CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tínhcác máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA274D, thường gọi là mã G.Máy CNC là một trong những công cụ hỗ trợ quá trình gia công cơ khí khá đắc lực. Khả năng công nghệ của máy giúp năng lực sản xuất của doanh nghiệp tang lên gấp nhiều lần.Máy CNC có thể dễ dàng bắt gặp ở hầu như mọi công xưởng, từ nhửng công xưởng có quy mô nhỏ và vừa đến những công xưởng sản xuất với công suất lớn.
ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY PHAY CNC .5 Khái niệm máy phay CNC .5 1.2 Kết cấu hệ thống dẫn dộng máy CNC 1.2.1 Mơ hình khái qt máy CNC 1.2.2 Cấu tạo máy CNC 1.2.3 Phân loại máy CNC 1.3 KẾT LUẬN .10 CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BÀN MÁY PHAY X, Y 11 2.1 SỐ LIỆU CHO TRƯỚC 11 2.2 KẾT QUẢ TÍNH TỐN 11 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TỐN HỌC, ĐẶC TÍNH KHI CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC BÀN MÁY 13 3.1 Xây dựng mơ hình tốn học, đặc tính điều khiển chuyển động bàn máy X .13 3.1.1 Thông số đầu vào: 14 3.1.2 Phương trình tốn học 14 3.1.3 Tìm hàm truyền đạt G(s) bàn X 16 3.1.4 Kiểm tra tính ổn định hàm truyền G(s) 16 3.2 Thiết kế điều khiển PID .22 3.3 Xây dựng mơ hình tốn học, đặc tính điều khiển chuyển động bàn máy Y .29 3.3.1 Thông số đầu vào: 29 3.3.2 Phương trình tốn học 29 3.3.3 Tìm hàm truyền đạt G(s) bàn X 31 3.3.4 Kiểm tra tính ổn định hàm truyền G(s) 32 GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 3.4 Thiết kế điều khiển PID .37 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC 40 Tìm hiểu khối công cụ Simmechanics Matlab 40 4.2.Giới thiệu Simulink Matlab 43 4.3 Mô bàn máy chạy theo quỹ đạo mong muốn 46 4.3.1.Gia công thẳng: .46 4.3.2.Điều khiển tròn 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO .67 GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ LỜI MỞ ĐẦU Thế giới kỉ 21 chứng kiến thành tựu vượt bậc khoa học công nghệ, kĩ thuật, y học,… Con người hướng tới cách mạng nhằm tăng suất lao động, dần thay vai trò người sản xuất Cơ khí, điện tử, tin học có tảng khoa học vững chắc, lịch sử phát triển lâu dài, có sản phẩm vơ đa dạng Tuy nhiên, với tốc độ phát triển thời đại, yêu cầu cao cách hoạt động máy móc, máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển thông minh Việc sử dụng máy móc để thay sức lao động người xu hướng tất yếu để tăng suất lao động, tạo nhiều sản phẩm chất lượng cao.Doanh nghiệp hướng tới mục đích kinh tế cao, chi phí hạn chế tối thiểu Cơ khí ngành khoa học, lĩnh vực thiếu , gắn liền với trình phát triển người Chúng ta quan tâm dành nhiều thời gian để nghiên cứu thuật ngữ “ máy công cụ CNC” Máy CNC tiến phát triển vượt bậc công nghiệp.Sự xuất máy CNC nhanh chóng làm thay đổi q trình sản xuất cơng nghiệp.Các đường cong thực dễ dàng đường thẳng, cấu trúc phức tạp chiều dễ dàng thực lượng lớn thao tác người giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa q trình sản xuất tạo nên xác chất lượng ngày cao Máy CNC phổ biến như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC, Sự tiến kĩ thuật, trí thơng minh nhân tạo, điều khiển số tạo máy CNC có nhiều trục 3, trục chuyển động ngày linh hoạt khéo léo.Bài báo cáo trình bày chủ yếu máy phay CNC có trục GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đồ án thiết kế khí này, em tìm hiểu q trình tính tốn thiết kế hệ thống dẫn hướng máy phay CNC Nhiệm vụ tính tốn thiết kế lựa chọn hệ thống vít me bi, hệ thống ray dẫn hướng, ổ bi động điều khiển cho trục X, Y.Kiến thức hạn hẹp thiếu kinh nghiệm tìm hiểu đồ án, nhiều yếu tố khách quan tác động nguyên nhân khiến báo cáo khó tránh khỏi thiếu xót Lời cuối em xin dành lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Ngọc Huyền nhứng bảo giúp đỡ tận tình Bản báo cáo đồ án khơng thể hồn thành thiếu quan tâm GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY PHAY CNC Khái niệm máy phay CNC CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển máy tính) – đề cập đến việc điều khiển máy tínhcác máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) phận kim khí (hay vật liệu khác) phức tạp, cách sử dụng chương trình viết kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA274-D, thường gọi mã G Máy CNC công cụ hỗ trợ q trình gia cơng khí đắc lực Khả công nghệ máy giúp lực sản xuất doanh nghiệp tang lên gấp nhiều lần Máy CNC dễ dàng bắt gặp cơng xưởng, từ nhửng cơng xưởng có quy mô nhỏ vừa đến công xưởng sản xuất với công suất lớn 1.2 Kết cấu hệ thống dẫn dộng máy CNC 1.2.1 Mơ hình khái qt máy CNC Gồm thành phấn là: - Phần điều khiển - Phấn chấp hành - Các cấu điều khiển gia công kim loại - Hệ thống phối hợp máy tính thiết bị khác Kết cấu khái quát mô tả sơ dồ : GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Kết cấu khái quát máy CNC Máy gồm phần chính: phần điều khiển phần chấp hành: ❖ Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển cấu điều khiển + Chương trình điều khiển: tập hợp tín hiệu (các lệnh) để điều khiển máy, mã hóa dạng chữ , chữ số số ký hiệu khác dấu cộng, dấu trừ, Tập lệnh (chương trình) ghi lên cấu mang chương trình dạng mã băng đục lỗ hay nhớ máy tính… + Các cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cấu đọc chương trình, thực phép biến đổi cần thiết để có tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra hoạt động cấu chấp hành thông qua cảm biến… ❖ Phần chấp hành: Gồm cấu gia công kim loại số cấu phục vụ vấn đề tự động hóa cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn….Cũng máy cắt gọt kim loại khác, phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiêt Tùy theo khả cơng nghệ máy mà máy có: thân máy, bàn máy, trục chính, kết cấu thiết kế với đặc điểm đáp ứng yêu cầu trình điều khiển tự động GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ máy, ví dụ phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải phoi bôi trơn… 1.2.2 Cấu tạo máy CNC Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC Kết cấu động học máy phay đứng CNC bao gồm: Cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn máy máy phay điều khiển CNC ❖ Cụm trục nơi gá đặt dụng cụ cắt tạo tốc độ cắt gọt Trục dẫn động động servo trục (trục Z) điều khiển , GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ điều khiển điều chỉnh điều khiển CNC, có khả cho tốc độ quay giới hạn thiết kế máy Hệ thống truyền động cụm trục tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ cho việc thay đổi tốc độ quay thời gian ngắn Tốc độ quay trục ln cảm biến đo phản hồi điều khiển CNC Trên trục có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụng cụ tự động khí nén thủy lực nhằm tự động hóa hồn tồn q trình thay dao Chuyển động theo trục Z máy cụm trục thực , dẫn động nhờ động servo ❖ trục Z thông qua truyền vitme đai ốc bi, điều khiển điều chỉnh điều khiển CNC kín, có phản hồi ❖ Hệ thống thay dao máy phayCNC tự động hóa hồn tồn , thơng thường ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép Vị trí thay dao cụm trục vị trí xác định nhà sản xuất nhằm không xảy tượng va đập với chi tiết phận khác máy trình thay dao Hiện nay, nhà sản xuất trung tâm gia cơng khí CNC cịn đưa hệ thống thay dao đơn giản ổ chứa dao tự hành, vừa có chức chứa dao, vừa có chức thay dao tự động ❖ Bàn máy máy phay CNC thơng thường có hai khả chuyển động theo trục X Y , dẫn động nhờ động servo, thông qua truyền động vitme bi, điều khiển điều chỉnh tốc độ điều khiển CNC kín có phản hồi ❖ Bộ điều khiển CNC máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình điều khiển số nạp vào điều khiển , tiến hành xử lý thông tin phát lệnh điều khiển GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ cấu chấp hành Các lệnh điều khiển phân nhánh thành lệnh hệ : hệ lệnh đường hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển q trình thình thành hình dáng hình học chi tiết 1.2.3 Phân loại máy CNC - Máy tiện CNC Máy tiện CNC -Máy phay CNC GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Máy phay CNC 1.3 KẾT LUẬN ❖ Các thông số làm việc: + Loại máy: Máy phay CNC + Khối lượng lớn chi tiết: M= 300 kg + Vận tốc chạy lớn chạy không: V1 = 16 m/phút + Vận tốc chạy lớn gia công: V2 = m/phút + Thời gian hoạt động: 05-07 năm ❖ Đồ án trình bày trình thiết kế hệ thống dẫn động cho máy CNC dạng di chuyển trục nên bao gồm cơng việc như: tính tốn chọn vít me, cụm ổ đỡ, ray dẫn hướng, động cơ, xây dựng mơ hình tính tốn, khảo sát đặc tính điều khiển chuyển động bàn máy mô hoạt động hệ thống gia công GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 10 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Tiến hành liên kết để chương trình Simulink hồn chỉnh sau: ➢ Thiết lập khối: • Joint Actuator: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 53 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ • Joint Sensor: • Mux: • Sum: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 54 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ • XY Graph: Tương ứng với “Đáp ứng” “Tín hiệu đặt”: • Subsystem: Tương ứng với “PID ban y” “PID ban x”: PID bàn Y: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 55 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ • • PID ban y: Hàm truyền Y: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 56 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ • PID Bàn X : • PID Bàn X: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 57 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ • Hàm Truyền X: • Clock: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 58 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ❖ Kết mô phỏng: ▪ Scope Bàn X: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 59 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ▪ Scope Bàn Y: Nhận xét: Tín hiệu phản hồi bám sát so với tín hiệu đặt GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 60 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ▪ Tín hiệu đặt: ▪ Đáp ứng: Nhận xét: Tín hiệu “Đáp ứng” thực tế sát với “Tín hiệu đặt”, kết ta đường thẳng thỏa mãn điều kiện đề GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 61 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ 4.3.2.Điều khiển tròn Sơ đồ thuật toán: Bắt đầu Nhập A( x0 , y0 ), C( xc , yc ) → I(xi , yi ),R, i, t, N , egh x = x0 + R sin Đưa hàm r yr = y0 + R cos Bộ PID i +1 = i + Bộ PID 2 t N i +1 = i + 2 t N ydk = y0 + R cos i +1 xdk = x0 + R sin i +1 = xdk − xr egh = ydk − yr egh Bộ PID điều khiển vị trí x với tham số Bộ PID điều khiển vị trí y với tham số: Kp= 9764,65 KP= 9403,68 KI= 22640,57 KI= 19134,13 KD= 507,44 KD= 588,36 Điều khiển bàn X Điều khiển bàn Y Kết thúc GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 62 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Ta có phương trình đường trịn qua hai điểm A( x0 , y0 ), C ( xc , yc ) nhận AC làm đường có phương trình ( x − xi )2 + (y− yi )2 = R Với I ( xi , yi ) = I ( R= x0 + xc y0 + yc , ) trung điểm AC 2 xc − xc x0 + x0 + yc − yc y0 + y0 2 Ta viết phương trình đường tròn dạng tham số sau: x = xi + R sin(a(t )) y = yi + Rcos(a(t )) Cũng để thảo mãn điều kiện quỹ đạo vận tốc quỹ đạo đặt phải bậc 3: a(t ) = a0 + a1t + a2t + a3t s (0) = A( x0 , y0 ) x(0) = x0 v(0) = v = v (0) = Và phải thỏa mãn điều kiện : (*) x s ( t ) = C ( x , y ) x (t ) = x c c c c c v(tc ) = vc = vx (t c ) = Từ ta tìm hệ số a0 , a1 , a2 , a3 sau: a1 = , a0 = arcsin( Suy ra: 𝑎3 = − 2𝑤 𝑡𝑐 x − xi x −x x0 − xi ) − arcsin( i ) ) , đặt w = arcsin( c R R R , 𝑎2 = GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 3𝑤 𝑡𝑐 Page 63 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Ví dụ: Cho đầu dao chạy từ điểm A(0;0) đến điểm C(0.3;0) với 𝑡𝑐 = Từ công thức ta xác định hệ số : 𝜋 𝜋 3𝜋 4 𝑎0 = − ; 𝑎1 = 0; 𝑎2 = ; 𝑎3 = − ; 𝑥𝑖 = 𝑅 = 0.15 Ta thu hàm: Fcn_Ban_Y: 0.15*cos(-pi/2+0.75*pi*u^2-0.25*pi*u^3) Fcn_Ban_X: 0.15+0.15*sin(-pi/2+0.75*pi*u^2-0.25*pi*u^3) *Sơ đồ mô matlap: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 64 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ❖ Kết mô phỏng: ▪ Scope Bàn _X: ▪ Scope Bàn_Y: GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 65 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ ▪ Tín hiệu đặt: ▪ Đáp ứng: Nhận xét: “Tín hiệu đặt” “Đáp ứng” tương đồng, điều khiển đảm bảo yêu cầu bám quỹ đạo cho trước GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 66 ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ TÀI LIỆU THAM KHẢO - PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Nguyễn Phương, 2007 Cơ sở máy công cụ NXB Khoa học & kĩ thuật Catalog hãng PMI, website: www.pmi-amt.com PMI ballscrews catalog, Precision motion industries, INC AMT linear guideway, Precision motion industries, INC Catalog hãng sản xuất ổ bi SKF, website: www.skf.com Catalog hãng sản xuất động ANILAM website:http://www.acurite.com - Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, 2006 Tính tốn thiết kế dẫn động hệ thống khí, tập I, II NXB Giáo dục - Tạ Duy Liêm, 2002 Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ NXB Khoa học & kĩ thuật - Nguyễn Đắc Lộc, Tăng Huy, 2000 Điều khiển số công nghệ máy điều khiển số CNC NXB Khoa học & kĩ thuật GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page 67 ... máy cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải phoi bôi trơn… 1.2.2 Cấu tạo máy CNC Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC Kết cấu động học máy phay đứng CNC bao gồm: Cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn. .. 1.2.3 Phân loại máy CNC - Máy tiện CNC Máy tiện CNC -Máy phay CNC GVHD: TS Ngyễn Anh Tuấn SVTH: Vũ Minh Hiếu MSSV: 20175865 Page ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Máy phay CNC 1.3 KẾT LUẬN ❖ Các... THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Đồ án thiết kế khí này, em tìm hiểu q trình tính tốn thiết kế hệ thống dẫn hướng máy phay CNC Nhiệm vụ tính tốn thiết kế lựa chọn hệ thống vít me bi, hệ thống ray dẫn