nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay cnc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC TẠ MINH TIẾN THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên : Tạ Minh Tiến Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Võ Quang Lạp THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên htt p :// w w w. l rc -tnu. e d u. v n ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** Độc lập - Tự do - Hạnh phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: NGHI ÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên: Tạ Minh Tiến Lớp: CHK8 Chuyên ngành: Tự động hoá Người HD khoa học: PGS. TS. Võ Quang Lạp Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hoàn thành: 30/4/2008 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Nguyễn Văn Hùng PGS.TS. Võ Quang Lạp Tạ Minh Tiến DANH MUC CAC HINH VE VA ĐÔ THI Hình vẽ Tên hinh ve Trang Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC 1 Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 2 Hình 1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 5 Hình 1.4 Sơ đô nguyên ly của 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z) 6 Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số 7 Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC 9 Hình 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC 9 Hình 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC 10 Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 11 Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy 12 Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC 14 Hình 1.12 Hệ DNC 15 Hình 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm 17 Hình 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 21 Hình 2.2 Các điểm Reference Marks trên Encoder 22 Hình 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối giữa công tác trượt và một đầu của dây điện trở. 23 Hình 2.4 Bộ đo góc, môt loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó là một hàm lượng giác của vị trí trục roto θ. Hai cuộn roto đặt cách nhau 90 0 , hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 90 0 24 Hình 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn mạch 24 Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp 25 Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian 26 Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số 26 Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital 26 Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu (Heidenhain) 27 Hình 2.11 Phương pháp nội suy dùng bộ tính toán arctang 28 Hình 2.12 Phương pháp nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29 Hình 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 29 Hình 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36 Hình 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (α,β) 38 Hình 3.3 Hệ tọa độ cố định trên stator (α,β) và hệ toạ độ cố định trên rotor(x,y) 39 Hình 3.4 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định stator (α,β) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 40 Hình 3.5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (α,β) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q). 42 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 47 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 48 Hình 3.8 Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 48 Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần 51 Hình 3.10 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ. 52 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 53 Hình 3.12 Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 54 Hình 3.13 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của hệ thống điều chỉnh tốc độ shai mạch vòng kín. 55 Hình 3.14 Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ thống điều chỉnh tốc độ a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng. b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 56 Hình 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60 Hình 3.16 Ảnh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá trình khởi động. 1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng 2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân 61 Hình 3.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng tốc độ quay có cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay: a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu 61 b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá Hình 3.18 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có cài đặt suất biến đổi dòng điện. ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện. CD – khâu vi phân dòng điện 65 Hình 3.19 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65 Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi dòng điện 66 Hình 4.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 68 Hình 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 69 Hình 4.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 70 Hình 4.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 71 Hình 4.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 72 Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 72 Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn: a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện 73 Hình 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu 74 Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bán dẫn thyristor a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng. 75 Hình 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 76 Hình 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77 Hình 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78 Hình 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80 Hình 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82 Hình 4.15 Quan hê giưa ∆ϕ và ω 83 Hình 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87 Hình 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào ϕ đặt = 10(V), I = 0(A) 88 Hình 4.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vào ϕ đặt = 10V, I = 8,7 A 89 Hình 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 91 Hình 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 94 Hình 5.3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra 96 Hình 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I 101 Hình 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 101 Hình 5.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 102 Hình 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103 Hình 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí 105 Hình 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt 106 Hình 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106 Hình 5.11 Các luật điều khiển mờ 106 Hình 5.12 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ. 107 Hình 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 108 Hình 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 108 Hình 5.15 Kết quả mô phỏng với ϕ đặt = 10V, I = 0A 109 Hình 5.16 Kết quả mô phỏng với ϕ đặt = 10V, I = 8,7A 110 MƠ ĐÂU Ngày nay , cuôc cach mang khoa hoc ky thuât trên thê giơi đang phat triên vơi tôc đô vu bao , không ngưng vươn tới những đỉnh cao mơi, trong đo co nhưng thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất . Đa sô cac may côn g cu hiên đai đươc điêu khiên theo chương trinh sô . Đây la nhưng điêu kiên ky thuât cơ ban để thực hiên nhưng điêu kiên tư đông hoa linh hoat trên tưng may công cụ điều khiển số riêng le , hay cac trung tâm điêu khiên sô cũng như việc g hép nối chúng thành môt hê thông linh hoat , điêu khiên liên thông băng may tinh ghep nôi mạng. Vơi tiên bô mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý đã tạo điều kiện nâng cao vượt bậc công năng cua hê điêu khiên sô , đông thơi vơi viêc ngay cang giam vê gia thanh của bộ điều khiển này. Cụm vi xử lý với tư cách là bộ phận chính yếu của thiết bị và các bo mạch ghép nối ngoại vi là những phần cứng không thể thiếu được trong cac máy công cụ CNC. Trong cac nha may xi nghiêp côn g nghiêp ơ nươc ta hiên nay máy phay CNC nói riêng và may công cụ điều khiển số CNC nói ch ung ngày càng được sử dụng rông rai . Viêc phat huy hiêu qua sư dung , bảo dưỡng vân hành máy là vấn đề đăc biêt quan tâm cua chung ta . Muôn phat huy đươc hiêu qua tôi đa khả năng thiết bị cũng như việc cải tiến nó cho phù hợp vơi điêu kiên môi trương va con ngươi Viêt Nam đoi hoi phai có sự hiểu biêt sâu săc vê may công cu CNC . Viêc “Nghiên cưu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC ” có một ý nghĩa rât lơn trong ng ành tự động hóa . Đo chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao h ọc của tôi. Luận văn này được chia thành 5 chương sau: Chương I - Tổng quan về máy công cụ CNC. Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC. Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC. Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ điều khiển mờ lai. Tôi xin bay to long biêt ơn chân thanh tơi PGS .TS Vo Quang Lap đ ã hướng dân tân tinh , chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luân văn nay . Xin gưi lơi cam ơn tơi tât ca các Thầy các cô Khoa sau đai hoc , Khoa điện và các bạn đồng nghiệp Trương ĐHKT Công nghiêp Thai Nguyên. Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008 Tác giả luận văn Tạ Minh Tiến 1 CHƢƠNG I TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC 1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC. 1.1.1 Cơ sở của máy CNC. Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ của bàn máy và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch chuyển của bàn máy theo trục X trên hình 1.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác định được toạ độ chính xác của các trục máy. Z Y X Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC Trong hệ toạ độ đề các được xây dựng trên ba trục toạ độ vuông góc (X,Y,Z). Một điểm trong mặt phẳng được xác định bởi hai trục toạ độ, một điểm trong không gian được xác định bởi ba trục toạ độ (X,Y,Z) hình 1.2 cho biết các trục của máy được miêu tả như thế nào thông qua hệ toạ độ đề các và kí hiệu các trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải. Các máy công cụ CNC có thể điều khiển tới chín trục, đó là các trục (U,V,W) là các trục chuyển động thứ hai song song với các trục (X,Y,Z) còn các trục (A,B,C) là các trục quay quanh các trục (X,Y,Z). Ngoài ra, trong lập trình gia công còn xử dụng hệ toạ độ cực. Một điểm trong mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị là bán kính và góc trong hệ toạ độ cực. [...]... loại máy công tác, chủ yếu là các máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống vận chuyển cho toàn bộ quá trình, sao cho phạm vi giới hạn của hệ thống, một trình tự gia công khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chon tự do Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy. .. khiển máy công tác rẻ hơn nhiều (do máy tính chủ đã phụ trách một số công việc) Nhưng do lệ thuộc hoàn toàn vào máy tính chủ nên ít dùng Trong hệ DCN, nhiệm vụ cơ bản của máy tính trung tâm và quản lý tập trung các chương trình gia công CNC và phân phối đến các máy công tác Quá trình lưu trữ và cập nhật dữ liệu điều khiển số cho từng máy CNC trong hệ thống có tính tiện lợi và kinh tế Chức năng của một hệ. .. xuất linh hoạt là hệ thống có máy NC, thông thường là các máy CNC với bàn gá dao và bàn thay dao tự động Có khả năng giảm bớt thao tác cho người sử dụng Nhóm sản xuất linh hoạt ( FMC: Flexible Manufacturing Cell) Nhóm sản xuất linh hoạt bao gồm hai hay nhiều máy NC, tối thiểu là một CNC với bàn gá dao và cơ cấu cấp phôi, cấp dao tự động ở từng máy Điều khiển toàn bộ hoạt động của FMC do máy tính trung... thường dùng cho sản xuất hàng loạt, sản xuất nho và trung bình Hệ thống sản xuất linh hoạt ( FMS: Flexible Manufacturing System) Hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm một hay nhiều nhóm sản xuất linh hoạt có hệ thống vận chuyển tự động được điều khiển bằng máy tính Điều khiển toàn bộ hệ thông là máy tính điện tử trung tâm Hệ thống sản xuất linh hoạt thường dùng cho sản xuất trung bình và lớn Hệ thống sản... phát triển của bộ máy NC như CNC, DNC, các hệ thống FMC, FMS, kỹ thuật người máy và hệ thống phần mềm điều khiển tự động của máy tính điện tử đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống sản xuất tổng hợp (CIM) vào năm 1978 Hiện nay CIM chỉ phát triển ở các nước có nền công nghiêp phát triển CIM là một hệ thống sản xuất sử dụng trí tuệ nhân tạo tổng hợp ở trình độ cao các thiết bị sản xuất, các hệ thống thông tin... dựng thành một hệ thống sử dụng cho một mục tiêu - Các hệ thống băng tải nối liền với các đơn vị gia công - Hệ thống cấp phôi và dao tự động - Máy tính điện tử trung tâm Sự khác biệt giữa một máy CIM và NC là trình độ tự động hoá tổng hợp các quá trình công tác Ở các máy NC tự động hoá thì thực hiện trên từng phần công việc, không có mối quan hệ trực tiếp giữa các khâu công tác của những máy độc lập Ở... (Numerical Control) và CNC (Computer Numerical Control) Chuẩn bị số liệu cho lập trình Chuẩn bị số liệu cho lập trình Chương trình điều khiển Thiết bị tính toán và điều khiển Hệ truyền động điện tự động Hình 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC Trong hệ CNC (hình 1.7) chương trình điều khiển được đưa vào khối sao chương trình sau đó qua đầu vào đưa dến khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy Tín hiệu... giá trị mong muốn và giá trị thực Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển theo chương trình số Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến (online) nhiều máy CNC với một máy tính Máy tính chủ Bộ phận ghép nối Máy CNC Dữ liệu từ vật mang tin Máy CNC Hình 1.12 Hệ DNC Hệ DCN có thể trao... máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 1.1.2 Đặc điểm và phân loại Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo đặc điểm sau: - Truyền động: Thuỷ lực, khí và điện - Phương pháp điều khiển máy: Toạ độ hay quỹ đạo - Hệ thống định vị: Định vị kích thước nối tiếp và định vị tuyệt đối - Các vòng lặp điều khiển - Số trục toa độ Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy. .. Thiết bị cấp (tháo) phội tự động của máy 9 Băng tải phôi của máy 10 Hệ thống điều khiển của máy 11 Hệ thống truyền động của máy 12 Hệ thống đo lường 1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển số 1.2.1 Chƣơng trình gia công chi tiết Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ liệu Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang . CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC TẠ MINH TIẾN THÁI NGUYÊN 2008 Số hóa bởi Trung. CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên : Tạ Minh Tiến Người hướng dẫn khoa. về máy công cụ CNC. Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC. Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động