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

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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 http://www.lrc-tnu.edu.vn 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 Ngun http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUN CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CƠNG 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 Chun ngành: Tự động hố Người HD khoa học: PGS. TS. Võ Quang Lạp Ngày giao đề tài: 01/11/2007 Ngày hồn 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤ C CÁ C HÌ NH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hnh v Tên hì nh vẽ Trang Hnh 1.1 Cơ sở của các máy CNC 1 Hnh 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các 2 Hnh 1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 5 Hnh 1.4 Sơ đồ nguyên lý của 1 my phay đứng 3 trục (X,Y,Z) 6 Hnh 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số 7 Hnh 1.6 Lưu đồ điều khiển hệ CNC 9 Hnh 1.7 Cấu trúc hệ điêu khiển NC 9 Hnh 1.8 Cấu trúc hệ điêu khiển CNC 10 Hnh 1.9 Cc bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 11 Hnh 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy 12 Hnh 1.11 Cấu trúc của hệ CNC 14 Hnh 1.12 Hệ DNC 15 Hnh 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm 17 Hnh 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 21 Hnh 2.2 Cc điểm Reference Marks trên Encoder 22 Hnh 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối giữa công tc trượt và một đầu của dây điện trở. 23 Hnh 2.4 Bộ đo góc, mộ t loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó là một hàm lượng giác của vị trí trục roto . Hai cuộn roto đặt cách nhau 900, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 900 24 Hnh 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn mạch 24 Hnh 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp 25 Hnh 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian 26 Hnh 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số 26 Hnh 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital 26 Hnh 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu (Heidenhain) 27 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hnh 2.11 Phương php nội suy dùng bộ tính toán arctang 28 Hnh 2.12 Phương php nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29 Hnh 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 29 Hnh 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31 Hnh 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36 Hnh 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (,) 38 Hnh 3.3 Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên rotor(x,y) 39 Hnh 3.4 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) 40 Hnh 3.5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator (,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q). 42 Hnh 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 47 Hnh 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 48 Hnh 3.8 Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 48 Hnh 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần 51 Hnh 3.10 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ. 52 Hnh 3.11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 53 Hnh 3.12 Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín. 54 Hnh 3.13 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của hệ thống điều chỉnh tốc độ shai mạch vòng kín. 55 Hnh 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 Hnh 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60 Hnh 3.16 nh 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 Hnh 3.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thi 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá Hnh 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 Hnh 3.19 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65 Hnh 3.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của mạch vòng suất biến đổi dòng điện 66 Hnh 4.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 68 Hnh 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 69 Hnh 4.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 70 Hnh 4.4 Tuyến tính ho đoạn đặc tính từ ho và đặc tính tải 71 Hnh 4.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 72 Hnh 4.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 72 Hnh 4.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn: a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện 73 Hnh 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh lưu 74 Hnh 4.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bn dẫn thyristor a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng. 75 Hnh 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 76 Hnh 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77 Hnh 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78 Hnh 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80 Hnh 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82 Hnh 4.15 Quan hệ giữ a  và  83 Hnh 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87 Hnh 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vàođặt = 10(V), I = 0(A) 88 Hnh 4.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 8,7 A 89 Hnh 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 91 Hnh 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 94 Hnh 5.3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hnh 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I 101 Hnh 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 101 Hnh 5.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 102 Hnh 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103 Hnh 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí 105 Hnh 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt 106 Hnh 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106 Hnh 5.11 Các luật điều khiển mờ 106 Hnh 5.12 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ. 107 Hnh 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 108 Hnh 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 108 Hnh 5.15 Kết quả mô phỏng với đặt = 10V, I = 0A 109 Hnh 5.16 Kết quả mô phỏng với đặt = 10V, I = 8,7A 110 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦ U Ngy nay , cuộ c cá ch mạ ng khoa họ c kỹ thuậ t trên thế giớ i đang phá t triể n vớ i tố c độ vũ bã o , không ngừ ng vươn tới những đỉnh cao mớ i, trong đó có nhữ ng thnh tu v k thut t đng ha sn xut . Đa số cá c má y côn g cụ hiệ n đạ i đượ c điề u khiể n theo chương trì nh số . Đây là nhữ ng điề u kiệ n kỹ thuậ t cơ bả n đ thc hiệ n nhữ ng điề u kiệ n tự độ ng hó a linh hoạ t trên từ ng má y công c điu khin s riêng lẻ , hay cá c trung tâm điề u khiể n số cng như vic g hp ni chng thnh mộ t hệ thố ng linh hoạ t, điề u khiể n liên thông bằ ng má y tí nh ghé p nố i mng. Vớ i tiế n bộ mnh m ca công ngh vi x l đ to điu kin nâng cao vưt bc công năng củ a hệ điề u khiể n số , đồ ng thờ i vớ i việ c ngà y cà ng giả m về giá thà nh ca b điu khin ny. Cm vi x l với tư cch l b phn chnh yu ca thit b v cc bo mch ghp ni ngoi vi l những phn cng không th thiu đưc trong cá c my công c CNC. Trong cá c nhà má y xí nghiệ p công nghiệ p ở nướ c ta hiệ n nay my phay CNC ni riêng v má y công c điu khin s CNC ni ch ung ngy cng đưc s dng rộ ng rã i. Việ c phá t huy hiệ u quả sử dụ ng , bo dưng vậ n hnh my l vn đ đặ c biệ t quan tâm củ a chú ng ta . Muố n phá t huy đượ c hiệ u quả tố i đa kh năng thit b cng như vic ci tin n cho ph hp vớ i điề u kiệ n môi trườ ng và con ngườ i Việ t Nam đò i hỏ i phả i c s hiu biế t sâu sắ c về má y công cụ CNC . Việ c “Nghiên cứ u khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bn my phay CNC ” c mt  ngha rấ t lớ n trong ng nh t đng ha . Đó chnh l ni dung đ ti lun văn tt nghip cao hc ca tôi. Lun văn ny đưc chia thnh 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Tôi xin bà y tỏ lò ng biế t ơn chân thà nh tớ i PGS .TS Võ Quang Lạ p đ  hướng dẫ n tậ n tình, chỉ bo cn k đ tôi hon thnh luậ n văn nà y . Xin gử i lờ i cả m ơn tớ i tấ t cả cc Thy cc cô Khoa sau đạ i họ c, Khoa đin v cc bn đng nghip Trườ ng ĐHKT Công nghiệ p Thá i Nguyên. Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008 Tác giả luận văn Tạ Minh Tiến 1 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 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. 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. Y Z X [...]... doa lớn nhát của máy doa 4 Chiều rộng lớn nhất của bàn máy phay 5 Kích thước khuôn và trọng lượng máy 6 Số trục phối hợp có thể điều khiển và số trục có thể điều khiển đồng thời 7 Ngăn chứa dụng cụ (dao) 8 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... Manufacturing System) Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các 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... điểm là hệ điều 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... 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... 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 nghiê p 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... công dùng cho từng mục đích riêng biệt hoặc xây 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... đên hê thông đo lường và điêu khiên trong máy ́ ̃ ̀ ̣ ́ ̣ ́ ̀ ̉ CNC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 21 CHƢƠNG II HỆ THỐNG ĐO LƢỜNG VÀ ĐIỀU KHIỂN TRÊN MÁY CNC 2.1 Hệ thống đo lƣờng trong máy công cụ CNC Mỗi trục chuyển động được điều chỉnh của một máy CNC bao giờ cũng có hai thiết bị đo lường, đó là thiết bị đo tốc độ quay của động cơ và thiết bị đo vị trí... 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 Dữ liệu từ vật mang tin Máy CNC Máy CNC Hình 1.12 Hệ DNC Hệ DCN có thể trao... (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 . 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 . 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