Nghiên cứu nâng cao chất lượng truyền động bàn máy gia công tia lửa điện cnc

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC NGUYỄN THỊ MAI THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC Ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: Học viên: NGUYỄN THỊ MAI Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS VÕ QUANG LẠP THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUN TRƢỜNG ĐHKT CƠNG NGHIỆP CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC Học viên: Nguyễn Thị Mai Lớp: TĐH – K11 Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp Ngày giao đề tài: 01/01/2010 Này hoàn thành: 30/07/2010 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VÕ QUANG LẠP DUYỆT BGH Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên HỌC VIÊN NGUYỄN THỊ MAI KHOA SAU ĐẠI HỌC http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn cơng trình tơi tổng hợp nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Nguyễn Thị Mai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bì a Lời cam đoan Mục lục Danh mục hì nh vẽ và đồ thị Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Mở đầu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC 1.1 Lý thuyết gia công tia lửa điện CNC 1.1.1 Lịch sử phát triển máy gia công tia lửa điện CNC 1.1.2 Nguyên lý gia công tia lửa điện 1.1.3 Các tiêu đánh giá 1.2 Giới thiệu tổng quan máy EDM 1.2.1 Giới thiệu sơ đồ 1.2.2 Các khâu quan trọng sơ đồ 1.3 Hệ thống đo lường máy EDM 14 1.3.1 Cảm biến vị trí, tốc độ 14 1.3.2 Các phương pháp đo vị trí 19 1.3.3 Hệ điều khiển chuyển động 26 CHƢƠNG PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG BÀN 2.1 Các yêu cầu truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC 31 2.1.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ 31 2.1.2 Độ trơn điều chỉnh tốc độ 32 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.1.3.Độ ổn định tốc độ 32 2.1.4 Đặc tính phụ tải 32 2.1.5 Độ xác vị trí 33 2.2 Các hệ truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC 34 2.2.1 Truyền động thuỷ lực 34 2.2.2 Hệ truyền động dùng động bước 37 2.2.3 Hệ truyền động dùng động tuyến tính 40 2.2.4 Hệ truyền động dùng động AC servo(AC servo motor) 41 2.2.5 Hệ truyền động dùng động servo chiều(DC servo motor) 42 2.2.6 Hệ truyền động Thyristor - động (T- Đ) 44 2.2.7 Hệ truyền động xung điện áp động điện chiều 45 CHƢƠNG PHÂN TÍCH VÀ TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN 3.1 Sơ đồ khối 54 3.1.1 Giới thiệu sơ đồ 54 3.1.2 Thiết kế mạch tạo xung điều khiển đảo chiều 57 3.2 Tổng hợp hệ thống 62 3.2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 62 3.2.2 Hàm số truyền khâu sơ đồ 63 3.2.3 Tổng hợp hệ điều khiển 65 3.3 Mô hệ truyền động bàn máy EDM sử dụng điều khiển PD 71 3.3.1 Tính tốn thơng số hệ truyền động 71 3.3.2 Xây dựng sơ đồ mô hệ điều khiển bàn máy gia công tia lửa điện sử 71 dụng điều khiển PD CHƢƠNG NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC 4.1 Tính phi tuyến điều khiển vị trí Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 74 http://www.lrc-tnu.edu.vn 4.2 Ứng dụng điều khiển mờ mạch vịng vị trí 76 4.2.1 Đặt vấn đề 76 4.2.2 Tổng hợp điều chỉnh mờ PD 4.2.3 Sơ đồ mô 77 4.3 Mô hệ thống 4.3.1 Mơ hệ thống truyền động với tín hiệu đặt hàm step 1(t) 83 4.3.2 Mô hệ thống truyền động với tín hiệu đặt hàm hình sin 85 4.3.3 Nhận xét, so sánh kết mô Kết luận kiến nghị 86 82 83 88 Tài liệu tham khảo Phụ lục Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT NC Numberical Control CNC Computer Numberical Control CAD Computer Aided Design CAM Computer Aided Manufacturing AC Altemating Current DC Direct Current EDM Electrocdischarge machining MCU Machine Control Unit CPU DAC PM Central processing Unit Digital Analog Convert Permanent Motor VR Variable – Reluctance steper motor PWM Pulse Width Modulation PID Proportional Intergal Derivative Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn MỞ ĐẦU Sự phát triển khoa học công nghệ đem đến tăng trưởng bền vững cho nước công nghiệp, đặc biệt nhờ giá trị gia tăng “ chất xám’’ áp dụng vào sản phẩm công nghệ cao Các sản phẩm có mặt hầu hết ngành kinh tế quốc dân sinh học, y học, hàng không vũ trụ, cơng nghiệp… Nước ta q trình CNH – HĐH hội nhập kinh tế quốc tế nên sản phẩm phải chịu áp lực cạnh tranh lớn với sản phẩm nước công nghiệp phát triển với đặc điểm mẫu mã đẹp, chất lượng tốt, giá thành hạ Ngày sản xuất đời sống xuất ngày nhiều sản phẩm chi tiết có hình dáng phức tạp làm từ vật liệu cứng khó gia cơng cắt gọt Thực tế địi hỏi phải phát triển phương pháp cơng nghệ mới, có gia cơng tia lửa điện Phương pháp cịn gọi gia công EDM ( Electrical Discharge Machining ) Máy gia công tia lửa điện máy gia công xuất nhiều nước ta, nhiên việc đào tạo công nghệ chưa quan tâm trường Đại học kỹ thuật Viện nghiên cứu Trong việc tự động hoá dây chuyền sản xuất, điều chỉnh tự động truyền động điện giữ vai trị vị trí quan trọng đặc biệt địi hỏi máy sản xuất phải lớn, tính làm việc cao Trong máy gia công tia lửa điện CNC phần công nghệ hệ truyền động cần nghiên cứu, khảo sát hoàn thiện dần, phần để phục vụ công tác nghiên cứu, phần để ứng dụng vào sản xuất Vì việc nghiên cứu hệ truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC cần thiết Trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp ở nước ta hiện máy công cụ điều khiển số CNC ngày càng được sử dụng rộng rãi Việc phát huy hiệu quả sử dụng, bảo dưỡng vận hành máy vấ n đề đặc biệt quan tâm của chúng ta Muốn phát huy hiệu tối đa khả thiết bị việc cải tiến cho phù hợp với điều kiện môi trường và người Việt Nam đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về má y cơng cụ CNC có máy gia cơng tia lửa điện CNC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Việc “ Nghiên cứu, nâng cao chất lƣợng truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC” có một ý nghĩ a rất lớn ngành tự động hóa Đó nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học Luận văn chia thành chương sau: Chương - Tổng quan máy gia công tia lửa điện CNC Chương - Phân tích chọn phương án truyền động bàn Chương - Phân tích tổng hợp hệ truyền động bàn Chương - Nâng cao chất lượng hệ thống truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS TS Võ Quang Lạp đã hướng dẫn tận tì nh, bảo cặn kẽ để tơi hồn thành luận văn Xin gửi lời cảm ơn tới th ầy cô Khoa sau đại học , Khoa điện Khoa điện tử viễn thông Trường ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên Thái nguyên Ngày 30 tháng 07 năm 2010 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Mai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 83- 4.2.3 Sơ đồ mô Bộ tiền điều khiển PD Đầu khâu PD phải qua khâu giới hạn tín hiệu sai lệch tỷ lệ đạo hàm có sai lệch tỷ lệ nằm khoảng [+5;-5] sơ đồ mơ hình mơ hệ xây dựng hình 4.9 Hình 4.9 Sơ đồ mơ hệ thống truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC dùng điều khiển PD nối tiếp với điều khiển mờ PD Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 84- 4.3 Mô hệ thống 4.3.1 Mô hệ thống truyền động với tín hiệu đặt hàm step 1(t) * Kết mô với khoảng dịch chuyển rad Bộ điều khiển PD Bộ điều khiển mờ PD nối tiếp PD kinh điển Vị trí Tốc độ Mơmen Hình 4.10 Kết mơ với khoảng cách dịch chuyển bằng1rad Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 85- * Kết mô với khoảng dịch chuyển 10 rad Bộ điều khiển PD Bộ điều khiển mờ PD nối tiếp PD kinh điển Vị trí Tốc độ Mơmen Hình 4.11 Kết mô với khoảng cách dịch chuyển bằng10rad Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 86- 4.3.2 Mô hệ thống truyền động với tín hiệu đặt hàm hình sin + Phần 4.3.1 mơ hệ thống với tín hiệu đặt hàm step 1(t) Trong mục sẽ mơ hệ thống với tín hiệu đặt hàm số biến thiên theo dạng y = Asin(t) với tần số  tính theo rad/s hai trường hợp: - Chọn tín hiệu đặt y có biên độ nhỏ (A = 0.1), máy gia cơng tia lửa điện CNC chế độ gia cơng tinh bước dịch chuyển thường nhỏ - Chọn tín hiệu đặt y có biên độ lớn (A = ), máy gia cơng tia lửa điện CNC chế độ gia cơng thơ bước dịch chuyển thường lớn Vị trí PD Vị trí mờ Vị trí đặt Vị trí thực Hình 4.12 Chất lượng bám ĐK PD ĐK mờ PD nối tiếp với PD kinh điển với tín hiệu đặt y = 0.1sin(t) với  = 1rad/s Hình 4.13 Chất lượng bám ĐK PD ĐK mờ PD nối tiếp với PD kinh điển với tín hiệu đặt y = 0.1sin(t) với  = 10rad/s Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 87- Vị trí PD Vị trí mờ Hình 4.14 Chất lượng bám ĐK PD ĐK mờ PD nối tiếp với PD kinh điển với tín hiệu đặt y = 1sin(t) với  = 1rad/s Hình 4.15 Chất lượng bám ĐK PD ĐK mờ PD nối tiếp với PD kinh điển với tín hiệu thử y = 1sin(t) với  = 10rad/s 4.3.3 Nhận xét, so sánh kết mô * Đối với tín hiệu đặt hàm step 1(t): Hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ PD nối tiếp với PD kinh điển rõ ràng cho kết tốt hẳn so với điều khiển PD kinh điển Điều thể qua tiêu chất lượng bảng ứng với trường hợp khoảng dịch chuyển 10 rad (xem hình 4.11) Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 88- Bộ điều khiển Các tiêu chất lượng mờ PD nối tiếp Bộ điều khiển PD kinh điển PD kinh điển Độ điều chỉnh 0 Thời gian độ 1.3 giây 1.7 giây Số lần điều chỉnh lần lần Dao động áp tải khơng có có Qua thơng số ta thấy hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ PD nối tiếp với PD kinh điển có hai ưu điểm bật so với hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển PD kinh điển là: - Vị trí cần điều khiển đạt độ xác nhanh - Dao động áp tải khơng có Với hai ưu điểm này, hệ điều chỉnh vị trí cho máy gia cơng tia lửa điện CNC sử dụng điều khiển mờ PD nối tiếp với PD kinh điển sẽ gia công sản phẩm có chất lượng tốt * Đối với tín hiệu đặt hàm hình sin: - Với biên độ (A= 0.1 ), tần số khác điều khiển PD kinh điển điều khiển mờ PD nối tiếp với PD kinh điển có khả điều chỉnh bám tốt (xem hình 4.12và hình 4.13) - Với biên độ (A= ), tần số khác ta thấy: Với tần số biến đổi không lớn rad/s nhiều, hai điều khiển đảm bảo chất lượng điều khiển bám tốt (hình 4.14) Nhưng với tần số biến đổi nhanh 10 rad/s, điều khiển PD kinh điển khơng cịn trì khả điều khiển bám tốt (hình 4.15) điều khiển mờ PD nối tiếp với PD kinh điển cho phép điều khiển bám tốt Điều thể ưu điểm điều khiển mờ PD nối tiếp với PD kinh điển so với điều khiển kinh điển hệ thống điều khiển bám Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn - 89- KẾT LUẬN VÀ KIẾ N NGHỊ * Kết luận: Qua trình nghiên cứu, thực đề tài “ Nghiên cứu, nâng cao chất lượng truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC” luận văn đạt số kết sau: - Sau nghiên cứu yêu cầu bàn máy gia công tia lửa điện CNC đặc tính phụ tải hệ thống truyền động, phân tích chọn phương án truyền động thích hợp hệ truyền động PWM động điện chiều Trong PWM dùng loại tranzitor kết hợp với điôt xây dựng theo nguyên tắc hình H Với sơ đồ phương pháp khống chế hệ thống có nhiều ưu điểm so với hệ thống truyền động khác Qua tổng hợp, mô hệ thống ta thấy hệ thống đảm bảo chất lượng theo yêu cầu truyền động bàn máy - Qua việc phân tích nguyên lý làm việc hệ thống thấy rõ mạch vòng vị trí khâu phi tuyến tìm biện pháp để bù sai lệch vị trí cách đưa khâu bù mờ vào để bù sai số tốc độ Kết khảo sát mô chứng minh điều - Việc nghiên cứu tính chất điều khiển mờ phân tích cách mắc điều khiển mờ mạch vòng vị trí chọn cách mắc điều khiển PD mờ nối tiếp với điều khiển PD kinh điển Cách mắc sẽ thích hợp với cách xây dựng mạch, đồng thời hai mắc nối tiếp đặc tính tích hai khâu nên làm tăng độ nhạy hệ thống dẫn tới chất lượng hệ thống tốt * Kiến nghị: Đây kết nghiên cứu mặt lý thuyết Để áp dụng vào thực tế cần phải tiếp tục nghiên cứu, hồn thiện kiểm nghiệm mơ hình thực tế Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHỤ LỤC CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ TRUYỀN ĐỘNG Hình 2.1.pl Động co bước PM hai cực Hình2.2.pl Động bước cực stator cực rotor Hình 2.3pl Động bước kiểu lai Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.4pl Các loại động tuyến tính điều khiển Hình 2.5pl Cấu tạo động sevor khơng chổi than Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.6pl Dạng dòng điện, điện áp cấp cho động servo khơng chổi than Hình 2.7pl Động DC servo không chổi than điều khiển điều khiển Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.8pl Mạch lực điều khiển động DC servo Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.9pl Sơ đồ khối điều khiển servo thực tế hang Rock - well Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn PHỤ LỤC TÍNH TỐN CÁC THƠNG SỐ HỆ TRUYỀN ĐỘNG * Các thơng số hệ truyền động: Pđm : Công suất định mức động 0,7 kW Uđm : Điện áp định mức động nđm : Tốc độ quay định mức động 1500 v/p Iđm : Dòng điện định mức động 3.4A Lư : Điện cảm phần ứng 0,1944 H R : Điện trở phần ứng 6.7  Ti : Hằng số thời gian máy biến dòng 0,0025 s T : Chu kỳ điện áp chọn 0,0033s Tđk : Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu 0,00015 s T : Hằng số thời gian máy phát tốc 0,0015 s T : Hằng số thời gian cảm biến vị trí 0,3 s đm : Hiệu suất định mức động 80% 220 V * Tính tốn thơng số hàm số truyền hệ truyền động: Tốc độ góc định mức: ωdm  π n dm π 1500   157,1 rad/s 60 60 Mômen định mức: Mđm = kđm.Iđm = 1,1281.3,4=3,8354 Nm Trong kdm  U dm  I dm R 220  3,4.6,7   1,1281 ω dm 157,1 Hằng số thời gian điện từ phần ứng: L 0,1944 Tu  u   0,029s R 6,7 Hàm truyền khâu điện từ động cơ: WD (p)  1/R 0,1493 1/6,7    Tu p  0,029.p  0,029.p Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Hàm truyền biến đổi: K PWM 22   T.p  0,0033.p WBBD  Trong đó: K PWM  U dm 220   22 U dk 10 * Hàm truyền điều chỉnh dòng điện: R Tu 2.K PWM K i Tsi R i (p)   1  pTu     Trong đó: Tsi  Ti  Tck  Tdk  2,5ms  3,3ms  0,15ms  5,95.103 s Ki: Hệ số khuếch đại cảm biến dòng điện Ki   U dk 10   2,9412 I dm 3,4 R i (p)   6,7.0,029  1   3  2.22.2,9412.5,95.10  0,029.p   R i (p)  5,0077.1     0,029.p  * Hàm truyền điều chỉnh tốc độ: R ω (p)  K i K Tc R.K ω 2.Tsω Trong đó: + Hệ số khuếch đại cảm biến tốc độ: Kω  Ta có: K ω  U đ  Chọn Uđ = V  0,0318 157,1 + Tsω  Tω  2.Tsi  1,5  2.5,95  13,4ms + Tc  J.R 0.85.6,7   4,475s k 1,12812 Thay số vào ta có: Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn R ω (p)  K K.T i c R.K ω 2.Tsω  2,9412.1,1281.4,475  2.604,8957 6,7.0,0318.2.0,0134 * Hàm truyền điều chỉnh vị trí R: Kω (1  2.Tsω p) K r K 2.T R  (p)  Trong đó: + Hệ số khuếch đại cảm biến vị trí: T K  U Td  K  U Td T Với: l  T r  π r n ; Chọn l = 100cm, r = 0,32cm n  l 100   50 π r π 0,32 l r  T   π n  100 π(rad) Thay số vào ta có: K  10  0,032 100.π + Hệ số khuyếch đại truyền lực: T   K r ω dt  K r ω.t  Kr  Vậy : R  (p)  T 100.π  1 ωt 157,1.2 Kω 0,0318 (1  2.Tsω p)  (1  0,0268.p) K r K 2.T 1.0,032.2.0,3 R(p) = 1,656.(1+0,0268)p Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ... CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC 1.1 Lý thuyết gia công tia lửa điện CNC 1.1.1 Lịch sử phát triển máy gia công tia lửa điện CNC 1.1.2 Nguyên lý gia công tia lửa điện 1.1.3 Các tiêu... nhiều vấn đề cần nghiên cứu máy gia công tia lửa điện CNC Trong vấn đề luận văn chọn vấn đề nghiên cứu truyền động bàn máy gia công tia lửa điện Hệ truyền động khảo sát hệ truyền động mạch vịng... điện CNC Chương - Phân tích chọn phương án truyền động bàn Chương - Phân tích tổng hợp hệ truyền động bàn Chương - Nâng cao chất lượng hệ thống truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC Tôi