Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong hầu hết các hệ thống cơ khí và thủy lực đều hiện diện độ rơ (Backlash), Nguyên nhân là do các khoảng trống nhỏ tồn tại trong cơ chế truyền động cơ khí. Trong hệ thống truyền động cơ khí, luôn luôn tồn tại những khoảng trống nhỏ giữa một cặp bánh răng tiếp xúc với nhau. Điều này sẽ làm cho hệ thống thiếu chính xác. Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ trên tất cả các lĩnh vực thì các sản phẩm cơ khí ngày càng phải có yêu cầu cao hơn về chất lượng sản phẩm, mức độ tự động hoá sản xuất và đặc biệt là độ chính xác hình dáng hình học của sản phẩm. Vì vậy, các công nghệ gia công truyền thống trên các máy vạn năng khó đáp ứng tốt được nhu cầu ngày càng cao này và do đó sự cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường bị hạn chế. Thực tế đó đòi hỏi phải phát triển và nghiên cứu các công nghệ mới nhằm nâng cao độ chính xác hình dáng hình học nói riêng, nâng cao chất lượng sản phẩm chế tạo nói chung. Từ những nguyên nhân như trên, tác giả quyết định chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí ”. 2. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài này là nghiên cứu bộ điều khiển chính xác hệ thống cơ khí. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Hệ thống điều khiển truyền động có độ rơ.  Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ.  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển chính xác vị trí.  Thiết kế bộ điều khiển khử rơ.  Mô phỏng hệ điều khiển.  Thực nghiệm và kết luận. 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết điều khiển hiện đại để điều khiển hệ truyền động có độ rơ. Hệ truyền động có độ rơ gặp nhiều trong thực tế, việc áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại cho hệ này sẽ góp phần điều khiển hệ thống cơ khí chính xác, nâng cao năng suất lao động, nâng cao chất lượng và tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. 3 Chương 1 Nghiên cứu tổng quan các vấn đề liên quan 1.1. Đặt vấn đề Hệ thống truyền động cơ khí bao gồm các thành phần cơ bản : động cơ – hộp giảm tốc – khớp nối – visme – đai ốc – cơ cấu chấp hành,…Trong gia công cơ khí nói riêng và chế tạo máy nói chung, điều khiển chính xác vị trí (vận tốc, gia tốc) là yêu cầu quan trọng để có thể chế tạo máy tự động (CNC). 1.2 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu 1.2.1 Điều khiển chính xác trong cơ khí Gồm : Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Hình 1.1 Chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay Chuyển động tịnh tiến (tiến và lùi) Chuyển động quay 4 1.2.2 Nguyên nhân không chính xác trong điều khiển a. Sai số do vítme Cơ cấu chuyển động quay của động cơ được chuyển thành chuyển động tịnh tiến bằng vít me bi như trong hình 1.1. Vít me đai ốc có ma sát lớn hơn so với vít me bi. Vít me bi có đường xoắn vít, đai ốc và một số viên bi lăn giữa vít và đai ốc. Khi vít me quay, các viên bi truyền chuyển động dọc trục tới gối đỡ. Sai số động học trong đo vị trí bằng đầu mã hóa quay và vít me bi xuất phát chủ yếu từ sai số bước vít me. Sai số này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo vì bước của vítme bi liên quan trực tiếp tới chuyển động tuyến tính. . Hình 1.2 Sai số do vítme b. Độ biến dạng Trong hệ thống cơ khí, có hai loại sống dẫn hướng được sử dụng, sống dẫn hướng lăn và sống dẫn hướng trượt. Với sống dẫn hướng trượt, lực chuyển động ban đầu cao hơn để làm bàn máy chuyển động. Nếu sống dẫn hướng và các chi tiết dẫn động vít me bi không được đặt đối xứng. Với sống dẫn hướng trượt, ma sát trượt lớn và luôn luôn xuất hiện sai số do dính trượt. Sai số còn xuất hiện trong quá trình chế tạo sống dẫn hướng và sai số trong quá trình lắp ráp. Hình 1.3 Sai số do sống trượt Sống dẫn hướng lăn có ma sát nhỏ hơn loại trượt. Tuy nhiên sống dẫn hướng 5 lăn có khả năng dập rung động kém hơn loại sống trượt. Sống dẫn hướng thủy tĩnh có khả năng giảm áp lực. Các nguồn sai số chính gây ra bởi sống dẫn hướng là: Chế tạo không chính xác; - Mòn sống dẫn hướng; - Biến dạng tĩnh do khối lượng và lực cắt; - Biến dạng nhiệt do sự chênh lệch nhiệt độ. c. Độ rơ của bánh răng Thường xảy ra ở hộp số, sau thời gian sử dụng vị trí tiếp xúc giữa các bánh răng bị hao mòn gây nên độ rơ không mong muốn. Hình 1.4 Sai số do độ rơ của bánh răng d. Độ rơ do ổ đỡ Các loại đáp ứng khác nhau có thể dự đoán được phụ thuộc vào việc vít me bi có thể giãn ra dễ dàng hay không. Phần lớn hệ thống cơ khí sử dụng 3 loại ổ đỡ khác nhau để đỡ trục vít me. Có các ổ cố định tại một đầu và vít me giãn ra dễ dạng theo sự thay đổi của nhiệt độ. Ổ cố định hai đầu trục vít me làm cho trục vít me bị uốn khi nhiệt độ tăng. Loại ổ đỡ khác là một đầu cố định và đầu kia được đặt tải từ trước. Loại ổ đỡ này làm việc giống như loại ổ đỡ cố định hai đầu ở phạm vi lực nhất định và ngoài khoảng này nó làm việc như loại một đầu cố định và một đầu trượt. Các nguồn sai số liên quan đến ổ đỡ do góc nghiêng của ở vành ổ, sự đồng tâm của trục động cơ servo với các phần lắp ghép. e. Sai số do nhiệt Một máy công cụ thường hoạt động ở trạng thái không ổn định về nhiệt do 6 nhiệt xuất hiện từ nhiều nguồn. Mọi thay đổi về sự phân bố nhiệt độ của máy công cụ gây ra biến dạng do nhiệt và tác động đến độ chính xác gia công. Các nguồn nhiệt do ma sát như ma sát trong thiết bị truyền động và hộp tốc độ, ma sát ở ổ đỡ và sống dẫn hướng, nhiệt xuất hiện do quá trình gia công như quá trình cắt. Các nguồn nhiệt bên ngoài bao gồm bức xạ nhiệt, ánh nắng mặt trời hay nhiệt độ môi trường. Các nguồn nhiệt chính trong máy công cụ xuất phát từ: - Ổ lăn; - Bánh răng và dầu thủy lực; - Thiết bị dẫn động và li hợp; - Bơm và động cơ; - Sống dẫn hướng và vít me bi; f. Độ rơ do rung động tự do Tải tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công gây nên biến dạng tạo ra sai số hình học của chi tiết trong quá trình gia công. Độ cứng vững của máy cắt kim loại không hợp lý sẽ gây ra sai số về hình dạng của chi tiết gia công (Weck 1984). Đặc tính động không đồng đều sẽ dẫn đến hình thành các rung động, có thể dẫn đến làm xấu chất lượng bề mặt gia công tinh; tăng độ mòn máy, gãy dụng cụ và phá huỷ cả chi tiết gia công và máy. Dưới điều kiện gia công kéo dài, có hai loại rung động xảy ra: - Rung động cưỡng bức: Rung động cưỡng bức do sự mất cân bằng khi vật thể quay. - Tự rung: Hệ thống rung động tại một hoặc nhiều tần số khi không có các l ực bên ngoài. Khi tần số kích thích ở cùng tần số tự rung sẽ tạo ra hiện tượng cộng hưởng. g. Độ rơ do tải tĩnh và động Các tải tĩnh của máy công cụ là kết quả của lực gia công và khối lượng của chi tiết gia công, khối lượng của bàn dao, các thiết bị và các thành phần máy. Tải trọng tĩnh và khối lượng của chi tiết gia công tạo ra sự biến dạng, gây ra các sai số hình học. 7 Các lực dẫn đến sự biến dạng của bộ phận dẫn động gây ra sự dịch chuyển vị trí bàn dao. Chúng gồm các lực quán tính gây ra bởi gia tốc của cơ cấu trượt, lực gia công và ma sát trong trục chính (Weck 1984). Các nhân tố động khác như mômen xoắn của động cơ, bộ khuếch đại của cơ cấu dẫn động.v.v cũng ảnh hưởng tới hệ thống điều khiển vị trí. i. Độ rơ do hệ thống điều khiển truyền động servo Dữ liệu đầu vào được chuyển đổi bởi hệ thống điều khiển thành mã đầu ra ở dạng điện áp xung (PPS). Dữ liệu này dùng để dẫn động bàn quay hoặc cơ cấu chấp hành khác tới vị trí đã được lập trình. Hệ thống dẫn động servo đóng vai trò quan trọng tới độ chính xác gia công. Động cơ servo và cơ cấu dẫn động trục vítme thường được ghép trực tiếp với nhau. Các cơ cấu dẫn động bằng đai răng cũng được sử dụng rộng rãi. Vị trí thực được đo bằng cơ cấu đo đường dịch chuyển và được truyền đi dưới dạng tín hiệu số. Một hạn chế chính với cả hai hệ thống đo là sự định vị trí điểm đo và đầu dụng cụ có sự sai lệch về khoảng cách. Vì sai lệch về khoảng cách này, các sai số bước nhỏ đã được khuếch đại dựa trên độ lệch (ảnh hưởng Abbe). Sự khuếch đại sai số phụ thuộc vào vị trí kẹp chi tiết gia công. Cả bộ mã hoá quay và tuyến tính đều không thể dò được các ảnh hưởng của sai số Abbe. Đề tài tập trung nghiên cứu độ rơ trong chuyển động quay và tịnh tiến. 1.3 Backlash và hiệu chỉnh - Backlash (rơ) là chuyển động vô ích xảy ra khi hai bộ phận động phải thực hiện một quãng đường trước khi tiếp xúc và làm cho bộ phận khác hoạt động. Tất cả các thiết bị cơ khí đều có một điểm trung tính giữa chuyển động hoặc quay theo chiều dương và âm (cũng giống như động cơ trước khi đảo chiều thì vận tốc phải giảm về 0). 8 Tiến /dừng Bắt đầu quay lùi / số lượng n xung bù gửi thêm n xung bù gửi thêm Lùi /dừng Bắt đầu quay tiến / số lượng n xung bù gửi thêm n xung bù gửi thêm Tiến/dừng Xét một chuyển động tịnh tiến lui và tới như trong hình sau: Hình 1.5 Chuyển động tịnh tiến lui và tới Chuyển động tính tiến này được điều khiển bởi một động cơ. Chuyển động tới và lui được giới hạn bởi một khoản trống như trong hình. Như vậy động cơ sẽ quay theo chiều dương hoặc chiều âm theo một số vòng nhất định để chuyển động của thanh quét lên toàn bộ khoản trống đó nhưng không Encoder Motor Encoder Encoder Motor Motor Motor Motor Encoder Encoder 9 được vượt quá khoản trống (đây là một trong những điều kiện cốt lõi của việc điều khiển động cơ). Giới hạn này được gọi là backlash. Tuy nhiên trong thực tế độ động cơ quay những vòng chính xác để con trượt trựơt chính xác và quét lên toàn bộ khoản trống trên là rất khó thực hiện nếu không có một sự bù trừ cho nó. Đề tài được thực hiện với mục đích tạo ra bộ điều khiển khử rơ bàn máy có độ chính xác đáp ứng được yêu cầu thực tế. Đồng thời có thể tạo ra một sản phẩm giúp ích cho việc nghiên cứu phương pháp điều khiển khử rơ cho sinh viên. Do hạn chế về nhiều mặt nên đề tài giới hạn ở các phần như sau: - Thiết kế mạch điện tử, gồm module điều khiển trung tâm và module điều khiển động cơ DC. - Lập trình chương trình điều khiển khử rơ cho vi điều khiển dsPIC30F4011. - Thiết kế chương trình giám sát qua máy tính. - Khi vị trí thực được encoder nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ dùng trong mô hình liên tục được điều khiển sao cho sai số vị trí giữa vị trí cần và vị trí thật là nhỏ nhất. Hình 1.6 Sơ đồ khối mô hình thực nghiệm Bộ điều khiển vị trí Động cơ DC Thước quang học Bàn trượt Tải Hộp Số PWM Driver PC Vitme bi RS232 10 Hệ rơ Chương 2 : Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ 2.1 Mô hình hóa hệ thống Hình 2.1 Hệ thống cơ khí cần điều khiển Hình 2.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí có độ rơ Bộ điều khiển vị trí Động cơ DC Thước quang học r Bàn trượt Tải y Hộp Số e Driver PWM Vitme bi  M J M B M T M T L Động cơ DC Bộ giảm tốc Bộ truyền trục vít – đai ốc k  L J L B B L [...]... đồ kết nối hệ thống điều khiển Driver RS232 PWM Vi điều khiển dspic30f4011 QEI UART Hình 3.6 Sơ đồ kết nối hệ thống điều khiển 3.5 Lưu đồ điều khiển hệ thống Bắt đầu Nhập thông số giá trị đặt, kp, ki, kd Bộ điều khiển Xử lý thông số kp, ki, kd Và xuất tín hiệu điều khiển Hệ thống cơ khí Kết thúc Hình 3.7 Lưu đồ điều khiển hệ thống Encoder 25 Chương 4 : Mô phỏng hệ điều khiển 4.1 Mô phỏng hệ thống không... điều khiển PID để điều chỉnh sai lệch giữa giá trị đo được của hệ thống (process variable) với giá trị đặt (setpoint) bằng cách tính toán và điều chỉnh giá trị điều khiển ở ngõ ra Sơ đồ một hệ thống điều khiển dùng PID: r e Bộ điều khiển vị trí Hệ rơ v F Động cơ DC và bộ giảm tốc u Hệ thống cơ khí y Hệ thống đo lường Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống điều khiển dùng PID 3.1.1 Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển. .. độ rơ của hệ thống cơ khí theo hình 5.2 Từ kết quả mô phỏng ở chương 4 và mục đích của đề tài Ta dễ dàng nhìn thấy đáp ứng ở bộ điều khiển PI là phù hợp để điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí vì không có độ vọt lố Bàn trượt DC motor Bộ nguồn Thước quang MCU & Driver Hình 5.1 Mô hình thực nghiệm hệ thống cơ khí 30 5.2 Tìm độ rơ của hệ thống cơ khí cần điều khiển Hình 5.2 Vị trí xung đặt và giá... ra hệ thống có bộ điều khiển PID và backlash =1,1 Hình 4.4 b)Đáp ứng đầu ra hệ thống cơ khí có bộ điều khiển PID có vọt lố 29 Chương 5 : Thực nghiệm và kết luận 5.1 Mô hình thực nghiệm hệ thống Gồm động cơ – hộp giảm tốc – khớp nối – visme – đai ốc – Bộ điều khiển vị trí – thước quang – bộ nguồn – máy vi tính cài giao diện điều khiển Để thực nghiệm việc đầu tiên tác giả làm là xác định độ rơ của hệ thống. .. mạch điện điều khiển cho toàn hệ thống – Hoàn thành chương trình điều khiển của vi điều khiển dspic30f0411 – Hoàn thành chương trình điều khiển giám sát trên máy tính – Tính toán và điều chỉnh bộ điều khiển PID vị trí Tuy nhiên đề tài vẫn còn một số hạn chế: Chương trình giám sát vẫn còn ở dạng bản thử nghiệm, chưa hoàn thiện các chức năng cần có 5.3.2 Hướng phát triển của đề tài Nghiên cứu các thông... ảnh hưởng độ chính xác của hệ thống cơ khí còn lại như độ biến dạng,… Xây dựng bộ điều khiển vị trí khác mà các thông số được minh chứng qua thực nghiệm không phải qua mô hình hóa Đó là xây dựng hàm GI(s) xác định bởi nhận dạng hệ thống, hàm này sẽ chứa toàn bộ các thông số còn lại ảnh hưởng đến độ chính xác 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Huỳnh Thái Hoàng – Nguyễn Thị Phương Hà Lý thuyết điều khiển tự động... 𝑎 + 𝑅 𝑎 𝐾𝑖 Te + + 1/𝐾 𝑒 𝑠𝐽 + 𝐵  1 𝑠 Backlash Phần điện Hình 2.4 Sơ đồ mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ Phần cơ khí  14 2.2 Đặc tính độ rơ (backlash) Backlash (rơ) thường xảy ra trong hệ thống truyền động cơ khí Nguyên nhân là do các khoảng trống nhỏ tồn tại trong cơ chế truyền động cơ khí Trong hệ thống truyền động cơ khí, luôn luôn tồn tại những khoảng trống nhỏ giữa một cặp bánh răng tiếp xúc với... Thông số Kp, Ki, Kd của hệ thống Thông số Kp Ki Kd P 4,9  0 PI 4,410 0,007 0 PID 5,880 0,004 0,001 5.3 Kết quả nhận được khi thực nghiệm trên ba thông số của bảng 5.1 Hình 5.3 Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển P chưa bằng vị trí đặt Nhận xét :  Ta có số xung sai lệnh là 639 – 626 = 13  Suy ra độ rơ là 13 x 5µm = 65 µm 32 Hình 5.4 : Đáp ứng hệ thống cơ khí với bộ điều khiển PI không có vọt... điều khiển tốc độ hệ thống: v(t), 𝑣̇ ( 𝑡 ) duy nhất xác định u(t), 𝑢̇ ( 𝑡 ), và các kiến thức về 𝑣̇ ( 𝑡 )là cần thiết để xác định chuyển động của tín hiệu B(.) trên đoạn nằm ngang là bằng 0 Hình 2.9 Mô hình hóa đặc tính rơ 18 Chương 3 : Thiết kế bộ điều khiển khử rơ 3.1 Giới thiệu bộ điều khiển PID: Bộ điều khiển PID là một bộ điều khiển vòng kín được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp Sử dụng bộ điều. .. 3.2.1 Tính toán hàm truyền hệ thống Để đánh giá ảnh hưởng của rơ đến chất lượng của hệ thống điều khiển cơ khí và từ đó có thể tìm ra những giải pháp khắc phục, ta tiến hành khảo sát một hệ truyền động có rơ có sơ đồ khối như hình 3.4 Trong đó khối dẫn động là động cơ một chiều có các thông số cho trong bảng 3.1, tải là một khâu quán tính có hàm số truyền Bảng 3.1 Hằng số của hệ thống Ke Ki Ti Te T 0,65 . chọn đề tài nghiên cứu là: Nghiên cứu điều khiển chính xác vị trí hệ thống cơ khí ”. 2. Mục đích của đề tài Mục đích của đề tài này là nghiên cứu bộ điều khiển chính xác hệ thống cơ khí. 3 nghiên cứu  Hệ thống điều khiển truyền động có độ rơ.  Mô hình hóa hệ cơ khí có độ rơ.  Nghiên cứu lý thuyết điều khiển chính xác vị trí.  Thiết kế bộ điều khiển khử rơ.  Mô phỏng hệ. hình hóa hệ thống Hình 2.1 Hệ thống cơ khí cần điều khiển Hình 2.2 Mô hình hóa hệ thống cơ khí có độ rơ Bộ điều khiển vị trí Động cơ DC