Đề tài Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy cho máy phay CNC

Momen quán tính quy đổi về trục động cơ .... Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền Gs.... Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền Gs.... Tính toán các lực riêng rẽ  Chuyển động đều, lực hư

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHO SỐ LIỆU: 5

CHƯƠNG I TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CƠ KHÍ 6

1.1 C HọN KIểU LắP ĐặT , TÍNH LựC CắT .6

1.2 T ÍNH TOÁN LựA CHọN TRụC VÍT , ổ BI Đỡ CHO TRụC .6

1.2.1 Điều kiện làm việc và các thông số sẽ được tính chọn 6

1.2.2 Tính toán lực dọc trục 7

a Máy chạy khi không gia công V1=25 m/min 7

b Máy chạy với vận tốc lớn nhất khi gia công V2=10 m/min 7

1.3 T ÍNH TOÁN TảI TRọNG .8

1.3.1 Tải trọng tĩnh 8

1.3.2 Tải trọng động C a 8

1.4 C HọN KIểU BI [4] 9

1.5 K IểM NGHIệM TRụC VÍT 10

1.5.1 Tuổi thọ làm việc 10

1.5.2 Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục 10

1.5.3 Tốc độ quay cho phép 10

1.5.4 Tính toán momen 11

1.5.5 Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít 12

1.5.6 Độ dịch do thay đổi nhiệt độ (mức điều chỉnh 3 o C) 12

1.6 T ÍNH CHọN ổ LĂN [6] 12

2 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN RAY DẪN HƯỚNG CHO BÀN X VÀ BÀN Y 13

2.1 T ÍNH CHọN RAY CHO BÀN X: 13

2.1.1 Các điều kiện đầu: 13

2.1.2 Tính toán các lực riêng rẽ 13

a Chuyển động đều, lực hướng kính 13

b Chuyển động tăng tốc sang trái, lực 14

c Chuyển động giảm tốc sang trái phụ 14

d Chuyển động tăng tốc sang phải 14

e Chuyển động giảm tốc sang phải 14

2.1.3 Tính toán tải tương đương 15

a Khi chuyển động đều 15

b Tăng tốc sang trái 15

c Giảm tốc sang trái 15

2.1.4 Tính toán tải trung bình 15

2.1.5 Tính tuổi thọ danh nghĩa 15

2.2 T ÍNH CHọN RAY CHO BÀN Y 15

2.2.1 Các điều kiện đầu 15

2.2.2 Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh 16

2.2.3 Tính toán tải trung bình Pm 16

2.2.4 Tính tuổi thọ danh nghĩa 16

CHƯƠNG II TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ SERVO 17

2.1 Đ IềU KIệN BAN ĐầU 17

2.2 T ÍNH TOÁN MOMEN QUY ĐổI 17

2.2.1 Momen ma sát quy đổi 17

2.2.2 Momen trọng lực quy đổi 18

2.2.3 Momen cắt quy đổi 18

2.2.4 Momen tải quy đổi 19

2

2.3.1 Momen quán tính của bàn máy 20

2.3.2 Momen quán tính của vít me đối với trục quay của chính nó 20

2.3.3 Momen quán tính của khớp nối 21

2.3.4 Momen quán tính quy đổi về trục động cơ 22

2.4 L ựA CHọN SƠ Bộ ĐộNG CƠ 22

2.4.1 Tiêu chí lựa chọn động cơ 22

2.4.2 Lựa chọn sơ bộ 22

2.5 K IểM NGHIệM ĐộNG CƠ 23

2.5.1 Kiểm nghiệm động cơ dựa vào momen gia tốc 23

a Tiêu chí kiểm tra 23

b Kiểm nghiệm 23

2.5.2 Kiểm nghiệm dựa momen hiệu dụng 24

a Tiêu chí kiểm tra 24

b Kiểm nghiệm 25

2.6 K ếT LUậN 25

CHƯƠNG III ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 27

3.1 B ÀN X 27

3.1.1 Xây dựng mô hàm truyền của hệ thống 27

a Thông số đầu: 27

b Phương trình toán học 27

3.1.2 Tìm hàm truyền đạt G(s) 29

3.1.3 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 29

a Kiểm tra sự ổn định của hệ hở 29

b Kiểm tra sự ổn định của hệ kín 30

c Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thường 31

3.1.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 32

a Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID 32

b Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 33

 Khâu tích phân 33

c Thiết kế PID controller theo phương pháp thực nghiệm (phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất) 35

3.2 B ÀN Y 37

3.2.1 Tìm hàm truyền của bàn Y 37

3.2.2 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 38

a Sự ổn định của hệ hở 38

b Sự ổn định của hệ kín 38

c Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thường 39

3.2.3 Thiết kế bộ điều khiển PID cho bàn Y 41

CHƯƠNG IV MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC 42

4.1 T ÌM HIểU KHốI CÔNG Cụ S IMMECHANICS TRONG M ATLAB 42

4.2 M Ô PHỏNG BÀN MÁY CHạY THEO QUỹ ĐạO MONG MUốN 44

4.2.1 Hai bàn phối hợp với nhau theo quỹ đạo đường thẳng trong t c (s) 44

b.Thiết kế quỹ đạo điểm tác động tác động cuối di chuyển theo đường tròn từ A đến B trong tc(s) lấy AB làm đường kính 48

CHƯƠNG V ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC TRÊN MIỀN THỜI GIAN 51

5.1 G IớI THIệU Về ĐIềU KHIểN LIÊN TụC TRÊN MIềN THờI GIAN 51

5.2 X ÂY DựNG MÔ HÌNH TOÁN HọC 51

5.3 P HÂN TÍCH TÍNH Hệ THốNG 52

5.4 T HIếT Kế Bộ ĐIềU KHIểN 53

5.4.1 Thiết kế bằng phản hồi trạng thái 54

5.4.2 Thiết kế theo nguyên tắc phản hồi tín hiệu ra 56

SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC BÀN X, Y 60

PHỤ LỤC 62

KẾT LUẬN 63

4

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học – kỹ thuật, tự động hóa sản xuất đóng vai trò rất quan trọng trong nền công nghiệp nước ta Nhận thức được điều này, trong chiến lược công nghiệp hóa theo hướng hiện đại vào năm 2020 cônghệ tự động được ưu tiên

đầu tư và phát triển

Ở nước ta công nghiệp tự động hóa đã được hình thành từ khá lâu, nhưng yếu tố quyết định đến sản xuất tự động hóa là kỹ thuật điều khiển Các máy công cụ điều khiển số NC và CNC đã được dùng phổ biến tại các nước phát triển từ lâu Trong những năm gần đây, NC và CNC đã được nhập vào Việt Nam và phổ biến khá là rộng rãi Máy công cụ NC và CNC là những hệ thống công nghệ hiện đại, là thành quả của các nghiên cứu lớn và là các thiết bị

điển hình cho sản xuất tự động

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 thấy đây là một đề tài hay và rất thực tế Quá trình làm và hoàn thành đề tài này đã giúp em tổng hợp được những kiến thức đã học cũng như những kiến thức thực 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 vào việc điều khiển Vì vậy, phần tính toán cơ khí chỉ trình bày những cái cốt lõi nhất và cần thiết nhất cho

việc điều khiển

CHO SỐ LIỆU:

Loại máy CNC: Phay

 Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT:

 Khối lƣợng lớn nhất của chi tiết: M1 = 300 kg → W1 = 300 kgf

Chi tiết làm bằng thép cacbon có khối lƣợng riêng là 7,85g/𝑐𝑚3

 Chiều cao chi tiết là H=200 mm

 Trọng lƣợng bàn gá: W2x = 140, W2y = 200 kgf

 Chiều dài làm việc: Sx = 650m, Sy = 400mm

 Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1 = 25 m/ph

 Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực: V2 = 10 m/ph

 Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0.5g =5 m/s2

 Thời gian hoạt động: 5 đến 7 năm → Lt = 17520h (=6năm x 365ngày x 8giờ)

6

CHƯƠNG I TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CƠ KHÍ

1.1 Chọn kiểu lắp đặt, tính lực cắt

 Chọn kiểu lắp ổ đỡ Một đầu lắp chặt – một đầu tùy chỉnh: fixed- supported [1]

 Working engagement (ae) và Working engagement start (aei)

Chọn thỏa mãn điều kiện: ae + aei = DC = 80 mm

1.2 Tính toán lựa chọn trục vít, ổ bi đỡ cho trục

1.2.1 Điều kiện làm việc và các thông số sẽ được tính chọn

 Điều kiện làm việc:

Lực chống trượt:

TrụcX : fx=Fax = μ × (W1 + Wx) = 44 kgf =431,64 N TrụcY : fy=Fay = μ × (W1 +Wx +Wy) = 64 kgf =627,84 N

1.2.2 Tính toán lực dọc trục

a Máy chạy khi không gia công V1=25 m/min

 Theo trục X: [3]

 Tăng tốc (về bên trái): Fa1 = μmx g + mx a + fx = 308,00 kgf

 Chạy đều (về bên trái): Fa2 = μmx g + fx = 88 kgf

 Gia công (về bên trái): Fa3 = Fm + μ(mx g + Fmz) + fx = 143,87 kgf

 Giảm tốc (về bên trái): Fa3 = μmx g – mx a +fx = -211.20 kgf

 Tăng tốc (về bên phải): Fa4 =- μmxg-mxa-fx =-228.80 kgf

 Chạy đều (về bên phải): Fa5 =- μmxg-fx = -8.80 kgf

 Gia công (về bên phải): Fa5=-Fm- (μmxg + Fmz) –fx =143.87 kgf

 Giảm tốc (về bên phải): Fa6= -μmxg+mxa-fx = 211.20 kgf

+ Lực dọc trục lớn nhất:

Từ các lực dọc trục tính ở trên ta thấy lực dọc trục max là:

F 1xmax = max( F a1, F a2, F a3, F a4, F a5 , F a6 ) = 308,00 kgf

 Theo trục Y:

F 1ymax = max( F a1, F a2, F a3, F a4, F a5, F a6 ) = 448,00 kgf

b Máy chạy với vận tốc lớn nhất khi gia công V2=10 m/min

8

Tốc độ quay trung bình của trục vít

m

N t N t N t N

Co = fs.FamaxTrong đó: fs Hệ số bền tĩnh fs :1,5-3

60N m L t F m f w 

Trong đó : Nm : Tốc độ quay trung bình của trục vít, Nm=1330(rpm)

Lt: Tuổi thọ yêu cầu, Lt = 17520h

Fm : Tải trọng trung bình tác dụng lên trục vít

fw : Hệ số tải trọng chọn fw= 1,5

Cax=2557,17 (𝑘𝑔𝑓); Cay=3758,77 (𝑘𝑔𝑓)

10 2

7.8 10 (kgf mm/ )

   

f : Hệ số phụ thuôc kiểu lắp: Cố định - Tùy chỉnh; f = 15,1

L = Tổng di chuyển max + chiều dài đai ốc/2 + chiều dài vùng thoát

Lx=650 + 177 + 100 = 927 (mm) chọn ≈ 950 (mm)

Ly=400 +180 + 100 = 680 (mm) chọn ≈ 700 (mm)

 

x rx

L

2 7

3000

.10 17, 9315,1



 

y ry

L

2 7

3000

.10 9, 7415,1

10

1.5 Kiểm nghiệm trục vít 1.5.1 Tuổi thọ làm việc

→ Thỏa mãn độ bền về thời gian sử dụng

Hệ số tải trọng : fw=1,2 chế độ trung bình theo tài liệu [1] trang 19

1.5.2 Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục

α: hệ số an toàn ( α=0.5) E:suất Young (E=2.1.104kgf/mm2) I: momen quán tính hình học min của trục vit me I= 𝜋.𝑑𝑟4

64 (mm4) dr:đường kính trục vít me

L:khoảng cách giữa hai ổ đỡ N,m : hệ số phụ thuộc kiểu lắp ghép : N=2,m=10.2

→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn

1.5.3 Tốc độ quay cho phép Trục X:

1.5.4 Tính toán momen

a Điều khiển thông thường: là momen cần sinh ra khi chuyển từ chuyển động quay sang

chuyển động tịnh tiến (momen phát động nằm ở phần quay)

𝑇𝑎 =𝐹𝑎 𝑙2𝜂1

𝜂1: là hiệu suất quá trình Chọn 𝜂1=0,9

Do đó, momen phát động cần thiết bằng tổng momen đặt trước và momen cần thiết khi phay với lực tác dụng lớn nhất:

T = T + T =4,90 + 54,47 = 59,37 kgf.cm

→ Do vậy vít me đảm bảo an toàn

FXmax = 323,9(kgf), FYmax = 441,2 (kgf)

 Chọn sơ bộ ổ lăn

Do bỏ qua lực hướng tâm, chọn ổ bi đỡ một dãy số hiệu 1000906

2 TÍNH TOÁN VÀ CHỌN RAY DẪN HƯỚNG CHO BÀN X VÀ BÀN Y 2.1 Tính chọn ray cho bàn X:

2.1.1 Các điều kiện đầu:

Chọn mã serie:MSA 25A

Với Hệ số tải động: C = 28,1 kN

Hệ số tải tĩnh: Co = 42,4 kN Khối lượng : Phôi M= 300kg Bàn máy XM1= 140 kg Vận tốc khi không gia công: v = 0,42 m/s Gia tốc :a1 = a3 = 4,9 m/s2

 Các giai đoạn di chuyển trên hành trình:

 Tăng/Giảm tốc:

t1 = t3 = 𝑣

𝑎 = 0,424,9 = 0,085 s

𝑋1 = 𝑋3 =1

2𝑎 𝑡2 =1

2 4,9 0,0852 = 0,018 m = 18 mm Vậy đoạn tăng/giảm tốc là 18 mm

Lsx = 650 mm Khoảng cách giữa hai con chạy cùng ray: l1x = 410mm Khoảng cách giữa hai con chạy khác ray: l2x = 286mm Theo phương z thì tâm phôi trùng tâm bàn máy :l3x = 0 Khoảng cách từ tâm phôi tới tâm bàn máy : l4x = 0

Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt bàn máy: l5x = 170mm

Độ cao từ tâm trục vít-me tới mặt phôi: l6x = 400mm

2.1.2 Tính toán các lực riêng rẽ

 Chuyển động đều, lực hướng kính Pn

a Chuyển động đều, lực hướng kính

P1 P2 P3 P4

c Chuyển động giảm tốc sang trái phụ

d Chuyển động tăng tốc sang phải

e Chuyển động giảm tốc sang phải

2.1.3 Tính toán tải tương đương

a Khi chuyển động đều

2.1.5 Tính tuổi thọ danh nghĩa

Căn cứ vào tuổi thọ danh nghĩa, ta lấy 𝑓𝑤= 1.5 ta được kết quả sau:

 Coi tâm bàn X,Y,dao cắt nằm trên cùng một đường thẳng

 Với 3 điều kiện trên, ta có các định vị sau :

CHƯƠNG II TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ SERVO

2.1 Điều kiện ban đầu

- Tốc độ vòng lớn nhất 3000 vg/ph

- Thời gian cần thiết để đạt tốc độ lớn nhất là 0.15s

2.2 Tính toán momen quy đổi

Thời gian dành cho quá trình có gia tốc là rất ngắn, do đó ở đây ta chỉ tính toán cho giai đoạn chạy đều (chiếm phần lớn thời gian gia công)

Khi hệ thống hoạt động sẽ xuất hiện các thành phần lực, momen chống lại chuyển động quay từ trục động cơ Để đơn giản cho việc tính toán, ta biến đổi các thành phần này về một thành phần duy nhất Đó là việc quy đổi momen tải về trục động cơ

Lực cản của hệ thống bao gồm:

 Lực ma sát của con chạy với ray dẫn hướng

 Lưc cắt do dao cắt

 Trọng lượng tải (bàn máy + phôi + vítme v.v.)

Điều kiện quy đổi: đảm bảo cân bằng công suất của hệ truyền động

Giả thiết tải trọng G sinh ra lực F ci có vận tốc truyền động là v i

Momen quy đổi của thành phần lực này là:

18

Ta có Ffric   f m g , f là hệ số ma sát, m là khối lƣợng bàn máy

B

p v u

2.2.2 Momen trọng lực quy đổi

Công suất do trọng lực tạo ra 𝑁𝐺 = 𝑃 𝑣 , mà 𝑃 và 𝑣 vuông góc với nhau, do bàn máy đặt ngang nên 𝑁𝐺= 0, vậy momen trọng lực quy đổi

Theo tính toán ở phần tính trục vít me, lực cắt của dao gây ra

2.2.4 Momen tải quy đổi

- Trường hợp có cắt gọt (chạy có tải): T mach 0

T  T  T  T Trục X:

2.3 Tính toán momen quán tính tải quy đổi về trục động cơ

Để dễ dàng cho việc tính toán ta quy đồi tất cả momen quán tính của tải về trục động

cơ, gồm có:

- Momen quán tính của bàn máy

- Momen quán tính của trục vítme

- Momen quán tính của khớp nối

Áp dụng định luật bảo toàn năng lượng:

Năng lượng do động cơ sinh ra = Tổng năng lượng của các phần tử trong hệ thống nhận được

  Là tỉ số truyền giữa động cơ và các phần tử thứ i

2.3.1 Momen quán tính của bàn máy

0, 04 0, 7.7,85.10

1, 36.10 32

2.3.3 Momen quán tính của khớp nối

Ta chọn cả hai trục đều chung một loại nối trục

Hình 1 Lựa chọn khớp nối

Vật liệu khớp nối hợp kim nhôm 𝜌 = 2,70 g/cm³ = 2700 kg/m3

Momen quán tính của khớp nối:

4

.32

C

Trong đó:

D là đường kính ngoài của khớp nối [m]

L Chiều dài khớp nối [m]

 Khối lượng riêng của vật liệu khớp nối [kg/m 3]

1, 62.10 1.36 10 4.26 10

2, 046.10 1

Trục X:

max b

  tỉ lệ momen quán tính, tỉ lệ đưa ra nhằm để động cơ hoạt động ổn

định, tránh cộng hưởng và đạt hiệu suất cao J M là momen quán tính của động cơ

Trục Y: T rated 1, 2 3, 45 4,14 Nm

- Tỉ số momen quán tính

Bảng 1 Thông số động cơ No.1160E

2.5 Kiểm nghiệm động cơ 2.5.1 Kiểm nghiệm động cơ dựa vào momen gia tốc

a Tiêu chí kiểm tra

Momen gia tốc là một tên gọi khác của momen kéo (Pull-up torque), gọi là momen gia tốc vì đây là momen sinh ra trong quá trình tăng tốc từ lúc khởi động lên lên tới một vận tốc nhất định

Tiêu chí để kiểm nghiệm: Tmax  TL  Ta

trong đó T a là momen gia tốc đƣợc tính nhƣ sau:

0, 010

X a

Y a

Thông số của động cơ 1160E cho ta T max 41, 0Nm

Do đó điều kiện kiểm nghiệm T max T L T a đúng

Vậy động cơ đã chọn phù hợp về momen gia tốc

2.5.2 Kiểm nghiệm dựa momen hiệu dụng

a Tiêu chí kiểm tra

7.2.1 Tiêu chí đánh giá

Trong đó: T rms là momen hiệu dụng, k là hệ số dự trữ

Công thức tính momen hiệu dụng nói chung như sau:

2

rms

T t T

Trong đó T i là momen trong từng giai đoạn diễn ra trong từng thời gian t i

Hình 2.5 Biểu đồ vận tốc, momen của hệ thống trong một chu kì hoạt động thông thường

1 ax 2

t t t

Nm

T T t T t T T t T

T L là momen tải quy đổi, kết quả tính toán từ

T a là momen xoắn gia tốc, kết quả tính toán từ

Bảng 1 số liệu động cơ cho biết T rated = 7,7 Nm

Vậy điều kiện T rated kT rms đúng

Do đó động cơ đã chọn phù hợp về momen hiệu dụng

2.6 Kết luận

Từ quá trình chọn sơ bộ và kiểm nghiệm lại ở trên, cuối cùng ta chọn đƣợc động cơ

AM 1160E của hãng ANILAM cho hệ thống

26

Hình 2.6 Bảng thông số của động cơ

CHƯƠNG III ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU

KHIỂN PID

3.1 Bàn X 3.1.1 Xây dựng mô hàm truyền của hệ thống

Hình 3.1 mô hình bàn máy công cụ

Hình 3.2 Mô hình hóa hệ bạn máy

F F F

k : độ cứng của trục, ks phụ thuộc vào phương pháp lắp đặt kgf /  m

A: Diện tích mặt cắt ngang của vitme 2

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

a Kiểm tra sự ổn định của hệ hở

 

 

23,18.10

B s



30

Nếu tất cả các nghiệm của biểu thức A(s) đều nằn phía bên trái trục ảo hay khi đó A(s) đƣợc gọi là đa thức Hurwitz Thực vậy, ta dùng lệnh roots(A(s)) đƣợc bộ nghiệm sau đây: -7.5999 +18.6679i và -7.5999 -18.6679i

Vậy hệ hở là ổn định

 Dùng tiêu chuẩn Nyquist

b Kiểm tra sự ổn định của hệ kín

Hình 3.4 Đồ thị Bode của hệ

Nhận xét: Đường pha ở trên đường  180o nên hệ kín ổn định

c Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thường

 Đáp ứng bước nhảy

-140 -120 -100 -80 -60 -40

Hình 3.6 Đáp ứng xung Dirac của hệ

3.1.4 Thiết kế bộ điều khiển PID

a Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID

Bộ PID có nhiệm vụ đƣa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa

mãn các yêu cầu cơ bản về chất lƣợng:

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

- Nếu sai lệch e(t) chƣa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân, PID vẫn còn tạo tín hiệu

-0.005 0 0.005 0.01 0.015