Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử

Qua đồ án này, nắm được cái nhìn tổng quan về việc điều khiển các hệ cơ điện tử nói chung trong đó có máy CNC là một sản phẩm điển hình. Biết vận dụng bộ điều khiển PID để điều khiển các cơ hệ.Với yêu cầu của đề tài đã hoàn thành được các yêu cầu đặt ra. Do lần đầu tiếp cận với khía cạnh mới cũng như khó khan gặp phải trong quá trình làm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Từ đó em rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tế và sẽ giúp ích cho công việc sau này của em. Bên cạnh đó, ngày nay người ta đã ứng dụng bộ điều khiển phi tuyến vào việc điều khiển bàn máy và kết quả cho thấy chất lượng tốt hơn bộ điều khiển PID. Tuy nhiên do kiến thức cũng như thời gian không cho phép nên em xin phép được để việc điều khiển phi tuyến về sau.

MỤC LỤC

PHỤ LỤC HÌNH 1

PHỤ LỤC BẢNG 3

LỜI MỞ ĐẦU 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ ( MÁY CNC) 5

1 Các thành phần chính của máy phay CNC 5

1.1 Phần điều khiển 5

1.2 Phần chấp hành 6

2 Sơ đồ động học chuyển động bàn máy X, Y Trình bày sơ lược về quy trình thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X và Y 6

2.1 Sơ đồ động học chuyển động bàn máy X và Y 6

2.2 Sơ lược về quy trình tính thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X và Y 7

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 11

1 Điều khiển bàn máy X 11

1.1 Xây dựng mô hình hàm truyền của hệ thống 11

1.2 Tìm hàm truyền đạt G(s) 14

1.3 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 14

1.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 18

1.4.A.Những kiến thức cơ bản về bộ điều khiển PID 18

1.4.B Vài trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 20

1.4.C Thiết kế bộ điều khiển PID controller theo phương pháp thực nghiệm (Ziegler – Nichols 1) và thiết kế tự động PID theo công cụ Matlab 22

2 Điều khiển bàn Y 25

2.1 Tìm hàm truyền bàn Y 25

2.2 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 26

2.3 Thiết kế bộ điều khiển PID 30

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC 32

1 Gia công đường thẳng 32

2 Gia công theo đường tròn 38

3 Kết luận 44

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN VỀ HOME VÀ CHƯƠNG TRÌNH PLC TRÊN HỆ THỐNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC 45

1 Xây dựng sơ đồ thuật toán về Home 45

2 Chương trình PLC trên hệ thống điều khiển CNC 47

2.1 Danh sách các biến đầu vào, đầu ra 47

2.2 Chương trình PLC cơ bản 48

KẾT LUẬN 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1-1: Cấu tạo bàn máy phay CNC 6

Hình 1-2: Sơ đồ động học chuyển động bàn máy 7

Hình 1-3: Quy trình tính toán 9

Hình 2-1: Mô hình bàn máy X 11

Hình 2-2: Mô hình hệ bàn máy 11

Hình 2-3: Đồ thị Nyquist 15

Hình 2-4: Kiểm tra tính ổn định bằng lệnh isct(sys) 16

Hình 2-5: Đồ thị Bode 16

Hình 2-6: Đồ thị bước nhảy 17

Hình 2-7: Đồ thị đáp ứng xung Dirac của hệ 18

Hình 2-8: Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID 19

Hình 2-9: Vai trò khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID 20

Hình 2-10: Vai trò khâu tích phân trong bộ điều khiển PID 21

Hình 2-11: Vai trò khâu vi phân trong bộ điều khiển PID 21

Hình 2-12: Đáp ứng quá độ 23

Hình 2-13: Tìm các thông số L, T, k cho bộ điều khiển PID 23

Hình 2-14: Bộ điều khiển PID cho bàn X 24

Hình 2-15: Đáp ứng xung bước nhảy của bàn X khi có bộ điều khiển PID 24

Hình 2-16: Bảng lựa chọn thông số PID bàn X 25

Hình 2-22: Bảng lựa chọn thông số PID bàn Y 31

Hình 3-1: Mô hình bàn máy xuất sang môi trường Matlab & Simulink 32

Hình 3-2: Hệ thống bàn máy sau khi loại bỏ bớt các khối và cứng hóa các khối 36

Hình 3-4: Quỹ đạo mong muốn gia công đường thằng 37

Hình 3-5: Quỹ đạo thực đường thẳng 37

Hình 3-6: Quỹ đạo chuyển động của 2 bàn máy gia công đường thằng 38

Hình 3-8: Quỹ đạo mong muốn gia công đường tròn 43

Hình 3-9: Quỹ đạo thực đường tròn 43

Hình 3-10: Quỹ đạo chuyển động của 2 bàn máy gia công đường tròn 44

Hình 4-1: Điểm 0 của máy CNC 45

Hình 4-2: Lưu đồ grafcet 47

MỤC LỤC BẢNGBảng 1.1: Thông số thiết bị dẫn động hệ bàn máy CNC 10Bảng 2.1: Giá trị các hệ số độ cứng vít me trục X 14Bảng 2.2: Giá trị các hệ số độ cứng vít me trục Y 26Bảng 2.3: Thông số đầu vao, đầu ra của chương trình PLC điều khiển bàn máy 47

LỜI MỞ ĐẦUTrong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật làvấn đề quan trọng và cần sự quan tâm lớn Việc sử dụng máy móc đề thay thế sứclao động của con người là một xu hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ranhiều sản phẩm chất lượng cao Máy CNC là một tiến bộ vượt bậc của nền côngnghiệp Sự xuất hiện của máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuấtcông nghiệp Các đường cong, cấu trúc phức tạp cũng được thực hiện dễ dàng giúptăng năng suất, giảm hao phí gia công Các máy CNC phổ biến như: máy tiện,phay, máy cắt laze, máy cắt dây CNC,

Đồ án này, em sẽ tìm hiểu về quá trình tính toán và thiết kế hệ thống điều khiểndẫn hướng bàn máy phay CNC Nhiệm vụ chính là tính toán hàm truyền đạt, xéttính ổn định, xác định các thông số của bộ điều khiển PID, mô phỏng điều khiểnbàn máy theo quỹ đạo thẳng, tròn, thuật toán về home

Với đề tài được giao: Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy phay CNC đãgiúp em tổng hợp được kiến thức đã học với thực hành

Nội dung bao gồm:

- Phần 1: Thiết kế sơ đồ động học chuyển động X, Y; chọn động cơ servo phùhợp cho từng bàn máy

- Phần 2: Xây dựng mô hình toán học, khảo sát đặc tính khi điều khiển theoquỹ đạo thằng, tròn

- Phần 3: Mô phỏng hoạt động của hệ thống khi khi gia công thẳng, tròn bằngphần mềm Matlab & Simulink

- Phần 4: Xây dựng sơ đồ thuật toán về Home và chương trình PLC trên 1 hệthống điều khiển CNC cụ thể

Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Thái Việt, cùng các thầy cô trong Bộ Môn

Cơ Điện Tử - Viện Cơ Khí đã giúp em hoàn thành đồ án này Do thời gian và kiếnthức còn hạn chế, chắc chắn không tránh khỏi sự thiếu sót, em kính mong nhậnđược sự giúp đỡ và các ý kiến đóng góp của các thầy cô để đồ án của em đượchoàn thiện Em xin chân thành cám ơn!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY

X VÀ Y CỦA MÁY PHAY CNC

1 Các thành phần chính của máy phay CNC:

Máy phay CNC gồm 2 thành phần chính là phần điều khiển và phần chấphành:

1.1 Phần điều khiển:

- Chương trình 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 … Chươngtrình này được ghi lên cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã số ( mã thập – nhịphân 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 cầnthiết 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 từcác cảm biến liên hệ ngược Bao gồm các cơ cấu đọc, cơ cấu giải mã, cơ cấuchuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơcấu 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 khiểnmáy, các chức năng bao gồm:

+ Số liệu vào (Data Input)

+ Xử lý số liệu (Data Procesing)

+ Số liệu ra (Data Output)

+ Ghép nối vào (Machine I/O interface)

Hệ dẫn động bàn máy gồm các thành phần: Thân máy, đế máy, bàn máy,băng dẫn hướng, trục vít ve, đai ốc, động cơ.

2 Sơ đồ động học chuyển động bàn máy X và Y Trình bày sơ lược về quy trình

thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X và Y.

2.1 Sơ đồ động học chuyển động bàn máy X và Y

Hình 1.1.Cấu tạo bàn máy phay CNC

Hệ thống dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn máytheo trục X, Y.

Nguyên lý: Động cơ quay truyền chuyển động qua bộ truyền động đai (hoặcxích) 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 đượclắp với bàn Y bằng bulong, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me giúp bàn Ychuyển động tịnh tiến trượt trên 2 thanh ray song song với trục vít me lắp cố địnhtrên 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 vữngtốt, trơn khi trượt, không có hiện tượng dính

2.2 Sơ lược về quy trình thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X và Y:

Số liệu cho trước:

Hình 1.2.Sơ đồ động học chuyển động bàn máy

- Chế độ cắt thử nghiệm: phay mặt đầu, 8 lưỡi cắt, D = 80mm, JIS,SUS440C, grade 4040, v = 100 m/phút, t = 0,8 mm, F = 900 mm/phút.

- Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công:M = 700 kg

- Khối lượng bàn máy X: Mx= 140kg

- Khối lượng bàn máy Y: My= 220kg

- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công : V1=20m/ph = 0,33m/s

- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công : V2 = 10m/ph = 0,16 m/s

- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống : a=0,4g=4m/s2

- Thời gian hoạt động : Lt= 20000h ( khoảng 5 đến 7 năm)

Quy trình tính toán:

Tham khảo đồ án Thiết kế cơ khí các bước, công thức tính toán em đã chọnđược các thiết bị dẫn động như vitme đai ốc bi, ổ đỡ vitme, ray dẫn hướng, động cơservo như sau:

Bảng 1.1: Thông số thiết bị dẫn động hệ bàn máy CNCSTT

CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Với việc đã có số liệu về các thiết bị dẫn hướng đã có trong chương 1,

chuyển động thẳng đều, vòng tròn, góc vuông của bàn máy X, Y bằng bộ điềukhiển phản hồi PID.

1 Điều khiển bàn máy X:

1.1 Xây dựng mô hình hàm truyền của hệ thống

Bàn máy được lắp trên vít me, vít me được nối với động cơ qua khớp nối.Khi động cơ quay thì vít me quay nhờ đó bàn máy chuyển động tính tiến dọc trụcvít me Để điều khiển tốc độ chạy bàn máy cũng chính là điều khiển tốc độ quaycủa động cơ

Hình 2.1.Mô hình bàn máy X

Từ mô hình bàn X máy CNC như trên ta có mô hình hóa hệ bàn máy như sau:Trong sơ đồ mô hình hóa bàn máy X:

- M: Khối lượng bàn máy và phôi

- K: hệ số độ cứng của vít me, ổ bi, nối trục, ray dẫn hướng

Hình 2.2.Mô hình hóa hệ bàn máy

+ θ(t) là góc quay của động cơ cần để tạo ra một dịch chuyển x(t)

+ l: bước vít

- Lực ma sát:

ms

“Tài liệu Coupling 2 trang 14”[1]

- kb: độ cứng ổ bi tra cứu trong catalog của hãng SKF

- kg: độ cứng ray dẫn hướng tra cứu trong catalog của hãng PMI

(Fa: lực dọc trục, k: hệ số độ cứng tra trong bảng thông số vít me ở đồ án 1)

Ta có kết quả độ cứng như bảng dưới đây:

2

-3 5

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

a, Kiểm tra sự ổn định của hệ :

Dùng tiêu chuẩn Nyquist, dùng lệnh Nyquist(num,den) trong matlab ta cóđược đồ thị Nyquist như sau:

Hình 2.3 Đồ thị Nyquist của hệQua đồ thị ta nhận xét rẳng : Theo định lý 2.22 (Nyquist) ( Sách ‘Cơ sở líthuyết điều khiển tuyến tính’) thì ‘Nếu hàm truyền Gh(s) của hệ hở có m điểm cựckhông nằm bên trái trục ảo thì điều kiện cần và đủ để hệ kín ổn định là đồ thịNyquist của hệ hở bao điểm (-1+0j) của mặt phẳng phức m lần theo chiều ngượcchiều kim đồng hồ’ Ta thấy rằng đồ thị Nyquist không bao điểm (-1+0j) nên sẽkhông có điểm cực nào nằm trên trục ảo hoặc bên phải trục ảo, cho nên hệ kín sẽ

ổn định

Dùng lệnh isct(sys) để kiêm tra tính ổn định Ta nhận được giá trị ‘‘1’’chứng tỏ hệ thống ổn định.

Hình 2.4 kiểm tra tính ổn định bằng lệnh isct(sys)

Đồ thị Bode

Dùng lệnh bode(num,den) trong matlab ta được đồ thị bode như sau:

Hình 2.5 Đồ thị BodeNhận xét: Đường pha ở trên đường 180  nên hệ kín ổn định.

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

- Đáp ứng bước nhảy: dùng lệnh step(sys) ta được đồ thị đáp ứng bước nhảy

sau

Hình 2.6 Đồ thị đáp ứng bước nhảyNhận xét: Với độ nhảy vọt (overshoot) lên đến αmax=26,2%, T =0,234smaxđiều này là không thể chấp nhận được với hệ thống khi mà yêu cầu đặt ra độ quá độđiều chỉnh là 2% Hơn nữa ở đây chúng ta cho hệ kích thích bằng tín hiệu 1(t)nhưng hệ không bám lấy đầu vào

- Đáp ứng xung Dirac ( hàm trọng lượng): dùng lệnh impulse(sys) ta được đồthị đáp ứng xung Dirac như sau

Hình 2.7 Đồ thị đáp ứng xung Dirac của hệ

1.4 Thiết kế bộ điều khiển PID

1.4.1 Những kiến thức cơ bản về bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID có nhiệm vụ đưa ra sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao choquá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng

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

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

Trong đó :

e(t) là tín hiệu đầu vào bộ điều khiển

u(t) là tín hiệu đầu ra bộ điều khiển

Hình 2.8.Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID

1.4.2 Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân

a, Khâu tỉ lệ:

Hình 2.9 Vài trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PIDGiá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn, bùkhâu tỉ lệ càng lớn Nếu độ lớn của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định

Độ lớn nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ, trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộđiều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tácđộng điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

b, Khâu tích phân:

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với biên độsai số lẫn quãng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian ( tíchphân hai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đóđược 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 bị khử càng nhanh Đổi lại là độ vọt lố cànglớn: bất kì sai số âm nào được tích phân trong suốt quá trình đáp ứng quá độ phảiđược triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

Hình 2.10 Vai trò khâu tích phân trong bộ điều khiển PID

c, Khâu vi phân:

Hình 2.11 Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID

Khâu vi phân làm giảm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển, đặc tính này

là đáng chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó điều khiển vi phânđược sử dụng để làm giảm biên độ vọt số được tạo ra bởi thành phần tích phân vàtăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi phân của một

số và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độ lợi vi phân đủlớn.

Tác động của việc tăng một thông số độc lậpThông

số

Thời gian

khởi động (

RISETIME)

Quá độOVERSHOOT

Thời gianxác lậpSETTLINGTIME

Cải thiệnnếu Kd

nhỏ

1.4.3 Thiết kế bộ điều khiển PID controller theo phương pháp thực nghiệm ( Ziegler-Nichols 1)

Phương pháp Ziegler-Nichols 1 sử dụng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất

có trễ của đối tượng điều khiển

- L khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích 1(t) tạiđầu vào

- k: giá trị tới hạn h lim ( )t h t

Hình 2.12 Đáp ứng quá độSau khi đã tính được các thông số trên, bộ điều khiển PID có dạng:

k

K =2L ,K =0,5k LD p

Áp dụng lí thuyết trên để thiết kế bộ điều khiển PID như sau:

Hình 2.13 Tìm các thông số L, T, k cho bộ điều khiển PID

Lựa chọn tham số PID theo phương pháp Ziegler-Nichol 1:

Suy ra bộ điều khiển PID:

2 I

Hình 2.15 Đáp ứng xung bước nhảy bàn X khi có bộ điều khiển PID

Chọn bộ số PID tối ưu là: K =1138.3239, K =8984.0705, K =35.751

Hình 2.16 Bảng lựa chọn thông số PID bàn XNhìn vào đồ thị và bảng thông số ta có nhận xét sau: Sau khi có bộ điều khiểnPID thì thời gian đáp ứng của hệ giảm xuống với response time = 0,08475s, cơ hệbám tốt vào tín hiệu vào.

- Chiều dài vít me: L=1200 mm

b, Tính toán tương tự với bàn Y ta có:

1060s +11000s+191000



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

a, Kiểm tra sự ổn định của hệ hở

1

2

x = -5.1887+12.3801i

x = -5.1887-12.3801i

Do có 2 nghiệm có phần thực âm nên hệ ổn định

b, Kiểm tra sự ổn định của hệ kín:

- Dùng tiêu chuẩn Nyquist, dùng lệnh Nyquist(num,den) trong matlab ta cóđược đồ thị Nyquist như sau:

Hình 2.17 Đồ thị Nyquist của hệQua đồ thị ta nhận xét rẳng : Điểm (-1+j0) được đánh dấu cộng trên hình vẽkhông bị bao bởi đường đồ thị Nyquist cho nên hệ kín ổn định

- Dùng lệnh isct(sys) để kiêm tra tính ổn định Ta nhận được giá trị ‘‘1’’chứng tỏ hệ thống ổn định

- Đồ thị Bode

Dùng lệnh bode(num,den) trong matlab ta được đồ thị bode như sau: