Sử dụng công cụ Simmechanics trong giảng dạy chuyên ngành điều khiển tự động

http:123link.proV8C5Đề tài này trình bày kết quả nghiên cứu và ứng dụng MATLABSimulinkSimMechanics để mô phỏng chuyển động các cơ cấu, chi tiết máy, mô hình tự động... Thực hiện mô phỏng mô hình điều khiển hệ thống xi lanh, CNC 2 trục từ đơn giản đến phức tạp. Các cơ cấu được thiết kế trên phần mềm SOLIDWORKS sau đó được mô hình hóa hệ thống vật lí bằng công cụ SimMechanics trong MATLABSimulink.

TRƯỜNG ĐH LẠC HỒNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc

Nguyễn Việt Hưng GVHD: Ts Nguyễn Vũ Quỳnh

Biên Hòa, tháng 12/2016

Do thời gian và kinh nghiệm học tập còn hạn chế nên đề tài còn mắc nhiều thiếu sót, nhóm em mong đƣợc sự giúp đỡ và góp ý chân thành của quý thầy, cô

Lạc Hồng, tháng 12 năm 2016

Sinh viên thực hiện:

Võ Thanh Công Nguyễn Việt Hƣng

TÓM TẮT

Đề tài này trình bày kết quả nghiên cứu và ứng dụng MATLAB/Simulink/ SimMechanics

để mô phỏng chuyển động các cơ cấu, chi tiết máy, mô hình tự động… Ở đây nhóm thực hiện mô phỏng mô hình điều khiển hệ thống xi lanh, CNC 2 trục từ đơn giản đến phức tạp Các cơ cấu được thiết kế trên phần mềm SOLIDWORKS sau đó được mô hình hóa

hệ thống vật lí bằng công cụ SimMechanics trong MATLAB/Simulink Ngoài áp dụng vào giảng dạy, còn có thể sử dụng ứng dụng công cụ SimMechanics này trong việc hạn chế sai sót, kiểm soát lỗi kĩ thuật, từ đó có thể mô phỏng hệ thống dây chuyền sản xuất, giảm thiểu tối đa chi phí ban đầu cũng như thời gian và công sức Đảm bảo độ chính xác cao về cơ khí, kĩ thuật điều khiển

Bên cạnh quá trình tính toán thiết kế trên phần mềm CAD chúng ta rất cần một phương pháp giám sát hệ thống làm việc có như mong đợi hay không? Nhằm tránh sai sót trong sản xuất gặp phải những lỗi thiết kế, tính toán gây thiệt hại kinh tế không đáng có Cho nên, việc thiết kế, kết hợp với công cụ mô phỏng nhằm giảm thiểu tối đa những sai sót không mong muốn

Mục lục

Chương 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Mục đích nghiên cứu 1

1.2 Phương pháp nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 2

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Giới thiệu MATLAB 4

2.2 Công cụ SimMechanics 4

2.3 Cách cài đặt SimMechanics và xuất file 3D sang MATLAB 5

2.4 Các khối trong công cụ SimMechanics được sử dụng trong mô hình hóa 12

2.4.1 Khối Body 12

2.4.2 Khối Ground 12

2.4.3 Khối Cylindrical 13

2.4.4 Khối Weld 14

2.4.5 Khối Joint Sensor 15

2.4.6 Khối Joint Actuator 16

2.5 Phần mềm thiết kế và mô phỏng SolidWorks 17

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC 20

3.1 Mô hình 1 xi lanh 20

3.2 Mô hình 3 Xi lanh 25

3.3 Mô hình CNC 1 trục 31

3.3.1 Hướng dẫn gán trục tọa độ 31

3.3.2 Hướng dẫn điều khiển CNC 1 trục 39

3.4 Mô hình CNC 2 trục 48

Chương 4 THIẾT KẾ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM 53

4.1 Mô hình xi lanh 53

4.2 Mô hình CNC 2 trục 59

4.3 Sơ đồ thuật toán và điều khiển 64

4.3.1 Thuật toán điều khiển chung 64

4.3.2 Sơ đồ thuật toán điều khiển động cơ DC Servo 65

4.3.3 Nội suy đường thẳng 67

4.3.4 Nội suy đường tròn 70

4.3.5 Giải G-code 73

Chương 5 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH CNC 76

5.1 Phần mềm Inkscape 76

5.2 Hướng dẫn cài đặt và sử dụng phần mềm 76

5.3 Phần mềm Universal Gcode Sender 83

5.4 Một số ví dụ 87

Chương 6 KẾT LUẬN 96

6.1 Kết quả đạt được 96

6.2 Hạn chế 96

6.3 Hướng khắc phục và phát triển đề tài 97

PHỤ LỤC 98

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Mục đích nghiên cứu

 Do nhu cầu mong muốn được học tập, sử dụng các cơ cấu máy, các mô hình tự động của sinh viên chuyên ngành tự động hóa Tuy nhiên, việc xây dựng các phòng thí nghiệm thực tốn rất nhiều chi phí cũng như công sức

 Với việc sử dụng công cụ SimMechanics sẽ cho phép mô phỏng bất kì lúc nào với các cơ cấu máy phức tạp Ngoài ra có thể sao chép và sử dụng chương trình trên nhiều máy tính khác nhau, do đó giảm nhiều chi phí đầu tư cơ sở vật chất

 Vì vậy nhóm quyết định chọn đề tài ―Sử dụng công cụ SimMechanics trong giảng dạy chuyên ngành điều khiển tự động‖

1.2 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài được xây dựng dựa trên những phương pháp sau:

 Tìm hiểu các đề tài trong nước liên quan đến MATLAB/Simulink của tác giả:

 [1] ―Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink, NXB KHKT, Hà Nội, 2004.‖

 [5] Nguyễn Đức Sang, Hoàng mạnh Cường, ―Tính toán và mô phỏng 3D động học robot hàn FANUC 6 bậc tự do‖, Bộ môn Cơ điện tử, Viện Cơ khí, Trường ĐH Hàng Hải Việt Nam, Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 60

 [7] Nguyễn Thị Cẩm Lai, ―Mô hình hóa và mô phỏng hệ cơ học 3D trong môi trường Simulink‖, Trường Đại học Công nghệ, Luận văn Thạc sĩ ngành:

Cơ học kỹ thuật; Mã số: 60 52 02

 Ngoài ra còn có các đề tài ngoài nước của một số tác giả :

 [2] Tutorial simmechanics/ Matlab&Simulink

 [3] L.Tang, L Zhang and F.Ru, Simmechnics Model and LQR Control for Linear Couble Inversed Pendulum based on Kalman Filter, Syatems and Informations (ICSAI) 2012 International Conference on, Yantai, 2012, pp.462-464

 [4] Yuan Shaoqiang, Liu Zhong and Li Xingshan, Modeling and simulation

of robot based on MATLAB/SimMechanics,"2008 27th Chinese Control Conference, Kunming, 2008, pp 161-165

 Tìm hiểu các tài liệu về phần mềm MATLAB/Simulink/SimMechanics, phần mềm vẽ kĩ thuật (ở đây nhóm sử dụng phần mềm SolidWorks), lập trình vi điều khiển

và giải thuật điều khiển trên môi trường MATLAB, các thuật toán nội suy

 Xây dựng các mô hình thực nghiệm, thiết kế các mạch điều khiển, các thuật toán sẽ thực nghiệm trên mô hình thực tế

1.3 Đối tượng nghiên cứu

 Nghiên cứu ứng dụng MATLAB/Simulink và công cụ SimMechanics vào mô phỏng chuyển động các cơ cấu tay máy, xi lanh… để phục vụ cho công việc giảng dạy, cải thiện giải thuật điều khiển

 Xây dựng các mô hình thực nghiệm:

Hình 1.1 Mô hình xi lanh

Hình 1.2 Mô hình CNC 2 trục

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Giới thiệu MATLAB

MATLAB là một bộ chương trình phần mềm lớn được viết cho máy tính PC nhằm

hỗ trợ cho các tính toán khoa học kĩ thuật với các phần tử cơ bản là ma trận cơ bản trên máy tính cá nhân do công ty ―The MathWorks‖ viết ra Thuật ngữ MATLAB là chữ viết tắt từ hai từ Matrix và LaBoratory Chương trình này hiện đang được sử dụng nhiều trong nghiên cứu các vấn đề tính toán của các bài toán kĩ thuật như: lý thuyết điều khiển tự động, kĩ thuật thống kê xác xuất, xử lý số các tín hiệu, phân tích dữ liệu…

MATLAB cung cấp các toolbox với phạm vi chức năng chuyên dụng khác nhau Ví

dụ như: một số toolbox liên quan tới điều khiển (control system toolbox, optimzation toolbox…), các toolbox liên quan tới lĩnh vực điện, cơ khí…

Simulink là một công cụ của MATLAB nhằm mục đích mô hình hóa, mô phỏng và khảo sát các hệ thống động học Giao diện đồ họa trên màn hình của Simulink cho phép thể hiện hệ thống dưới dạng sơ đồ tín hiệu với các khối chưc năng quen thuộc Simulink cung cấp cho người sử dụng một thư viện rất phong phú, có sẵn với số lượng lớn các khối chức năng cho các hệ tuyến tính, phi tuyến và gián đoạn

2.2 Công cụ SimMechanics

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 mô hình và giải thuật điều khiển cho các

bộ phận máy, các máy cơ khí

Mục đích của SimMechanics là thiết kế giải thuật điều khiển và mô phỏng hệ thống

cơ khí của các cơ cấu máy tùy ý được nối với nhau bằng các khớp, dưới sự tác động của động lực học Newton và momen xoắn

Hình 2.1 Các nhóm khối chính trong công cụ SimMechanics

2.3 Cách cài đặt SimMechanics và xuất file 3D sang MATLAB

Bước 1: Nhập từ khóa ―SimMechanics link‖ trên google

Bước 2: Sau khi vào trang chủ MathWorks các bạn nên đăng nhập tài khoản để tiện cho việc học tập

Hình 2.2 Giao diện MathWorks

Bước 3: Tải gói hỗ trợ của MathWorks

Hình 2.3 Link gói hỗ trợ

Bước 4: Tùy thuộc vào bản MATLAB bạn đang sử dụng mà chọn gói hỗ trợ Ở đây

mình chọn gói hỗ trợ win64-Release 2015a

Hình 2.4 Chọn gói hỗ trợ SimMechanics

Bước 5: Sau khi tải về bạn copy 2 thư mục vừa tải vào thư mục cài đặt của MATLAB

Hình 2.5 Copy và pass vào thư mục cài đặt MATLAB

Bước 6: Các bạn nên chạy quyền admin để vào chương trình

Hình 2.6 Chạy quyền admin

Bước 7: Chạy lệnh install_addon (‗smlink.r2015a.win64.zip‘)

Hình 2.7 Tiến hành chạy lệnh

Bước 8: Vào phần mềm MATLAB và gõ thêm câu lệnh ―smlink_linksw‖

Hình 2.8 Thêm “smlink_linksw” vào bảng command

Bước 9: Giao diện sau khi kết nối thành công

Hình 2.9 Giao diện sau khi kết nối

Bước 10: Vào phần mềm SolidWorks để có thêm công cụ SimMechanics

Hình 2.10 Thêm thanh công cụ SimMechanics

Hình 2.11 Click chọn SimMechanics

Bước 11: Cách xuất mô hình hóa

Hình 2.12 Cách xuất file mô hình hóa

Bước 12: Sau đó tìm đến thư mục chứa file XML vừa lưu và gõ lệnh như sau

Hình 2.13 Bảng Command Window

Bước 13: Xuất hiện bảng kết nối

Hình 2.14 Bảng kết nối

Bước 14: Xuất hiện mô hình hóa như đã thiết kế

Hình 2.15 Mô hình hóa 3 xi lanh

Bước 15: Bấm run và tiến hành chạy thử

Hình 2.16 Tiến hành chạy thử 2.4 Các khối trong công cụ SimMechanics được sử dụng trong mô hình hóa

 Khối lượng của vật thể và tensor momen quán tính

 Tọa độ trọng tâm của vật thể (CG)

 Một số hệ tọa độ Body tùy ý (CSs)

Một khối Ground biểu diễn một điểm cố định trong hệ tọa độ tuyệt đối World Gắn khối này vào một bên của khớp để ngăn chặn sự chuyển động của bên đó của khớp Như vậy thì khối này tương ứng với một ngàm

Ground nằm trong thư viện Bodies và nó chính là một Body đặc biệt Nhưng chúng

ta chỉ có thể nối một đầu của nó với một khớp Các khối Ground tự động lấy hệ tọa độ

có các trục song song với hệ tọa độ World và gốc tại Ground point

Bất kì một mô hình simmechanics nào cũng cần có một Ground

Hình 2.18 Mô hình khớp trụ

Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters):

Hình 2.19 Bảng thông số của khối Cylindrical

Các thông số ở đây có vai trò như những thông số đối với khớp Prismatic và khớp Revolute vì vậy khi lựa chọn thì thực hiện tương tự

Hình 2.20 Mô hình mối nối cứng

Hộp thoại và những thông số (Dialog Box and Parameters):

Hình 2.21 Bảng thông số khối Weld

Thông số quan trọng đối với khớp này là trục động (Axis of action) và hệ tọa độ xác định trục động đó

2.4.5 Khối Joint Sensor

Mục đích: đo chuyển động và lực / momen của một khớp nguyên thủy

Mô tả:

Khối Joint Sensor đo vị trí, vận tốc, gia tốc của một khớp nguyên thủy trong một khối Joint

Joint Sensor đo chuyển động dọc/ quay quanh trục khớp (hoặc quay quanh một điểm đối với khớp cầu) trong hệ tọa độ quy chiếu đã xác định cho khớp nguyên thủy

đó trong hộp thoại của khớp Tùy thuộc vào khớp nguyên thủy bạn đo một trong những kiểu chuyển động sau:

 Chuyển động tịnh tiến cho khớp nguyên thủy lăng trụ, dưới dạng vị trí, vận tốc, gia tốc theo góc

 Chuyển động quay đối với loại khớp nguyên thủy quay, dưới dạng vị trí, vận tốc, gia tốc theo góc

 Chuyển động cầu đối với loại khớp cầu, dưới dạng quatemion, đạo hàm quatemion, và đạo hàm cấp hai quatemion

Hộp thoại và bảng thông số (Dialog Box and Parameters):

Hình 2.22 Bảng thông số khối Joint Sensor

2.4.6 Khối Joint Actuator

Mục đích: tác động lực/momen hoặc tạo chuyển động cho một khớp nguyên thủy

Mô tả:

Khớp giữa hai Body thể hiện bậc tư do tương đối giữa những Body Khối Joint Actuator kích hoạt một khối Joint nối giữa hai Body với một trong những tín hiệu sau:

Lưu ý: bạn không thể kết nối một Joint Actuator với khớp cầu

Hộp thoại và thông số (Dialog Box và Parameters):

Hình 2.23 Bảng thông số khối Joint Actuator 2.5 Phần mềm thiết kế và mô phỏng SolidWorks

Phần mềm SolidWorks là một trình ứng dụng hỗ trợ tự động hóa thiết kế cơ khí, tận dụng các thế mạnh của giao diện người dùng đồ họa hệ Microsoft Windows Phần mềm này tạo khả năng cho các nhà thiết kế nhanh chóng vẽ ra các ý tưởng của mình, thí nghiệm với các thành phần cũng như kích thước, tạo dựng nên các mô hình cũng như các bản vẽ chi tiết

Phần mềm SolidWorks cho phép bạn thiết kế các mô hình nhanh chóng và chính xác Các thiết kế SolidWorks là:

 Các thiết kế được định nghĩa trong 3D

 Các thiết kế dựa trên nguyên tắc thành phần

Thiết kế 3D: SolidWorks sử dụng lối tiệm cận thiết kế 3D Khi bạn thiết kế một

thành phần, từ đường phác họa đầu tiên cho tới mô hình cuối cùng, bạn sẽ tạo ra các thực thể 3D Từ các thực thể 3D này, bạn có thể tạo ra các bản vẽ 2D, hoặc bạn có thể tạo mặt phẳng ráp má để kết nối nhiều thành phần khác nhau lại với nhau tạo ra các bộ lắp ráp 3D Bạn cũng có thể tạo ra các bản vẽ 2D từ các bộ phận lắp ráp 3D

Thiết kế dựa trên thành phần: Một trong những tính năng mạnh mẽ của trình ứng

dụng SolidWorks là bất kỳ một thay đổi nào mà bạn thực hiện với một thành phần sẽ được cập nhật trong tất cả các bản vẽ hoặc các bộ phận lắp ráp liên quan

Các thuật ngữ được sử dụng trong SolidWorks

Các thuật ngữ sau sẽ xuất hiện trong toàn phần mềm SolidWorks cũng như các tài liệu của nó:

 Origin (điểm gốc): Xuất hiện dưới dạng hai mũi tên màu xám, đại diện cho tọa

độ (0,0,0) của mô hình Khi một đường phác hoạ nằm trong trạng thái được kích hoạt, một điểm gốc của đường phác hoạ sẽ xuất hiện trong màu đỏ, đại diện cho toạ độ (0,0,0) của hình phác hoạ này Bạn có thể bổ sung kích thước và quan hệ cho một điểm gốc của mô hình, nhưng không thể bổ sung những yếu tố đó cho điểm gốc của một đường phác họa

 Plane (Mặt phẳng): mặt phẳng để xây dựng hình học Bạn có thể sử dụng các mặt phẳng để bổ sung các đường phác hoạ 2D, mặt cắt của một mô hình, mặt phẳng vát… để làm plane

 Axis (trục): các đường thẳng được sử dụng để tạo nên các mô hình, thành phần (feature) hay các mẫu copy (pattern) Bạn có thể tạo ra một trục theo nhiều cách khác nhau, kể cả đường giao tuyến của hai mặt phẳng

 Face (mặt): phần hình học bao mô hình, hỗ trợ cho việc định nghĩa hình dạng của một mô hình hay một bề mặt (Surface) Một mặt là một vùng (phẳng hoặc không phẳng) có thể chọn được của một mô hình hoặc một bề mặt Ví dụ, một hình hộp hình chữ nhật sẽ có 6 mặt

 Edge (cạnh): là nơi hai hay nhiều mặt hoặc bề mặt gặp nhau dọc theo một khoảng cách Bạn có thể chọn cạnh để vẽ phác họa, để đo kích thước và nhiều tác vụ khác

 Vertex (đỉnh): là nơi hai hay nhiều đường thẳng hay cạnh cắt nhau Bạn có thể chọn các đỉnh nhằm mục đích vẽ phác họa, đo kích thước, và nhiều phép toán khác

Phương pháp thiết kế SolidWorks

Sau khi bạn đã xác định được các nhu cầu và tìm ra các khái niệm tương thích, bạn cần phải phát triển mô hình sử dụng các bước sau:

 Sketches (vẽ phác họa): tạo những hình phác họa và quyết định phương thức đo kích thước, những vị trí cần phải được áp dụng quan hệ, v.v…

 Features (tạo thành phần): lựa chọn các phép toán tạo thành phần thích hợp, chọn ra tính năng tốt nhất để áp dụng, quyết định áp dụng các tính năng đó theo thứ tự nào, v.v…

 Assemblies (Lắp ráp): nếu mô hình là một bộ phận lắp ráp, bạn hãy chọn các thành phần để gắn kết chúng với nhau theo mặt phẳng ráp má (mate) quyết định dạng mặt phẳng ráp má cần áp dụng, v.v…

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG MÔ PHỎNG ĐỘNG HỌC

3.1 Mô hình 1 xi lanh

Mô phỏng hành trình 1 xi lanh để cố định vật theo đúng như Hình 3.1 với xi lanh tiến đến theo phương dọc

Hình 3.1 Mô hình 1 xi lanh

Cơ cấu xi lanh được xây dựng bằng phần mềm CAD (Solidworks) Để thực hiện

mô hình hóa theo mô hình thực tế yêu cầu 1 xi lanh (Hình 3.1) đều được vẽ theo đúng kích thước

Mô hình SimMechanics các khâu được kết nối với nhau bằng một khối động học,

ví dụ liên kết giữa xi lanh-1 và base-1 là một khối Cylindrical (khớp quay kết hợp tịnh tiến với trục quay và trục tịnh tiến song song với nhau)

Mỗi khối SimMechanics trong MATLAB đại diện cho các chi tiết cơ khí và được kết nối với nhau bằng các đường tín hiệu Mô hình cơ học của xilanh được mô hình hóa bằng các khối body blocks và joint blocks

Các bước tiến hành mô phỏng bằng công cụ SimMechanics mô hình Xi lanh

Thiết kế

SOLIDWORKS

Xuất XML File

Mô hình hóa cơ cấu bằng MATLAB/

Simmechanics

Tiến hành thêm các tín hiệu điều khiển

và cảm biến

Tác động các tín hiệu điều khiển

Thu thập tín hiệu

ngõ ra

Hình 3.2 Các bước tiến hành mô phỏng Thực hiện mô hình hóa mô hình đã thiết kế bằng công cụ SimMechanics:

Hình 3.3 Mô hình hóa 1 xi lanh sử dụng công cụ SimMechanics

Khối RootGround biểu diễn một điểm cố định trong hệ tọa độ tuyệt đối World Chúng tôi xem mặt phẳng nền là một khâu cố định Các khối Base-1, Xi lanh-1 là các khối Body biểu diễn một vật thể cứng được xác định trong không gian bởi vị trí trọng tâm và hướng của nó trong một hệ tọa độ xác định trước Các khối Weld biểu diễn một khớp không bật tự do (mối nối cứng), có tác dụng nối cứng hai ―body‖ không có thông số cần phải nhập từ người sử dụng

Khối Cylindrical biểu diễn một khớp kết hợp một bậc tự do tịnh tiến và một bậc tự

do quay, với trục quay và trục tịnh tiến song song với nhau (khớp trụ)

Khớp Cylindrical tạo chuyển động tịnh tiến giữa Xi lanh và Base với các thông số nhập là chuyển động theo trục Z của hệ tọa độ World như Hình 3.4

Hình 3.4 Thông số của khớp Cylindrical

Để phù hợp với mô hình thực tế ta cần thêm các khối điều khiển Khối Joint Sensor

để có thể xác định được vị trí của xi lanh so với vị trí ban đầu của nó, với thông số cần

đo là vị trí(Position), khối này được gắn với khớp Cylindrical giữa Base và Xi lanh Các thông số về vị trí, giá trị đo và đơn vị được khai báo như Hình 3.5

Hình 3.5 Thông số khai báo khối Joint Sensor

Khối Joint actuator tác động một lực/moomen hoặc tạo chuyển động cho một khớp (Cylindrical) Để tạo chuyển động tịnh tiến cho khớp ta phải tác động một tín hiệu dưới dạng Motion, vận tốc và gia tốc Các thông số khối Joint Actuator được khai báo như Hình 3.6

Hình 3.6 Thông số khai báo khối Actuator Xây dựng lưu đồ giải thuật 1 xi lanh

Hình 3.7 Lưu đồ giải thuật 1 xi lanh

In_1 ≥ 0.075

Đ S

c = -0.02 xilanh di chuyển

Hình 3.8 Kết nối điều khiển mô hình hóa

Sau khi thực hiện mô hình hóa xi lanh như Hình 3.3, tiến hành thêm các tín hiệu điều khiển xi lanh như Hình 3.8, tiếp đến thực hiện điều khiển di chuyển xi lanh đến vị trí 0.075m là vị trí vừa chạm vào vật Quá trình điều khiển được thể hiện như lưu đồ Hình3.7

Kết quả ngõ ra mô hình 1 xi lanh

Hình 3.9 Kết quả ngõ ra

Dựa vào kết quả trên ta có thể thực hiện điều khiển nhiều xi lanh theo mong muốn

3.2 Mô hình 3 Xi lanh

Hình 3.10 Mô hình 3 xi lanh

Mô phỏng hành trình 3 xi lanh để cố định vật liệu theo đúng vị trí như Hình 3.2 Với xi lanh 1 tiến đến vật cố định theo phương dọc tiếp đến xi lanh 2 cố định vật theo đúng vị trí góc, cuối cùng xi lanh 3 cố định vật theo phương ngang nhằm giúp vật thi công nằm đúng vị trí yêu cầu

Mô hình xi lanh được điều khiển dựa trên biểu đồ trạng thái như sau:

Hình 3.11 Biểu đồ trạng thái mô hình 3 xi lanh

xilanh1 xilanh3

Thực hiện mô hình hóa mô hình đã thiết kế bằng công cụ SimMechanics:

Hình 3.12 Mô hình hóa 3 xi lanh sử dụng công cụ SimMechanics

Từ đó ta có các khối tín hiệu điều khiển actuator và cảm biến sensor:

Hình 3.13 Sơ đồ khối SimMechanics kết nối các tín hiệu điều khiển và cảm biến

Xây dựng lưu đồ giải thuật 1 xi lanh:

Hình 3.14 Lưu đồ giải thuật 1 xi lanh

Dựa vào biểu đồ trạng thái như Hình 3.11 thực hiện xây dựng giải thuật điều khiển hành trình 3 xi lanh Theo biểu đồ điều khiển 3 xi lanh ta cần điều khiển xi lanh 1 chạy ra Tín hiệu vị trí từ khối Joint_Sensor1 của xilanh 1 được sử dụng làm tín hiệu

so sánh kí hiệu là In_1 Ta có các trường hợp sau:

 Ở trường hợp đầu tiên In_1  0.075 là điều kiện điều khiển xi lanh 1 và đồng thời là điều kiện so sánh của xi lanh 2, xi lanh 1 đang ở vị trí ban đầu In_1 = 0 không thỏa In_1  0.075 nên ngõ ra b=-0.02, xi lanh 1 di chuyển với vận tốc bằng 0.02m/s đồng thời ngõ ra x=0 cho đến khi xi lanh 1 đạt đến vị trí 0.075m thì ngõ ra b=0 và x=-0.02 lúc này xi lanh 1 dừng, xi lanh 2 di chuyển với vận tốc bằng 0.02m/s Để xi lanh

1 lùi về theo biểu đồ ta cần tín hiệu vị trí L của xi lanh 3 để so sánh, khi L = 1 tức xilanh 3 chưa lùi về không thỏa điều kiện L  2 ngõ ra z = b, ngược lại thỏa điều kiện

L  2 ngõ ra z = 0.02 điều khiển xi lanh 1 chạy lùi về với vận tốc bằng 0.02m/s

 Trường hợp tiếp theo tín hiệu In_1 được sử dụng để xác định chiều chuyển động của xi lanh 1, lúc này tín hiệu In_1 được nhân với một giá trị -1 và là điều kiện

so sánh, nếu –In_1 không thỏa –In_1  0 ngõ ra a=0, khi xi lanh 1 lùi về lại vị trí 0,

-In_1 thỏa –-In_1  0 ngõ ra a=1, tín hiệu a được cấp cho khối counter đếm cạnh xuống, ngõ ra k của counter được làm tín hiệu so sánh, nếu không thỏa k  2 ngõ ra d

- In_1 ≥ 0 In_1 ≥

Đ S

L ≥ 2

z = 0.02 Tín hiệu điều khiển xilanh 1 chạy lùi

z = b

= z, ngược lại thỏa điều kiện k  2 ngõ ra k  2 ngõ ra d = z, ngược lại thỏa điều kiện

k  2 ngõ ra d = 0 xi lanh 1 ngừng di chuyển

Các bước điều khiển dựa trên biểu đồ trạng thái như Hình 3.11 đối với xi lanh 2 và

xi lanh 3 được điều khiển tương tự xi lanh 1 với các tín hiệu xác định chiều L và M của khối counter được dùng làm tín hiệu điều khiển chuyển động cho xi lanh 2 và xi lanh 3

Dựa vào lưu đồ thuật toán khi thực hiện sử dụng khối lệnh có trong Simulink để xây dựng khối Controler Hình 3.15

Hình 3.15 Sơ đồ khối Controler

Sau khi kết nối giữa khối Controler điều khiển và mô hình hóa xi lanh ta sẽ được như Hình 3.16

Hình 3.16 Sơ đồ kết nối mô hình xi lanh và khối điều khiển Controler

Kết quả tín hiệu vị trí xi lanh thu đƣợc nhƣ sau:

Hình 3.17 Kết quả ngõ ra 3 xi lanh thu đƣợc

0 0.02 0.04 0.06 0.075

So sánh kết quả ngõ ra thu được giữa Hình 3.17 với Hình 3.11

Hình 3.18 So sánh kết quả ngõ ra

Hình 3.18 so sánh kết quả ngõ ra ta thấy hành trình đi được hoàn toàn đáp ứng và tương đồng với yêu cầu đã đặt ra theo biểu đồ trạng thái

Ngoài ra nhóm còn xây dựng được một giao diện Guide:

Hình 3.19 Giao diện Guide

 Browse: mở chương trình mô phỏng

 Remove: xóa chương trình đã chọn



0 5 10 15 20 25 30

0 0.02 0.04

0.06 0.08 0.1 0.13

 Run/Stop: bắt đầu hoặc dừng mô phỏng

Giao diện này có khả năng mở được tất cả các file mô phỏng trong cùng thư mục Cũng có thể thêm các tín hiệu khác hoặc hiển thị các chức năng điều khiển trên giao diện này

3.3 Mô hình CNC 1 trục

3.3.1 Hướng dẫn gán trục tọa độ

Để thực hiện được việc gán trục tọa độ cho cơ cấu theo bảng D-H, trước hết cần phải đọc qua các tài liệu về mô tả khâu, mô tả khâu liên kết, gắn trục tọa độ cho các khâu…từ đó sẽ hiểu và nắm bắt được các cơ cấu cần làm

Hình 3.20 Mô hình hóa khâu và khớp theo D-H

Các bước gán trục tọa độ cho mô hình CNC 1 trục

Trong phần này để có thể thực hiện tốt các bạn cần phải biết về phần mềm Solidworks nói chung cũng như phần Assembly nói riêng, tránh việc gán tọa độ sai dẫn đến ảnh hưởng tới phần xuất và điều khiển mô hình hóa sẽ không được chính xác

Bước 1: Vào Assembly lấy các chi tiết cần mô phỏng và lắp ghép các chi tiết thành

mô hình hoàn chỉnh từ đó sẽ mô hình hóa mô phỏng bên MATLAB

Hình 3.21 Xuất các chi tiết trong Assembly

Bước 2: Tiến hành lắp ghép các chi tiết như trục xoay, động cơ, ổ trượt…

Hình 3.22 Trục xoay

Hình 3.23 Trục xoay và động cơ

Bước 3: Thực hiện gán đồng tâm vì giữa trục vitme và động cơ là 1 khớp xoay nên phải thực hiện gán đồng tâm Tùy thuộc vào mỗi cơ cấu của từng mô hình cần mô phỏng, ở đây để gán đồng tâm mép trục xoay cần cách trục động cơ 2mm

Hình 3.24 Gán đồng tâm giữa trục vitme và động cơ

Hình 3.25 Sau khi gán đồng tâm giữa trục vitme và động cơ

Bước 4: Lắp ghép ổ trượt

Hình 3.26 Ổ trượt

Hình 3.27 Các bước lắp ghép ổ trượt

Hình 3.28 Các bước lắp ghép ổ trượt (TT)

Hình 3.29 Các bước lắp ghép ổ trượt (TT)