Cần phải lựa chọn động cơ có momen phát động lớn hơn momen tĩnh 𝑀 𝑠𝑡𝑎𝑡 = 3.45 (𝑁𝑚)
Dựa vào momen tĩnh của động cơ và tốc độ của motor, ta lựa chọn động cơ của hãng ANILAM tra theo bảng datasheet của hãng:
Hình 3.2: Bảng datasheet chọn động cơ servo cho trục Y của Hãng ANILAM
Vậy ta chọn động cơ cho trục Y là động cơ có Model Number AM 1160C có momen khởi động 𝑴 = 𝟕, 𝟐 (𝑵𝒎) và có tốc độ quay tối da là 3000 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡)
3.3.4 Kiểm tra thời gia cần thiết để đạt được vận tốc cực đại
Thời gian cần thiết để đạt được vận tốc cực đại là:
▪ J là tổng mô men quán tính
60 × 1,2 = 1,46 (𝑠) < 2(𝑠) Kết luận: Động cơ đã chọn thỏa mãn yêu cầu
XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC, KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH KHI ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CỦA BÀN MÁY
Quy trình mô hình hóa và chọn bộ điều khiển cho hệ thống
Không ổn định ổn định
Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động vòng kín và mô hình bàn máy
Hệ thống điều khiển truyền động bàn máy cho máy CNC là một hệ thống điều 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 bao gồm 3 thành phần cơ bản sau:
- Đối tượng điều khiển (Object) - Bộ điều khiển (Controller) - Thiết bị cảm biến đo lường (Measuring Device)
Hình 4.1: Sơ đồ hệ thống điều khiển tự động nói chung
Xác định các khối đầu vào, ra của hệ thống
Viết phương trình vi phân mô tả hệ thống
Xây dựng sơ đồ khối mô tả hệ thống
Xác định hàm truyền hệ thống
33 Vậy công việc cần làm để thiết kế một hệ thống điều khiển tự động là phải xác định được đối tượng điều khiển, sau đó tìm ra bộ điều khiển thích hợp để điều khiển đối tượng đấy Cụ thể trong phần xác định đối tượng điều khiển này ta phải xây dựng được sơ đồ khối mô tả hoạt động của cả hệ thống máy CNC thông qua các phần tử điển hình Và từ việc xác định các phần tử điển hình đó ta có được hàm truyền của hệ thống từ các phép biến đổi toán học thông thường Để ta nhìn rõ hơn trong vấn đề này, chúng ta hãy nhìn vào hình dưới đây mô tả về sơ đồ bàn máy
Hình 4.2: 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 tiến trên vít me Vậy nên ta điều khiển bàn máy chính là điều khiển động cơ
Hình 4.3: Mô hình hóa 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
- ∑ F = 𝐹 𝑑𝑐 + 𝐹 𝑚𝑠 Các lực tác dụng gồm động cơ và lực ma sát - 𝑥: Khoảng dịch chuyển của bàn máy
Xác định hàm truyền và xét tính ổn định đối với bàn máy X
- Khối lượng phôi: 𝑚 = 𝐺 𝑥 + 𝑃 max = 500 (𝑘𝐺) - Hệ số ma sát: 𝑓 = 0,1
4.3.2 Phương trình vi phân toán học của hệ thống
𝐹 𝑚𝑠 = 𝑓𝑚𝑔𝑥̇ Với: 𝑓 là hệ số ma sát ( 𝑓 = 0,1)
• Kc : Hệ số độ cứng của khớp nối (nối trục động cơ ra trục vít me)
Ta cần chọn khớp nối có độ cứng càng cao càng tốt phù hợp với cơ cấu truyền động để động cơ có thể truyền tốt mô men sang trục vít me
𝛿 𝑎𝑜: Hệ số độ cứng của ổ bi Trong đó:
3𝐹 𝑎𝑚𝑎𝑥 : Tải trọng đặt trược lên ổ + 𝛿 𝑎𝑜 = 𝑘 × 𝐹 𝑎𝑜
2 3 : 𝑘 = 242 (𝑘𝑔𝑓/𝜇𝑚) tra trên Catalog của hang PMI
• Kn : Hệ số độ cứng của đai ốc bi
• Ks : Hệ số độ cứng của vít me bi
+ A: Diện tích mặt cắt ngang trục vít me
+ 𝐸: Hệ số modul Young (𝐸 = 2 × 10 11 (𝑘𝑔𝑓/𝑚𝑚 2 )) + 𝐿: Khoảng cách gá đặt (𝐿 = 1160 (𝑚𝑚))
Từ đó ta có kết quả độ cứng ở bảng sau :
2𝜋 – 𝑓𝑚𝑔𝑥̇(𝑡) Sử dụng toán tử Laplace 2 vế của phương trình ta được:
4.3.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền 4.3.4.1 Kiểm tra sự ổn định của hệ hở:
Ta thấy các hệ số của đa thức A(s) = 500𝑠 2 + 5858,5 + 586200 đều lớn hơn và khác 0 Vậy thỏa mãn điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh
Và ta có tất cả các nghiệm của đa thúc A(s) là: −5,8585 + 33,7354𝑖 và −5,8585 − 33,7354𝑖 đều nằm bên trái trục ảo → Vậy ta có hệ Gh(s) ổn định theo tiêu chuẩn Routh
4.3.4.2 Kiểm tra sự ổn định của hệ kín:
Hình 4.4: Đồ thi Nyquist bàn X
Ta thấy đồ thị Nyquist không bao điểm (-1+0j) → Vậy hệ kín Gk(s) ổn định
Dùng lệnh isct(sys) để kiểm tra tính ổn định Ta nhận được giá trị “1” chứng tỏ hệ thống ổn định
Hình 4.5: Đồ thị bode bàn X
38 Nhận xét: để hệ kín ổn định thì theo tiêu chuẩn Bode: thì góc pha (𝜑) : - π < 𝜑 < 0 →Hệ kín ổn định
Hình 4.6: Đồ thi Step bàn X
Nhận xét: 𝑏𝑖ê𝑛 độ 𝐴 = 0,0943 𝑣à thời gian xác lập 𝑇 𝑠 = 0,00251(𝑠)
▪ Đồ thi Impulse ( đáp ứng xung Dirac): đồ thị đáp ứng của hệ thống khi có xung ở đầu vào
Hình 4.7: Đồ thi Impulse bàn X
Thiết kế bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) cho bàn máy X
4.4.1 Sơ lược về bộ điều khiển PID
- Nhiệm vụ của bộ điều khiển PID: đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 - Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào và đầu ra:
+ 𝑇 𝐷 𝑑 𝑒(𝑡) 𝑑 𝑡 ] - Hàm truyền đạt của bộ điều khiển PID:
𝑇 𝐼 𝑠+ 𝑇 𝐷 𝑠) - Sơ đồ khối mô tả hệ thống:
Hình 4.8: Sơ đồ điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID
4.4.2 Vai trò các khâu tỷ lệ, tích phân, vi phân
Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bù khâu tỷ lệ càng lớn Nếu độlớn của khâu tỷ lệ càng cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, độ lợi 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 Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống
→ Giá trị càng lớn thì đáp ứng càng nhanh do đó sai số càng lớn, bù khâu tỉ lệ càng lớn
Một giá trị độ lợi tỉ lệ quá lớn sẽ dẫn đến quá trình mất ổn định và dao động
Vai trò của khâu tỷ lệ
Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ sai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi tích phân Ki
→ Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định
Vai trò của khâu tích phân
Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủ lớn
Vai trò của khâu vi phân
▪ Tác động của việc tăng giảm một số thông số độc lập:
Thông số Thời gian tăng Quá độ
Sai số ổn định Độ ổn định
Kp Giảm Tăng Thay đổi nhỏ Giảm Giảm cấp
Ki Giảm Tăng Tăng Giảm đáng kể
Kd Giảm ít Giảm ít Giảm Về lý thuyết không tác động
Cải thiện nếu Kd nhỏ
4.4.2 Thiết kế PID controller theo phương pháp thực nghiệm (phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất)
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất sử dụng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của đối tượng điều khiển
Phương pháp này có nhiệm vụ xaccs định các tham số Kp, Ti, Td cho bộ điều khiển PID trên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt G(s) về dạng (1), để hệ kín nhanh chóng trở về chế đọ xác lập và đọ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá một giá trị cho phép, khoảng 40% so với ℎ ∞ = lim
Ba tham số L(hằng số thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) và T(hằng số thời gian quán tính) của mô hình xấp xỉ (1) có thể xác định gần đúng bằng hàm quá độ h(t)
L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích 1(t) tại đầu vào
K là giá trị giới hạn ℎ ∞ = log 𝑡→∞ ℎ(𝑡)
Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức là điểm trên trục hoành có đọ dài bằng L
KHi đó T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt giá trị k
Như vậy ta có thể thấy là để áp dụng được phương pháp xấy xỉ mô hình bậc nhất có trễ, đối tượng đã phải ổn định và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng hình chữ S
Sau khi đã tính được các thông số trên, bộ điều khiển PID có dạng:
Việc sử dụng công cụ mô phỏng số Matlab đã tích hợp sẵn công cụ thiết kế bộ điều khiển PID Kết quả của việc thiết kế bộ PID tự động dùng Matlab&Simulink như sau:
Hình 4.10: Đáp ứng của hệ thống khi có BĐK PID của bàn X
Qua đồ thị ta nhận xét như sau:
-Khi cho bộ điều khiển vào thì độ vọt số sẽ được giảm xuống đáng kể -Thời gian quá độ của hệ nhanh hơn
44 Qua đồ thị trên ta thấy:
-Kp : điều khiển tỷ lệ có ảnh hưởng làm thời gian đầu quá độ (thời gian hệ thống cần đạt được từ 10% → 90% giá trị ổn định hoặc giá trị cuối cần đạt) và tăng độ quá điều chỉnh thời gian đạt đến sai số cho phép tăng (thường là 5%) sai lệch cuối cùng không đổi Kp tăng thì thời gian quá độ tqđ sẽ giảm,độ quá điều chỉnh tăng ,độ vột lố sẽ tăng
-Ki : điều khiển tích phân Khi Ki tăng làm thời gian quá độ giảm, độ quá điều chỉnh tăng -Kd : điều khiển vi phân.Khi Kd tăng làm thời gian đầu quá độ giảm, độ quá điều chỉnh tăng
Kết luận:Nhìn vào đồ thị đáp ứng bước nhảy của bàn máy X khi có bộ điều khiển PID ta thấy cơ hệ bám tốt tín hiệu đầu vào.
Xác định hàm truyền và xét tính ổn định đối với bàn máy Y
- Khối lượng phôi: 𝑚 = 𝐺 𝑋 + 𝐺 𝑌 + 𝑃 max = 640 (𝑘𝐺) - Hệ số ma sát: 𝑓 = 0,1
4.5.2 Phương trình vi phân toán học của hệ thống
𝐹 𝑚𝑠 = 𝑓𝑚𝑔𝑥̇ Với: 𝑓 là hệ số ma sát ( 𝑓 = 0,1)
• Kc : Hệ số độ cứng của khớp nối (nối trục động cơ ra trục vít me) Ta cần chọn khớp nối có độ cứng càng cao càng tốt phù hợp với cơ cấu truyền động để động cơ có thể truyền tốt mô men sang trục vít me
𝛿 𝑎𝑜: Hệ số độ cứng của ổ bi Trong đó:
3𝐹 𝑎𝑚𝑎𝑥 : Tải trọng đặt trược lên ổ + 𝛿 𝑎𝑜 = 𝑘 × 𝐹 𝑎𝑜
2 3 : 𝑘 = 242 (𝑘𝑔𝑓/𝜇𝑚) tra trên Catalog của hang PMI
• Kn : Hệ số độ cứng của đai ốc bi
• Ks : Hệ số độ cứng của vít me bi
+ A: Diện tích mặt cắt ngang trục vít me
+ 𝐸: Hệ số modul Young (𝐸 = 2 × 10 11 (𝑘𝑔𝑓/𝑚𝑚 2 )) + 𝐿: Khoảng cách gá đặt (𝐿 = 850 (𝑚𝑚))
Từ đó ta có kết quả độ cứng ở bảng sau :
2𝜋 – 𝑓𝑚𝑔𝑥̇(𝑡) Sử dụng toán tử Laplace 2 vế của phương trình ta được:
4.3.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền 4.3.4.1 Kiểm tra sự ổn định của hệ hở:
Ta thấy các hệ số của đa thức A(s) = 640𝑠 2 + 14209,25𝑠 + 588240 đều lớn hơn và khác 0 Vậy thỏa mãn điều kiện cần của tiêu chuẩn Routh
Và ta có tất cả các nghiệm của đa thúc A(s) là: −11,1 + 28,2𝑖 và −11,1 − 28,2𝑖 đều nằm bên trái trục ảo → Vậy ta có hệ Gh(s) ổn định theo tiêu chuẩn Routh
4.3.4.2 Kiểm tra sự ổn định của hệ kín:
Hình 4.11: Đồ thi Nyquist bàn Y Ta thấy đồ thị Nyquist không bao điểm (-1+0j) → Vậy hệ kín Gk(s) ổn định
48 Dùng lệnh isct(sys) để kiểm tra tính ổn định Ta nhận được giá trị “1” chứng tỏ hệ thống ổn định
Hình 4.12: Đồ thị Bode bàn Y
Nhận xét: để hệ kín ổn định thì theo tiêu chuẩn Bode: thì góc pha (𝜑) : - π < 𝜑 < 0 →Hệ kín ổn định
Hình 4.13: Đồ thị Step bàn Y Nhận xét: Biên độ 𝐴 = 0,00205 ,Thời gian xác lập 𝑇 𝑠 = 0,113(𝑠)
▪ Đồ thi Impulse ( đáp ứng xung Dirac): đồ thị đáp ứng của hệ thống khi có xung ở đầu vào
Hình 4.14: Đồ thị Impulse Bàn Y
Thiết kế bộ điều khiển PID (Proportional Integral Derivative) cho bàn máy Y
Tương tự như bàn máy X ta có:
Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất sử dụng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của đối tượng điều khiển
Phương pháp này có nhiệm vụ xaccs định các tham số Kp, Ti, Td cho bộ điều khiển PID trên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt G(s) về dạng (1), để hệ kín nhanh chóng trở về chế đọ xác lập và đọ quá điều chỉnh ∆h không vượt quá một giá trị cho phép, khoảng 40% so với ℎ ∞ = lim
Ba tham số L(hằng số thời gian trễ), K (hệ số khuếch đại) và T(hằng số thời gian quán tính) của mô hình xấp xỉ (1) có thể xác định gần đúng bằng hàm quá độ h(t)
L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích 1(t) tại đầu vào
K là giá trị giới hạn ℎ ∞ = log 𝑡→∞ ℎ(𝑡)
Gọi A là điểm kết thúc khoảng thời gian trễ, tức là điểm trên trục hoành có đọ dài bằng L
KHi đó T là khoảng thời gian cần thiết sau L để tiếp tuyến của h(t) tại A đạt giá trị k
Như vậy ta có thể thấy là để áp dụng được phương pháp xấy xỉ mô hình bậc nhất có trễ, đối tượng đã phải ổn định và ít nhất hàm quá độ của nó phải có dạng hình chữ S
50 Sau khi đã tính được các thông số trên, bộ điều khiển PID có dạng:
Hình 4.15: Bộ PID của bàn Y
Việc sử dụng công cụ mô phỏng số Matlab đã tích hợp sẵn công cụ thiết kế bộ điều khiển PID Kết quả của việc thiết kế bộ PID tự động dùng Matlab&Simulink như sau:
Hình 4.16: Đáp ứng của hệ thống khi có BĐK PID của bàn Y
Qua đồ thị ta nhận xét như sau:
-Khi cho bộ điều khiển vào thì độ vọt số sẽ được giảm xuống đáng kể -Thời gian quá độ của hệ nhanh hơn
51 Qua đồ thị trên ta thấy:
-Kp : điều khiển tỷ lệ có ảnh hưởng làm thời gian đầu quá độ (thời gian hệ thống cần đạt được từ 10% → 90% giá trị ổn định hoặc giá trị cuối cần đạt) và tăng độ quá điều chỉnh thời gian đạt đến sai số cho phép tăng (thường là 5%) sai lệch cuối cùng không đổi Kp tăng thì thời gian quá độ tqđ sẽ giảm,độ quá điều chỉnh tăng ,độ vột lố sẽ tăng
-Ki : điều khiển tích phân Khi Ki tăng làm thời gian quá độ giảm, độ quá điều chỉnh tăng -Kd : điều khiển vi phân.Khi Kd tăng làm thời gian đầu quá độ giảm, độ quá điều chỉnh tăng
Kết luận:Nhìn vào đồ thị đáp ứng bước nhảy của bàn máy X khi có bộ điều khiển PID ta thấy cơ hệ bám tốt tín hiệu đầu vào
MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THẲNG, VÒNG TRÒN VÀ GÓC VUÔNG BẰNG MATLAB SIMULINK
Tìm hiểu khối công cụ Simmechanics trong Matlab
Simmechanics là một công cụ của Matlab cho phép người dùng mô hình hóa được các chi tiết cơ khí, từ đó xây dựng được các bộ phận máy, các máy cơ khí
Sau đây sẽ trình bày một số thư viện trong Simmechanics được dùng trong đồ án này
▪ Khối Body Biểu diễn một vật thể cứng mà thuộc tính của nó là tùy ý bạn Sự miêu tả bao gồm các thông số:
• Khối lượng của vật thể và tensor quán tính
• Tọa độ trọng tâm của vật thể (CG)
• Một số hệ tọa độ body tùy ý (CSs) Trong SimMechanics, bạn nhập vào thuộc tính của Body theo 2 lớp, thuộc tính hình học và thuộc tính khối lượng:
• Thuộc tính hình học được xác định bởi hệ tọa độ Body của vật
Biểu diễn một khớp lăng trụ với một bậc tự do tịnh tiến
Khối Primastic biểu diễn một bậc tự do tịnh tiến đơn dọc trục được xác định giữa hai Body
Mục đích: biểu diễn một khớp không bậc tự do Hai Body đã được nối với các phía khác nhau, mà không thể chuyển động tương đối
53 Thông số quan trọng của khớp này là trục động và hệ tọa độ xác định trục đó
Thư viện Sensor và Actuators
Mục đích: tác dụng một lực /moment vào một Body
Khối Body Actuator kích hoạt một khối Body với tín hiệu lực suy rộng, thể hiện lực và moment tác động lên một Body
Lực suy rộng là một hàm theo thời gian đã xác định bởi một tín hiệu vào Simulink Tín hiệu này có thể là tín hiệu Simulink nào đó, bao gồm cả tín hiệu phả hồi từ khối Sensor
Cổng vào (Input) là để đƣa tín hiệu vào Simulink Cổng ra (Output) là cổng nói để bạn nối tới khối Body mà bạn muốn kích hoạt
▪ Khối Joint Actuator Khớp giữa hai Body thể hiện số bậc tự do giữa chúng Khối Joint Actuator kích hoạt một khối Joint kết nối giữa hai Body với một trong các tín hiệu sau: Một lực suy rộng
+ Lực cho chuyển động tịnh tiến dọc theo khớp lăng trụ nguyên thủy
+ Momen cho chuyển động quay quanh một khớp nguyên thủy quay Một chuyển động
+ Chuyển động tịnh tiến cho khớp nguyên thủy lăng trụ, dưới dạng vị trí, vận tốc và gia tốc
+ Chuyển động quay cho khớp nguyên thủy quay, dưới dạng góc quay, vận tốc góc và gia tốc góc
54 Khối To Workspace đưa ra một tín hiệu và ghi dữ liệu tín hiệu ra vào không gian làm việc của MatLab Trong quá trình mô phỏng, khối này ghi dữ liệu vào một vùng nhớ đệm bên trong Khi quá trình mô phỏng hoàn thành hoặc dừng lại thì dữ liệu đƣợc ghi vào không gian làm việc biểu tượng của khối thể hiện tên mảng mà dữ liệu đƣợc ghi vào Để xác định tên của biến không gian làm việc mà khối To Workspace ghi dữ liệu dùng thông số “Variable name” Để xác định dạng dữ liệu của biến, sử dụng thông số
Sau khi xây dựng mô hình 3D trong Solidworks, xuất sang file xml ta được mô hình hệ bàn máy gồm các khối sau :
Hình 5.1: Mô hình bàn báy sử dụng công cụ Simscape xuất từ file Solidworks
Giới thiệu về Simulink trong Matlab
Một hệ điều khiển phản hồi vòng kín có dạng như sau :
Các tín hiệu phản hồi về bộ điều khiển sẽ được dùng để tính toán các sai lệch và điều chỉnh các tín hiệu điều khiển để các sai lệch đó thỏa mãn các điều kiện về độ quá điều chỉnh, thời gian quá độ,…
Cấu trúc điều khiển PID có dạng:
Sơ đồ điều khiển PID có dạng như sau:
Gia công đường thẳng
Bộ điều khiển PID vị trí X
Bộ điều khiển PID vị trí Y
57 Thiết kế quỹ đạo chuyển động với di chuyển là đa thức bậc 3 theo thời gian
Ta có phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm 𝐴(𝑥 0 , 𝑦 0 ) ; 𝐵(𝑥 𝑒 , 𝑦 𝑒 )
𝑦 𝑒 − 𝑦 0 Với X,Y là tọa độ điểm đầu dao
➔ Phương trình đường thẳng AB: 𝑌 = 𝑦 𝑒 −𝑦 0
𝑥 𝑒 −𝑥 0 Để thỏa mãn điều kiện quỹ đạo và vận tốc, ta thiết lập quan hệ 𝑋 = 𝑥(𝑡) là đa thức bậc 3 theo thời gian: X=a0 + a1t + a2t 2 + a3t 3
S(0) : Tọa độ ban đầu với t=0 V(0) : Vận tốc ban đầu với t=0 S(te) : Tọa độ điểm cuối V(te): Vận tốc tại điểm cuối Ta lại có: Y = a.X+b
Suy ra X=x(t) cũng có điều kiện như quỹ đạo vậy
X(0): tạo độ của đầu dao theo phương x tại thời điể ban đầu VX(0): vận tốc đầu dao theo phương x tại thời điểm ban đầu X(te): Tọa độ đầu dao theo phương x tại thời điểm cuối VX(te): vận tốc đầu dao theo phương x tại thời điểm cuối
Gải hệ phương trình 4 ẩn: a0,a1,a2,a3 ta được:
Ví dụ: Cho đầu dao chạy từ điểm A(0,0) đến B(1,2) trong khoảng thời gian 𝑡 𝑠 = 2(𝑠)
Mục đích : vẽ các đồ thị thể hiện tương quan giữa các giá trị đặt và giá trị thực
- Từ các công thức bên trên, xác định các phương trình : 𝑋 𝑑 - tọa độ x đặt
𝑌 𝑑 - tọa độ y đặt 𝑉𝑋 𝑑 – vận tốc đặt theo phương x 𝑉𝑌 𝑑 – vận tốc đặt theo phương y
- Xây dựng khối simulink mô phỏng bộ điều khiển PID dựa theo số liệu đã tính chọn
- Dùng simmechanic để mô hình hóa cơ cấu chấp hành
Từ công thức trên ta xác định được các hệ số 𝑎 0 = 𝑎 1 = 0 ; 𝑎 2 = 3
Suy ra hàm quỹ đạo : { 𝑥(𝑡) = 3
Ta có mô phỏng matlab simulink: Lấy trong thư viện simulink ra các khối : subsystem, PID, Fcn, gain, scope, in, out, sum… kết hợp khối mô hình xuất từ simechanic để xây dựng các khối giải
▪ Khối Tín hiệu đặt: 4 đầu vào là giá trị đặt trước xd, yd, vxd, vyd
▪ Bộ điều khiển PID: các hệ số Kp, Ki, Kd đã được tính chọn từ phần trước
Sử dụng simmechanic trong solidwork để xuất ra khối mô hình của bàn máy Tín hiệu điều khiển từ khối PID được đưa vào điều khiển các động cơ, các sensor phản hồi lại giá trị thực tế của bàn máy x, y, vx, vy
→Ta có đồ thị mô phỏng: Đồ thị quỹ đạo đặt và quỹ đạo thực gia công đường thẳng
Kết luận: Chất lượng điều khiển tốt đáp ứng yêu cầu
Hình 5.2: Quỹ đạo đặt Hình 5.3: Quỹ đạo thực
Gia công đường tròn vòng tròn
Ta có phương trình đường tròn đi qua 2 điểm A(X0,Y0) ; B(Xe,Ye) nhận AB làm đường kính có phương trình [ ( x-xi ) 2 + ( y-yi) 2 = R 2 ]
2 ) là trung điểm của AB Bộ điều khiển PID vị trí
X Bộ điều khiển PID vị trí
2√𝑋 𝑒 2 − 2𝑋 𝑒 𝑋 0 + 𝑋 0 2 + 𝑌 𝑒 2 − 2𝑌 𝑒 𝑌 0 + 𝑌 0 2 Ta viết phương trình đường tròn dưới dạng tham số như sau:
{𝑥 = 𝑥 𝑖 + 𝑅𝑠𝑖𝑛(𝑎(𝑡)) 𝑦 = 𝑦 𝑖 + 𝑅𝑐𝑜𝑠(𝑎(𝑡)) (*) Cũng để thỏa mãn điều kiện về quỹ đạo và vận tốc quỹ đạo đặt cũng phải là bậc 3:
Và phải thỏa mãn điều kiện: {
Trong đó: S(0): tọa độ ban đầu ở thời điểm t=0 V(0): vận tốc ban đầu tại thời điểm t=0 S(te): tọa đọ điểm cuối tại thời điểm te
V(te): vận tốc điểm cuối tại thời điểm te
Trong đó: X(0): tọa độ đầu dao theo phương x tại thời điểm ban đầu VX(0): vận tốc đầu dao theo phương x tại thời điểm ban đầu X(te): tọa độ đầu dao theo phương x tại thời điểm cuối
VX(te): tọa độ đầu dao theo phương x tại thời điểm cuối Phương trinh (*) tương đương:
64 Gải phương trình 4 ẩn: a0 , a1 , a2 , a3 ta được: a1 = 0 ; 𝑎 0 = 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑖𝑛 ( 𝑥 0 −𝑥 𝑖
Ví dụ: cho đầu dao chạy từ điểm A(0,0) đến điểm C(4,0) trong khoảng thời gian ts=2(s)
Từ dữ liệu trên, ta tính được 𝑎 0 = −1.57 , 𝑎 1 = 0 , 𝑎 2 = 0.589 , 𝑎 3 = −0.098
Suy ra hàm quỹ đạo : {𝑥(𝑡) = 2+2sin(-1,57+0,589t 2 -0,098t 3 )
Sau đó ta cho các tín hiệu đặt vào và làm tương tự như phần vẽ đường thẳng ta có mô phỏng như sau:
67 Đồ thị quỹ đạo tròn của bàn máy
Kết luận: Chất lượng điều khiển tốt đáp ứng yêu cầu.
Gia công vuông
Viết các phương trình cạnh hình vuông tương tự như trong phần đường thẳng Ví dụ: gia công hình vuông
Hình 5.4: Quỹ đạo thực Hình 5.5: Quỹ đạo đặt
Sau đó ta cho các tín hiệu đặt vào và làm tương tự như phần vẽ đường thẳng ta có mô phỏng như sau:
70 Đồ thị quỹ đạo tròn của bàn máy
Kết luận: Chất lượng điều khiển tốt đáp ứng yêu cầu
Hình 5.5: Quỹ đạo đặt Hình 5.6: Quỹ đạo thực
XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN VỀ HOOME VÀ CHƯƠNG TRÌNH PLC TRÊN MỘT HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC CỤ THỂ
Giới thiệu về PLC và PLC S7-200
PLC là các chữ được viết tắt từ : Programmable Logic Controller Theo hiệp hội quốc gia về sản xuất điện Hoa kỳ ( NEMA- National Electrical Manufactures Association) thì PLC là một thiết bị điều khiển mà được trang bị các chức năng logic, tạo dãy xung, đếm thời gian, đếm xung và tính toán cho phép điều khiển nhiều loại máy móc và các bộ xử lý Các chức năng đó được đặt trong bộ nhớ mà tạo lập sắp xếp theo chương trình Nói một cách ngắn gọn PLC là một máy tính công nghiệp để thực hiện một dãy quá trình
6.1.2 Các đặc điểm nổi bật của PLC
- Các bộ PLC có kết cấu nhỏ gọn điều này rất thích hợp cho các tủ điều khiển nhỏ thay vì phải sử dụng các thiết bị truyền dẫn cồng kềnh như Rơle, các công tắc cứng
- Bộ PLC đặc trưng cho một máy tính có sự tiêu hao điện năng thấp, tốc độ truy cập nhanh và có tính linh hoạt cao
- PLC được trang bị ngôn ngữ lập trình rất tiện dụng cho người sử dụng đó là ngôn ngữ lập trình bậc thang Chính nhờ đó đã tạo ra sự ứng dụng rộng rãi của PLC Khi muốn thay đổi tính chất của công việc thì PLC có thể được lập trình lại để cho phù hợp với công việc đó
- Các bộ PLC rất thích hợp cho việc điều khiển bất kỳ một hệ thống thuỷ lực nào
- Khả năng chịu đựng trong môi trường làm việc công nghiệp tốt…
- PLC có độ tin cậy cao, ít bị hỏng hơn so với các Rơ le, sửa chữa cũng nhanh chóng và đơn giản hơn
- Do chưa tiêu chuẩn hoá nên mỗi công ty sản xuất ra PLC đều đưa ra các ngôn ngữ lập trình khác nhau, dẫn đến thiếu tính thống nhất toàn cục về hợp thức hoá
- Trong các mạch điều khiển với quy mô nhỏ, giá của một bộ PLC đắt hơn khi sử dụng bằng phương pháp rơle
6.1.3 Cấu trúc bên trong cơ bản của PLC
Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm (CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập, xuất CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong của PLC
Bộ xử lý trung tâm được trang bị đồng hồ có tần số trong khoảng từ 1 đến 8 MHz Tần số này quyết định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn thời gian và đồng bộ hóa tất cả các thành phần của hệ thống Thông tin trong PLC được truyền dưới dạng các tín hiệu số Các đường dẫn bên trong truyền các tín hiệu số được gọi là Bus Về vật lý bus là bộ dây dẫn truyền các tín hiệu điện Bus có thể là các vệt dây dẫn trên bản mạch in hoặc các dây điện trong cable bẹ CPU sử dụng bus dữ liệu để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ tới các vị trí truy cập dữ liệu được lưu trữ và bus điều khiển dẫn tín hiệu liên quan đến các hoạt động điều khiển nội bộ
Bus hệ thống được sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập, xuất
Cấu trúc của PLC được minh hoạ như sơ đồ sau
Hình 6.1: Cấu trúc của PLC
6.1.4 Cấu hình CPU tùy thuộc vào bộ vi xử lý Nói chung CPU có:
1 Bộ xử lý toán học và logic (ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán số học (cộng, trừ, nhân, chia) và các phép toán logic AND, OR, NOT, XOR
2 Bộ nhớ còn gọi là các thanh ghi, bên trong bộ vi xử lý, được sử dụng để lưu trữ thông tin liên quan đến sự thực thi của chương trình
3 Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán
Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC Thông tin được truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mỗi bit là một số nhị phân 1 hoặc 0, tương tự các trạng thái on/off của tín hiệu nào đó Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm bit tạo thành thông tin nào đó Vì vậy một từ 8 - bit có thể là số nhị phân 00100110 Cả 8- bit này được truyền thông đồng thời theo dây song song của chúng Hệ thống PLC có 4 loại bus
1 Bus dữ liệu: tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý của CPU Bộ xử lý 8- bit có 1 bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8- bit, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8-bit và phân phối các kết quả theo giá trị 8- bit
2 Bus địa chỉ: được sử dụng để tải các địa chỉ vào các vị trí trong bộ nhớ Như vậy mỗi từ có thể được định vị trong bộ nhớ, mỗi vị trí nhớ được gán một địa chỉ duy nhất Mỗi vị trí từ được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ ở vị trí nhất định để CPU có thể đọc hoặc ghi ở đó bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ được truy cập Nếu bus địa chỉ gồm 8 đường, số lượng từ 8-bit, hoặc số lượng địa chỉ phân biệt là 2 8 = 256 Với bus địa chỉ 16 đường số lượng địa chỉ khả dụng là 65536
3 Bus điều khiển: bus điều khiển mang các tín hiệu được CPU sử dụng để điều khiển Ví dụ để thông báo cho các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập hoặc xuất dữ liệu và tải các tín hiệu chuẩn thời gian được dùng để đồng bộ hoá các hoạt động
4 Bus hệ thống: được dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất
Bộ nhớ là nơi lưu chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển, dưới sự kiểm tra của bộ vi xử lý
Trong hệ thống PLC có nhiều loại bộ nhớ:
− Bộ nhớ chỉ để đọc ROM (Read Only Memory) cung cấp dung lượng lưu trữ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng
− Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM (Ramdom Accept Memory) dành cho chương trình của người dùng
− Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM dành cho dữ liệu Đây là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ thời gian chuẩn các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác
RAM dữ liệu đôi khi được xem là bảng dữ liệu hoặc bảng ghi
Một phần của bộ nhớ này, khối địa chỉ, dành cho các địa chỉ ngõ vào, ngõ ra, cùng với trạng thái của ngõ vào và ngõ ra đó Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, các giá trị của đồng hồ thời gian chuẩn, vv…
Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được EPROM (Electrical Erasable Programable ROM):
Là các ROM có thể được lập trình, sau đó các chương trình này được thường trú trong ROM
Người dùng có thể thay đổi chương trình và dữ liệu trong RAM Tất cả các PLC đều có một lượng RAM nhất định để lưu chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chương trình Tuy nhiên để tránh mất mát chương trình khi nguồn công suất bị ngắt, PLC sử dụng ắc quy nội để duy trì nội dung RAM trong một thời gian Sau khi được cài đặt vào RAM chương trình có thể được tải vào vi mạch của bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá nối với PLC, do đó chương trình trở thành vĩnh cửu Ngoài ra còn có các bộ đệm tạm thời lưu trữ các kênh nhập/xuất (I/O)
Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữ được
Ngôn ngữ lập trình cho PLC
6.2.1 Lược đồ hình thang LAD
75 Phương pháp lập trình PLC thông dụng dựa trên các sơ đồ thang Việc viết chương trình gần giống với việc vẽ các chuyển mạch điện Sơ đồ thang gồm hai đường dọc biểu diễn đường dẫn công suất Các mạch nối kết theo đường ngang (các nấc thang) giữa hai đường dọc này Để vẽ sơ đồ thang cần tuân theo các bước sau:
▪ Các đường dọc trên sơ đồ biểu diễn đường công suất, các mạch được nối kết giữa hai đường này
▪ Mỗi nấc thang xác định một hoạt động trong quá trình điều khiển
▪ Sơ đồ thang được đọc từ trái qua phải, từ trên xuống
Hình III.27 minh hoạ sự quét do PLC thực hiện Nấc thứ nhất được đọc từ trái sang phải, tiếp theo nấc thứ hai được đọc từ trái sang phải Khi ở chế độ hoạt động PLC sẽ đi từ đầu đến cuối của chương trình thang, nấc cuối của chương trình thang được ghi chú rõ ràng, sau đó chương trình lại được lặp lại từ đầu Quá trình lần lượt đi qua tất cả các nấc của chương trình được gọi là chu trình
▪ Mỗi nấc thang bắt đầu với một hoặc nhiều ngõ vào và kết thúc với ít nhất một ngõ ra
▪ Các thiết bị điện được trình bày ở điều kiện chuẩn của chúng vì vậy công tắc thường mở được trình bày trên sơ đồ thang ở trạng thái mở Công tắc thường đóng được trình bày ở trạng thái đóng
▪ Thiết bị bất kỳ có thể xuất hiện trên nhiều nấc thang Ví dụ có thể có rơle đóng mạch một hoặc nhiều thiết bị Các mẫu tự và/hoặc các số giống nhau được sử dụng để ghi nhãn mác cho thiết bị trong từng trường hợp
▪ Các ngõ vào và ra được nhận biết theo địa chỉ của chúng, kí hiệu tuỳ theo nhà sản xuất PLC Đó là địa chỉ ngõ vào hoặc ngõ ra trong bộ nhớ của PLC
76 Hình III.28 trình bày các ký hiệu tiêu chuẩn được sử dụng cho thiết bị nhập và xuất Ký hiệu này áp dụng cho mọi thiết bị được kết nối với ngõ vào Hoạt động của ngõ vào tương đương với việc đóng hoặc mở công tắc
Các ngõ ra được biểu diễn chỉ bằng một kí hiệu, bất kể thiết bị được kết nối với ngõ ra Để giải thích cách vẽ nấc sơ đồ thang, có thể xét trường hợp cấp điện cho thiết bị xuất, chẳng hạn động cơ tuỳ thuộc vào công tắc khởi động thường mở Ngõ vào là công tắc và ngõ ra là động cơ Sơ đồ thang thường bắt đầu với ngõ vào, có ký hiệu thường mở đối với các tiếp điểm của ngõ này không có các thiết bị nhập khác và nét vẽ kết thúc với ngõ ra, được vẽ bằng kí hiệu O Khi công tắc đóng, có tín hiệu vào, ngõ ra của động cơ được kích hoạt.
Liệt kê câu lệnh STL (Statement List)
Đây là ngôn ngữ dạng văn bản sử dụng các kí tự thông thường (các từ gợi nhớ) để mã hoá các lệnh Cấu trúc của các lệnh tương tự như ngôn ngữ Assembler dùng cho các bộ vi xử lý Các lệnh này bao gồm các địa chỉ của các bít mà trên đó các lệnh này sẽ tác động lên Ngôn ngữ STL bao gồm một dải rộng các lệnh dễ hiểu để lập trình một chương trình điều khiển hoàn chỉnh Ví dụ:
PLC Siemens S7 có đến 130 lệnh STL khác nhau và cả một dải rộng các địa chỉ phụ thuộc vào kiểu PLC được sử dụng
Lệnh STL có hai cấu trúc cơ bản:
- Cấu trúc chỉ có lệnh đơn thuần Ví dụ: NOT, … - Cấu trúc gồm cả lệnh và địa chỉ Ví dụ: LD I0.0, … Địa chỉ của mỗi lệnh chỉ thị một vị trí không thay đổi trong bộ nhớ, nơi mà lệnh đó tìm thấy giá trị và trên đó sẽ thực hiện các phép tính
Các lệnh lôgic nhị phân là các lệnh cơ bản nhất của bảng STL Các lệnh này thực hiện các phép lôgic trên các bít đơn độc trong bộ nhớ của PLC Các lệnh lôgic cơ bản của bít gồm: AND (A), AND NOT (AN), OR (O), EXCLUSIVE OR (OR), EXCLUSIVE OR NOT (XN) Các lệnh này kiểm tra trạng thái tín hiệu của bít địa chỉ để tạo ra hoặc là lôgic 1 (bít được kích hoạt) hoặc là
77 lôgic 0 (bít không được kích hoạt) Các lệnh lôgic bít còn gọi là các lệnh lôgíc rơle, vì chúng có thể thực hiện các tác động điều khiển thay thế cho các mạch lôgic rơle
Sơ đồ khối chức năng FBD (Function Block Diagram)
Sơ đồ khối của hàm lôgic là ngôn ngữ lập trình đồ hoạ Ngôn ngữ này cho phép người lập trình xây dựng các quy trình điều khiển phức tạp bằng cách lấy các hàm từ thư viện FBD và viết chúng vào một diện tích đồ hoạ Một khối hàm lôgíc biểu diễn quan hệ hay hàm giữa các biến đầu vào và đầu ra
Mỗi một hàm cơ sở có số lượng đầu vào/ra cố định trên các điểm nối Đầu vào được nối vào mặt bên trái của khối và đầu ra mặt bên phải Hàm cơ sở thực hiện các hàm đơn giản giữa các đầu vào và đầu ra của nó Kết quả của hàm lôgíc được chuyển đến đầu ra Tên của khối được ký hiệu bằng các ký tự Latinh
Ví dụ một số phần tử sơ đồ khối:
Giới thiệu về PLC S7-200 của Siemens
Trên thị trường hiện có bán rất nhiều loại PLC của nhiều hãng khác nhau, nhưng trong đó PLC của Siemens là thông dụng nhất, do vậy chúng em đã chọn PLC S7-200 của Siemens làm thiết bị điều khiển trung tâm của hệ thống
6.4.1 Các loại PLC S7-200 hiện đang bán trên thị trường
CPU 221 DC/DC/DC 6 Inputs/4 Outputs 6ES7 211 0AA23 0XB0 CPU 221 AC/DC/Relay 6 Inputs/4 Relays 6ES7 211 0BA23 0XB0 CPU 222 DC/DC/DC 8 Inputs/6 Outputs 6ES7 212 1AB23 0XB0 CPU 222 AC/DC/Relay 8 Inputs/6 Relays 6ES7 212 1BB23 0XB0 CPU 224 DC/DC/DC 14 Inputs/10 Outputs 6ES7 214 1AD23 0XB0 CPU 224 AC/DC/Relay 14 Inputs/10 Relays 6ES7 214 1BD23 0XB0 CPU 224 XP DC/DC/DC 14 Inputs/10 Outputs 6ES7 214 2AD23 0XB0
78 CPU 224 XP AC/DC/Relay 14 Inputs/10 Relays 6ES7 214 2BD23 0XB0
CPU 226 DC/DC/DC 24 Inputs/16 Outputs 6ES7 216 2AD23 0XB0 CPU 226 AC/DC/Relay 24 Inputs/16 Relays 6ES7 216 2BD23 0XB0
S7-200 CPU là sự kết hợp của chíp vi xử lý, mạch nguồn cung cấp tích hợp, mạch điện các tín hiệu vào, mạch điện các tín hiệu ra trong một khối (như hình 3.30) để tạo ra thiết bị vi điều khiển lập trình (Micro PLC) mạnh mẽ Sau khi bạn nạp chương trình của mình vào, S7-200 có chứa các vi chương trình cần thiết để giám sát, điều khiển các đầu vào, ra của thiết bị cho chương trình ứng dụng của bạn
Hình 6.2: Hình ảnh bên ngoài của một PLC
Siemens cung cấp các loại S7-200 khác nhau với nhiều tính năng và khả năng khác nhau, để giúp bạn tao ra các cách giải quyết hiệu quả cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Các khái niệm cơ bản về PLC S7-200
6.5.1 Tìm hiểu cách thức S7-200 thực hiện một chương trình logic
▪ S7-200 liên tục quét qua các giá tri logic trong chương trình của bạn, đọc và ghi dữ liệu
▪ S7-200 liên kết chương trình của bạn với các giá trị vật lý đầu vào và đầu ra
▪ S7-200 đọc các trạng thái đầu vào
▪ Chương trình được lưu trong S7-200 sử dụng các trạng thái đầu vào để điều khiển các trạng thái logic
▪ S7-200 đưa kết quả tới đầu ra
79 Hình 6.3: PLC và các thiết bị ngoại vi
Hình 6.3 miêu tả sơ đồ đấu nối đơn giản giữa đầu vào và đầu ra của S7-200 Trong sơ đồ này công tắc bật động cơ (nút chuyển mạch Start/Stop) được nối vơi một đầu vào Khi ta chuyển công tắc sang vị trí Start, S7-200 CPU sẽ đưa tới đầu ra tín hiệu cho phép chạy động cơ Khi ta chuyển công tắc sang vị trí Stop, S70-200 đưa tới đầu ra tín hiệu dừng động cơ
6.5.2 Cách S7-200 CPU thực hiện các nhiệm vụ trong một vòng quét
S7-200 CPU thực hiện các nhiệm vụ của nó có tính lặp đi lặp lại, chu kỳ lặp đó được gọi là vòng quét Nhờ khả năng thực hiện các nhiệm vụ theo vòng quét mà PLC có thể đưa ra các tín hiệu điều khiển ra thích hợp, kịp thời khi có sự thay đổi của tín hiệu vào
Trong một vòng quét S7-200 CPU thực hiện năm nhiệm vụ chính:
Hình 6.4: Vòng quét chương trình
80 1) Đọc các đầu vào: S7-200 copy tất cả các trạng thái của các đầu vào vật lý vào các thang ghi xử lí ảnh đầu vào
2) Thực hiện các điều khiển logic trong chương trình: S7-200 thực hiện các cấu trúc lệnh và lưu giữ các giá trị tính toán trong các vùng nhớ khác nhau
3) S7-200 thực hiện tất cả các yêu cầu về truyền thông
4) CPU tự thực hiện chuẩn đoán lỗi: S7-200 thực hiện kiểm tra để đảm bảo, các chương trình cơ sở (firmware), các vùng bộ nhớ, các đầu vào ra và các modun mở rộng hoạt động chính xác
5) Đưa kết quả ra: Các kết quả tính toán được lưu giữ tại vùng bộ nhớ thanh ghi xử lý ảnh đầu ra sẽ được đưa tới các đầu ra vật lý
6.5.3 Truy nhập dữ liệu của S7-200
S7-200 lưu giữ thông tin trong các vùng nhớ khác nhau có địa chỉ xác đinh duy nhất Điều đó cho phép chương trình của bạn có thể truy nhập trực tiếp vào các vùng dữ liệu trong S7-200
Truy nhập dữ liệu theo bit: cần xác định địa chỉ bao gồm:
+ Số thứ tự của bit
Ví dụ: Truy nhập địa chỉ theo bit của đầu vào I3.4 như hình III.33 bên dưới
Hình 6.5: Cách truy nhập theo bit
81 Cũng có thể truy nhập dữ liệu trong các bộ nhớ (V, I, Q, M, S, L và SM) theo các dạng byte (8 bit), word (16 bit), hoặc double-word (32 bit) thông qua định dạng truy nhập Để truy nhập các kiểu dữ liệu trên bạn cần phải thực hiện như sau:
- Xác định địa chỉ vùng nhớ: V, I, Q, M, S, L, SM
- Xác định kích thước dữ liêu: B = byte, W = word, D = double-word
- Xác định địa chỉ bắt đầu của dữ liệu
Hình 6.6: Cách truy nhập theo Byte, Word hay Double Word
Dữ liệu trong các vùng nhớ khác như T, C, HC, AC được truy nhập thông qua tên vùng nhớ và số thứ tự của đối tượng (vi dụ: T37, T38, AC0, AC1…)
6.5.4 Giới thiệu về các vùng nhớ:
Vùng nhớ thanh ghi xử lý ảnh vào (I): Tại thời điểm đầu mỗi vòng quét S7-200 copy các trạng thái của các đầu vào vật lý vào vùng nhớ I Vùng nhớ I có thể được truy nhập theo bit, byte, word, double-word
Vùng nhớ thanh ghi xử lý ảnh ra (Q): Tại cuối mỗi vòng quét S7-200 copy các giá trị được lưu trong vùng nhớ Q ra các đầu ra vật lý tương ứng Vùng nhớ Q có thể được truy nhập theo bit, byte, word, double-word
Vùng nhớ dữ liệu (V): Bạn có thể dùng vùng nhớ này để lưu giữ các kết quả tính toán trung gian của các biểu thức logic trong chương trình của bạn Bạn còn có thể dùng vùng nhớ V để lưu
82 giữ các dữ liệu liên quan đến quá trính xử lý các nhiệm vụ của bạn Vùng nhớ V được truy nhập theo các dạng bit, byte, word, double-word
Vùng nhớ bit (M): Vùng nhớ M được sử dụng như là các rơle điều khiển lưu trữ các trạng thái trung gian của các quá trình, hoặc các thông tin điều khiển Vùng nhớ M có thể được truy nhập theo bit, bite, word, double-word
Bộ đếm thời gian (T): S7-200 cung cấp các bộ đếm thời gian (đếm tiến) với độ chính xác khác nhau: 1ms, 10ms, 100ms Bộ nhớ thời gian có hai loại biến
- Biến lưu giá trị đếm tức thời (current value): Là thanh ghi 16 bit, lưu giữ các giá tri số nguyên có dấu của biến thời gian (tăng theo thời gian)
- Timer bit: Là bit nhớ của bộ đếm thời gian tương ứng, timer bit được bật hoặc tắt do kết quả so sánh giữa giá trị đặt trước và giá trị tức thời Giá trị đặt trước là một phần trong cấu trúc lệnh của bộ đếm thời gian
Bạn có thể truy nhập cả hai loại biến của bộ nhớ thời gian thông qua một địa chỉ (T + số bộ nhớ) Trong từng trường hợp trình biên dịch sẽ tự xác định đó là biến lưu giá trị tức thời, hay timer bit
Hình 6.7: Truy nhập Timer Bit và giá trị tức thời của biến thời gian
Vùng nhớ đếm (C) hay bộ đếm sự kiện: S7-200 cung cấp ba loại bộ đếm khác nhau Bộ đếm tăng lên một đơn vị khi có tín hiệu từ thấp lên cao tại chân vào của bộ đếm, bộ đếm tăng lên một đơn vi khi có tín hiệu từ cao xuống thấp tại chân vào của bộ đếm, bộ đếm tăng lên một đơn vị khi có xung lên hoặc xung xuống tại chân vào của bộ đếm Có hai biến đi kèm theo một bộ đếm sự kiện
- Thanh ghi giá trị hiện hành: Là thanh ghi 16 bit lưu giữ các giá trị đếm (số nguyên có dấu) tích luỹ của bộ đếm
Xây dựng sơ đồ thuật toán về Home
Điểm gốc 0 của máy ( điểm chuẩn M của máy) là điểm gốc của hệ tọa độ máy Điểm M được các nhà chế tạo quy định theo kết cấu của từng loại máy Điểm M là điểm giới hạn của vùng làm việc của máy Có nghĩa là trong phạm vi vùng làm việc của máy các dịch chuyển của các cơ cấu máy có thể thực hiện theo chiều dương của các tọa độ Ở các máy phay điểm M thường nằm ở điểm giới hạn dịch chuyển của bàn máy
Hình 6.10: Điểm 0 của máy phay CNC
Khi khởi động, kiểm tra nút Stop có được nhấn hay không, nếu không thì cho động cơ X, Y quay ngược cho đến khi đưa bàn máy về vị trí 0 ( được nhận biết bằng sensor) Khi đã về đến vị trí 0, động cơ X, Y quay thuận đến vị trí mong muốn.
