Sau khi chọn được cơ cấu dẫn động và dẫn hướng, ta đã thiết kế sơ bộ được phần cơ khi của máy. Để có thể chọn kết cấu cơ khí đảm bảo độ bền vững, ta phải thực hiện kiểm nghiệm độ bền. Nhận thấy trong 3 chuyển động cần cơ cấu dẫn hướng, thì các sống trượt ở trục Y hoạt động ở điều kiện giống như một dầm công xôn nên có khả năng bị biến dạng lớn nhất. Do đó ta tính toán độ biến dạng của các sống trượt trục Y dưới tải trọng khi cắt.
Sơ đồ bố trí:
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Con trượt trục Y có khối lượng P được đặt lên hai con trượt bố trí như hình vẽ, với các khoảng cách a=100mm, L=1000mm, D=32mm. Với việc bố trí hai thanh d=20mm ở phía trên, thì hai tấm ốp hai bên có thể xem như hai ngàm. Ta có sơ đồ tương đương:
Hình 4.10. Sơ đồ dầm tương đương
Để tính chuyển vị của dầm, ta phải giải phóng bớt một liên kết ngàm thành lực XB, YB, và momen MB.
Nhận thấy chuyển vị tại đầu B bằng tổng các chuyển vị do các lực P, YB và momen MB gây ra tại đó và bằng 0, do đó ta có hệ phương trình:
Trong đó δij là chuyển vị tại điểm đặt lực Yi hay momen Mi do lực 1 đơn vị Yj hoặc momen 1 đơn vị Mj gây ra.
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Hình 4.11. Các biểu đồ mômen
Áp dụng phương pháp nhân biểu đồ Veneshagin ta suy ra:
Như vậy ta có hệ phương trình:
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Có thể nhận thấy chuyển vị tĩnh của dầm lớn nhất khi con trượt ở vị trí chính giữa sống trượt, tức là khi x=0,5L. Khi đó:
Đặt 1 lực đơn vị Pk=1 vào chính giữa dầm, ta có biểu đồ mômen
Hình 4.12. Biểu đồ momem gây bởi lực đơn vị Pk = 1
Vậy chuyển vị của dầm tại vị trí chính giữa là:
Ta có các giá trị:
Tổng trọng lượng các chi tiết trên con trượt trục Y: P= 116,8N Chiều dài dầm L= 1m
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Modul đàn hồi của thép C45: E=21. Momen chống uốn của dầm : J=2. 0,5 Chuyển vị của dầm:
Như vậy chế độ lắp H7/e8 đảm bảo cho con trượt có thể trượt tốt trên sống trượt.
Nhận xét đánh giá: Trong chương này ta đã giải quyết được vấn đề đặt ra là thiết kế các cụm chi tiết trong máy. Đến đây, ta đã thu được bản thiết kế hoàn chỉnh kết cấu cơ khí, từ đó hoàn thành việc chế tạo và lắp ráp các chi tiết. Tuy nhiên để máy có thể hoạt động được cần phải có hệ thống điều khiển. Nhiệm vụ thiết kế hệ thống điều khiển sẽ được giải quyết ở chương sau.
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
CHƢƠNG V
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Như đã trình bày, hệ thống điều khiển có nhiệm vụ điều khiển các chuyển động chính của máy bao gồm: chuyển động khứ hồi của đầu cắt trên các trục X,Y,Z và chuyển động quay của lưỡi cắt quanh trục C. Ngoài ra hệ thống điều khiển còn điều chỉnh hệ thống khí nén để cung cấp áp lực cắt trong khoảng đã chọn. Chương này sẽ phân tích, lựa chọn và thiết kế hệ thống điện- điều khiển để máy có thể hoạt động đúng chức năng.
5.1. Lựa chọn phƣơng án thiết kế hệ thống điều khiển 5.1.1. Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điều khiển
Như đã tính toán trong phần thiết kế cơ cấu cơ khí, mạch điều khiển phải thỏa mãn được những yêu cầu thiết kế sau:
Điều khiển đồng thời cả vận tốc và vị trí của ba động cơ DC:
- Điều khiển trục X với hành trình 100mm, công suất 250w, Vmax là 1m/s Vmin là 0.2m/s, độ chính xác 1mm
- Điều khiển trục Y với hành trình 900mm, công suất 250w, Vmax là 1m/s Vmin là 0.2m/s độ chính xác 1mm
- Điều khiển trục quay C độ chính xác 0.5º
- Điều khiển sự lên xuống của trục Z để lưỡi cắt tiếp xúc và tạo áp lực lên tấm kính. Đảm bảo điều kiện an toàn:
Giới hạn hành trình các trục, tránh trường hợp cơ cấu dẫn động đưa dao đi quá hành trình phá hỏng kết cấu máy.
Thiết lập vị trí “0” cho các trục.
Đảm bảo công suất cho các động cơ hoạt động.
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn Đúng Bắt đầu Nhập dữ liệu xử lý Xử lý dữ liệu được nhập Sai Đúng Thực hiện thao tác máy So sánh tín hiệu phản hồi với tín hiệu nhập Sai Kết thúc
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
5.1.2. Hƣớng giải quyết
Căn cứ theo những yêu cầu của hệ thống điều khiển chúng ta sẽ có các phương án điều khiển như sau:
a, Phương án 1:
Hình 5.2. Giải pháp thứ nhất cho sơ đồ khối hệ thống
IC ATMEGA16 là một ic chuyên dụng điều khiển tốc độ vị trí theo thuật toán PID PC
Xử lý dữ liệu Các yếu tố đầu vào:
vị trí, vận tốc, giới hạn hành trình
Vi điều khiển Công tắc hành trình
Điều khiển cơ cấu chấp hành bằng ATMEGA16 Mạch công suất DC1 DC2 DC3 Cơ cấu khí nén Encorder RS232
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Ưu, nhược điểm của phương pháp:
Ưu điểm :
- Sử dụng chuẩn giao tiếp USB port giá thành rẻ tốc độ truyền nhận dữ liệu nhanh 10Mbps, khoảng cách truyền xa(10.16 đến 1000m)
- Giá thành thấp.
- Điều khiển đơn giản, dễ dàng thay đổi các thông số để phù hợp với loại động cơ đang sử dụng.
- Vi điều khiển đóng vai trò làm khối điều khiển trung tâm. Với tần số thạch anh lên đến 16Mhz, do đó nó có thể đáp ứng được các yêu cầu về thời gian trễ. - Ngoài ra, vi điều khiển cũng hỗ trợ rất nhiều tính năng như: giao tiếp máy tính,
biến đổi ADC, timer… - Mạch nhỏ, gọn, dễ thay thế.
Nhược điểm:
- Bộ điều khiển hoạt động dễ bị nhiễu trong môi trường công nghiệp cao.
- Bộ driver có độ chính xác không cao như độ chính xác của driver chuyên dụng - Phải thử nghiệm để đưa ra bộ thông số PID tối ưu cho từng động cơ.
- Có sai số của Encoder do rung động.
Điều khiển cơ cấu chấp hành trục Z
Có nhiều phương pháp để điều khiển sự lên xuống của trục Z
Sử dụng cơ cấu xilanh khí nén Ưu điểm:
- Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ.
- Do khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí, nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi. Vì vậy có khả năng ứng dụng để thành lập một trạm chứa khí nén.
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
- Nén bằng không khí – có số lượng không giới hạn, và có thể thải ra ngoài trở lại bầu khí quyển.
- Chi phí nhỏ, do phần lớn các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn đường dẫn khí nén. - Hệ thống phòng ngừa quá áp được đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình
sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp.
- Các thành phần vận hành trong hệ thống (cơ cấu dẫn động, van, ...) có cấu tạo đơn giản và giá thành không đắt.
- Các van khí nén phù hợp một cách lý tưởng đối với các chức năng vận hành logic, và do đó được sử dụng để điều khiển trình tự phức tạp.
Nhược điểm:
- Lực để truyền tải trọng đến cơ cấu chấp hành thấp.
- Khi tải trọng trong hệ thống thay đổi, thì vận tốc truyền cũng thay đổi theo, bởi vì khả năng đàn hồi của khí nén lớn. (Không thể thực hiện được những chuyển động thẳng hoặc quay đều).
- Dòng khí thoát ra ở đường dẫn ra gây nên tiếng ồn. b, Phương án 2:
Hình 5.3. Giải pháp thứ hai cho sơ đồ khối hệ thống
PC Xử lý dữ liệu Các yếu tố đầu vào:
vị trí, vận tốc, giới hạn hành trình, tín hiệu công tắc hành trình
Driver động servo
DC servo DC servo DC servo DC servo RS232
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Ưu điểm:
- Điều khiển dễ dàng vận tốc và vị trí của động cơ. - Độ chính khá cao.
- Phần cứng đơn giản, nhỏ gọn.
Nhược điểm:
- Sử dụng giao tiếp RS232 dễ bị nhiễu trong môi trường công nghiệp. c, Phương án 3:
Hình 5.4. Giải pháp thứ ba cho sơ đồ khối hệ thống
Ưu điểm:
- Độ ổn định cao trong môi trường có nhiễu công nghiệp
- Một số PLC có tích hợp module sử dụng PID để điều khiển động cơ. Xử lý
dữ liệu Các yếu tố đầu vào:
vị trí, vận tốc Giới hạn hành trình Encorder PLC điều khiển cơ cấu chấp hành Công tắc hành trình Driver motor DC1 DC2 DC3 Động cơ thủy lực Encorder Encorder
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
- Có các module chỗng nhiễu, nên quá trình truyền nhận dữ liệu ít bị lỗi. - Có hỗ trợ các cổng input/ output, và có thể mở rộng số lượng cổng vào ra.
Nhược điểm: - Giá thành đắt.
- Tuy có bộ PLC có hỗ trợ chức năng PID để điều khiển vị trí, và tốc độ của động cơ nhưng PLC không có thế mạnh trong tín hiệu tương tự vì vậy độ chính xác không đạt được như mong muốn.
- Ngôn ngữ viết bằng STT hoặc leader nên tính linh hoạt kém.
Cơ cấu thủy lực điều khiển cơ cấu chấp hành trục Z
Ưu điểm:
- Êm ái , chấp hành nhẹ nhàng , ít giật. - Ít công bảo dưỡng.
- Biến tốc thuận lợi , dễ dàng. - Tuổi thọ cao.
- Ít tiêu hao do má sát khi truyền động. - Thiết kế đảo chiều dễ dàng.
- Chịu quá tải cực tốt .
Nhược điểm: - Giá thành cao.
- Chế tạo đòi hỏi độ chính xác cao. - Lưu chất có giá thành cao.
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
c, Phương án 4:
Hình 5.5. Giải pháp thứ tư cho sơ đồ khối hệ thống
Ưu điểm:
- Giao diện dễ dùng, phần cứng đơn giản.
- Xuất xung điều khiển động cơ bước qua cổng LPT và xung ra rất ổn định. - Hỗ trợ nhận biết file Autocad với định dạng DXF.
Nhược điểm:
- Trong bản dùng thử chỉ có thể điều khiển ba trục X, Y, Z không hỗ trợ điều khiển trục C.
- Mua bản quyền với giá thành cao. - Không có chức năng chống quá tải.
- Muốn thiết lập hành trình cho các trục phải dùng phần cứng ngoài để đóng ngắt mạch điện.
- Không phải là phần mềm có mã nguồn mở, nên rất khó phát triển cho các ứng PC
Xử lý dữ liệu Các yếu tố đầu vào:
vị trí, vận tốc, giới hạn hành trình, tín hiệu công
tắc hành trình
Driver động cơ bước
DC bước
LPT MARCH3
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Sử dụng động cơ bước điều khiển cơ cấu chấp hành trục Z
Ưu điểm:
- Chính xác với hành trình cố định. - Giá thành thấp.
- Dễ thay thế khi có sự cố.
Nhược điểm:
- Phải thiết kế cơ cấu cơ khí dẫn động phức tạp cồng kềnh, vì vậy làm giá thành tăng cao.
- Thời gian va chạm của lưỡi cắt vào bề mặt kính nhanh đột ngột, dễ gây mẻ kính hoặc dao.
- Không khống chế được hiện tượng quá tải (ví dụ, khi vi điều khiển bị nhiễu làm động cơ bước quay liên tục trong khi dao đã tiếp xúc với bề mặt kính thời gian lâu có thể làm hỏng động cơ, gây cháy nổ).
Sau khi so sánh ưu nhược điểm các sơ đồ khối nhận thấy phương án 1 đáp ứng được đầy đủ các yêu cầu của hệ thống điều khiển. Sau đây là sơ đồ khối chi tiết của hệ thống:
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Hình 5.6. Sơ đồ chi tiết của hệ thống
Nhiệm vụ của các phần tử trong sơ đồ khối:
Máy tính : nhận dữ liệu của người sử dụng (vận tốc, vị trí, gia tốc đặt cho các động cơ), kiểm tra dữ liệu để đảm bảo phù hợp với hành trình máy, truyền dữ liệu đó xuống vi điều khiển.
Công tắc hành trình : hạn chế hành trình của các trục X, Y, set 0 cho trục Z Xy lanh khí nén : di chuyển lên xuống trục Z tạo áp lực cắt kính
Khí nén Máy tính Vi điều khiển ATMEGA 16 Mạch công suất
Động cơ 1 Động cơ 2 Động cơ 3
Encorder Encorder Encorder Công tắc Hành trình Vận tốc, vị trí của các trục Màn hình hiển thị RS232
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Vi điều khiển : nhận dữ liệu từ máy tính, truyền dữ liệu xuống ATMEGA16, cấp tín hiệu điều khiển xy lanh khí nén. Nhận dữ liệu từ công tắc hành trình để dừng động cơ khẩn cấp tránh hiện tượng vượt quá hành trình.
ATMEGA16 : nhận dữ liệu từ vi điều khiển, tính toán PID đưa ra xung điều khiển động cơ đến vị trí cho trước.
Mạch công suất : khuếch đại tín hiệu điều khiển từ ATMEGA16 điều khiển động cơ chạy theo hai chiều.
Encorder : phản hồi vị trí và vận tốc thực tế của động cơ về ATMEGA16.
5.2. Lý thuyết chung về hệ thống điều khiển máy cắt kính 5.2.1. Giải thuật PID
5.2.1.1. Nguyên lý
PID là cách viết tắt của các từ Propotional (tỉ lệ), Integral ( tích phân) và Derivative (đạo hàm). Tuy xuất hiện rất lâu nhưng đến nay PID vẫn là giải thuật điều khiển được dùng nhiều nhất trong các ứng dụng điều khiển tự động. Để có cái nhìn rõ hơn về bản chất của thuật toán PID, tôi xin đưa ra ví dụ điều khiển vị trí của một chiếc xe trên đường thẳng:
Giả sử chúng ta có một chiếc xe có gắn một động cơ DC. Động cơ này sinh ra một lực để đẩy xe chạy tới hoặc lui trên một đường thẳng như trong hình 5.6
A e o
Luận văn Thạc sỹ: “Thiết kế chế tạo mô hình Máy cắt kính” GVHD: Lê Thanh Sơn
Gọi F là lực do động cơ tạo ra điều khiển xe. Ban đầu xe ở vị trí A, nhiệm vụ đặt ra là điều khiển lực F (một cách tự động) để đẩy xe đến đúng vị trí O với các yêu cầu: chính xác, nhanh và ổn định.
Nếu vị trí hiện tại của xe rất xa với vị trí mong muốn (điểm O), hay nói cách khác sai số sẽ lớn, ta cần tác động một lực F đủ lớn để nhanh chóng đưa xe về O. Một cách đơn giản để công thức hóa ý tưởng này là dùng quan hệ tuyến tính:
F = Kp.e
Trong đó, Kp là một hằng số dương nào đó mà ta gọi là hệ số tỉ lệ (P), e là sai số cần điều khiển tức khoảng cách từ điểm O đến vị trí hiện tại của xe. Mục tiêu điều khiển là đưa e tiến về O càng nhanh càng tốt. Rõ ràng nếu Kp lớn thì F cũng sẽ lớn và