3 MÔ HÌNH HÓA VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
4.2 CẢM BIẾN ĐO DÒNG VÀ NGUỒN ĐIỆN HÀN
Cảm biến đo dòng điện hàn dựa trên hiệu ứng Hall. Cảm biến Hall đƣợc sử dụng là loại cảm biến Open Loop Hall Effect của hãng ABB mang số hiệu ABB ES500C.
31
Hình 4-1Cảm biến Hall đo dòng điện hàn Bảng 4-1Thông số cảm biến Hall Bảng 4-1Thông số cảm biến Hall
Cƣờng độ đo danh nghĩa A r.m.s. 500
Giới hạn đo (IPMAX) @ ±15V (±5%) A peak ±800
Giới hạn đo (IPMAX) @ ±24V (±5%) A peak ±800
Max. Điện trở đo @IPMAX &±15V (±5%) Ω 7
Max. Điện trở đo @IPMAX&±24V (±5%) Ω 60
Min. Điện trở đo @ U & ±15V (±5%) Ω 0
Min. Điện trở đo @ U & ±24V (±5%) Ω 0
Cƣờng độ đầu ra tại IPN mA 100 Độ chính xác tại IPN @ +25°C % <±0.5 Độ chính xác tại IPN @-5... +70°C % <±1 Độ chính xác tại IPN @-20... +70°C % <±1 Cƣờng độ offset @ +25°C mA <±0.25 Độ tuyến tính % <0.1 Hệ số ảnh hƣởng nhiệt độ -5... +70°C μA/°C <5 Hệ số ảnh hƣởng nhiệt độ -20... +70°C μA/°C <16 Độ trễ ms <1
di/dt độ thay đổi cƣờng độ A / μs <100
Dải tần -1dB kHz <100
Max. Dòng điện không tải @ ±24V (±5%) mA <12
Điện trở đầu ra @ +70°C Ω <76
Cƣờng độ điện môi Vào/Ra 50 Hz, 1 min kV 3
Điện áp nguồn ±5% V d.c. ±12… ±24
32 Khối lƣợng kg 0.210 Nhiệt độ hoạt động °C -20 …+70 Nhiệt độ lƣu trữ °C -25 ...+85 4.2.2 Máy hàn ợc sử dụ 403/S Art. 530. Với các đặc tính:
o Ngõ vào định mức: điện áp ba pha 230V~50/60Hz
o Ngõ ra định mức: 400A/34V.
o Điện áp ra cực đại là 47V.
o Dòng ra cực đại 430A.
4.3
33
Bảng 4-2 Thông số đặc tính cơ cấu quay đầu hàn
Đặc tính Mô tả
Tốc độ quay tối đa 50 vòng/s = 50hz
Động cơ quay đầu hàn 24VDC – 3000 vòng/phút – 15W
Encoder đầu hàn 1000 xung/vòng
Khoảng dịch chuyển đứng 35mm
Bán kính quay đầu hàn 3mm
Theo nhƣ nguyên lý hoạt động của cảm biến hồ quang quay, đầu hàn phải đƣợc quay với một vận tốc nhất định, một chu kỳ quay đầu hàn sẽ tạo ra một chu kỳ tín hiệu cƣờng độ dòng và để điều khiển đƣợc đầu hàn dò theo rãnh hàn ta cần phải có đủ dữ liệu của một chu kỳ. Vậy để tăng tốc độ điều khiển ta cần tăng tốc độ quay đầu hàn, nhƣng nếu tăng quá cao sẽ có bị hiện tƣợng hồ quang văng đi do lực ly tâm. Vì vậy tần số quay đầu hàn đƣợc chọn là 20Hz hay 1200 vòng/phút, là tần số ở mức trung bình. Để điều khiển ổn định tốc độ quay của đầu hàn ta sử dụng bộ điều khiển PID vận tốc.Đầu hàn đƣợc truyền động sao cho có thể cho dây hàn đi qua đầu hàn đang quay.
Cơ cấu đƣợc lựa chọn là bộ truyền bánh răng ăn khớp ngoài có trục rỗng cho dây hàn đi qua. Ở cuối đầu hàn, phía dây hàn đƣợc đẩy ra, đầu dây hàn đƣợc giữ lệch một khoảng bằng bán kính lệch thiết kế sẵn dựa theo bề rộng của rãnh hàn. Khi động cơ quay sẽ dẫn động bánh răng chủ động qua khớp nối đàn hồi, qua bộ truyền bộ truyền bánh răng đầu hàn sẽ quay dẫn đến dây hàn cũng quay cộng thêm máy hàn đẩy dây hàn ra với vận tốc cấp dây w sẽ giúp cho dây hàn vừa đƣợc đẩy ra vừa đƣợc quay.Cần giảm ma sát ở đầu ra dây để khi bị xoay dây hàn không bị xoắn dẫn đến đứt dây hàn. Bộ truyền bánh răng có tỉ số truyền 1:1.
Vận tốc quay đầu hàn đƣợc hồi tiếp bằng một Encoder 1024xung/vòng.
Khí hàn và dây hàn đƣợc cung cấp từ máy hàn đi qua trục rỗng đến phôi hàn.Ống bao khí có tác dụng hội tụ khí tại điểm hàn tránh phân tán khí bảo vệ sẽ đƣợc
34
cách điện với dây hàn qua ống nhựa cách điện.Đầu hàn có thể thay đổi ứng với từng loại đƣờng kính dây hàn khác nhau (0.8mm; 1mm; 1.2mm).Bán kính quay đầu hàn có thể thay đổi các mức 2mm, 2.5mm, 3mm.
Một slide chuyển động thẳng đứng với hành trình 35mm mang theo đầu hàn mục đích điều chỉnh khoảng cách từ đầu hàn đến phôi hàn thích ứng với các thông số hàn thay đổi.
Hình 4-3 Kết cấu truyền động cơ cấu quay đầu hàn
35
4.4
Bàn 2D mang đầu hàn đƣợc đặt trên hai thanh thép U và hệ thống gân chống nhàm chống rung trong quá trình hàn hồ quang với đầu hàn quay tốc độ cao.Để đáp ứng yêu cầu về độ chính xác cao trong di chuyển, giảm tối thiểu độ rơ của cơ cấu, bộ truyền đƣợc sử dụng là visme – đai ốc bi.
Hình 4-4 Mô hình tổng quan bàn máy 2D Bảng 4-3 Thông số thiết kế bàn máy
Đặc tính Mô tả Khoảng hành trình dọc 1000mm Khoảng hành trình ngang 150mm Động cơ trục dọc, ngang 24VDC-3000vòng/phút Vận tốc di chuyển dọc lớn nhất 50mm/s Vận tốc di chuyển ngang lớn nhất 10mm/s
36 Đƣờng kính visme dọc 20mm Bƣớc visme dọc 10mm/vòng Đƣờng kính visme ngang 10mm Bƣớc visme ngang 2mm/vòng 4.4.1 Kiểm nghiệm độ bền trục dọc Kiểm nghiệm độ bền trục
Tính độ bền cho trục dọc có đƣờng kính đỉnh ren d=20mm và đƣờng kính chân ren d1=18mm; có độ bền áp suất cho phép [p]=6MPa;Ứng suất chảy σcp=320MPa. Tổng khối lƣợng đặt trên 2 con trƣợt của bàn chạy dọc:m1=16.835 kg. Lực tác dụng trên 2 con trƣợt của bàn chạy dọc:
(13) Để bàn chạy dọc di chuyển, lực ma sát tác dụng vào 2 con trƣợt là lực ma sát tĩnh cực đại
(14) là hệ số ma sát lăn của con lăn(μ=0.1)
(15) Để vit me di chuyển lực tác dụng vào vitme(Fa) phải lớn hơn Fms
(16) Trên thực tế để chắc chắn rằng vit me di chuyển ta nên nhân hệ số s=5
(17) Moment xoắn trên vít:
37
(18) : làgóc nâng ren vis
(19) : làgóc ma sát ren
(20)
Kiểm tra điều kiện bền mòn
o : đƣờng kính trung bình của trục vit ( =19mm)
o h: chiều cao làm việc biên dạng ren (h=2mm)
o z: số vòng ren(z=5)
Ta có áp suất trung bình giữa các bề mặt làm việc ren vit và đai ốc:
(21)
Kiểm tra độ bền vít và đai ốc
Ứng suất pháp trên trục vit me dƣới tác dụng của lực nén :
(22) Ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm của vít:
= (23)
Ứng suất tƣơng đƣơng:
38
Thép tôi có . Ứng suất nén cho phép
Nhận xét: σtd< σncho nên về tính chịu bền của trục đƣợc thỏa.
4.4.2 Kiểm nghiệm độ bền trục ngang
Kiểm nghiệm độ bền trục
Tính độ bền cho trục ngang có đƣờng kính ngoài d=10mm và đƣờng kính trong ; có độ bền áp suất cho phép [p]=6MPa;Ứng suất chảy
Tổng khối lƣợng đặt trên 2 con trƣợt của bàn chạy ngang: Lực tác dụng trên 2 con trƣợt của bàn chạy dọc:
(25) Để bàn chạy dọc di chuyển, lực ma sát tác dụng vào 2 con trƣợt là lực ma sát tĩnh cực đại
(26) Với μ là hệ số ma sát lăn của con lăn(μ=0.1)
(27) Để vit me di chuyển lực tác dụng vào vit me (Fa) phải lớn hơn Fms
(28) Trên thực tế để chắc chắn rằng vit me di chuyển ta nên nhân hệ số s=5
(29) Moment xoắn trên vít:
(30) : làgóc nâng ren vis
39
(31) : làgóc ma sát ren
(32)
Kiểm tra điều kiện bền mòn
o : đƣờng kính trung bình của trục vit ( =9.5mm)
o h: chiều cao làm việc biên dạng ren (h=1mm)
o z: số vòng ren(z=11)
Ta có áp suất trung bình giữa các bề mặt làm việc ren vit và đai ốc:
(33)
Kiểm tra độ bền vít và đai ốc
Ứng suất pháp trên trục vit me dƣới tác dụng của lực nén Fatt:
(34) Ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm của vís:
= (35)
Ứng suất tƣơng đƣơng:
(36)
Thép tôi có . Ứng suất nén cho phép
40
4.5 CƠ CẤU GÁ KẸP PHÔI HÀN
Cơ cấu dùng để gá kẹp phôi có chiều dài 1000mm. Có hai loại phôi, phôi cong dạng hình sin với tổng 2 lần biên độ là 150mm, phôi thẳng nhƣng đƣợc đặt nghiêng góc so với phƣơng dọc của bàn máy (phƣơng điều khiển vận tốc hàn).
Bảng 4-4Các thông số thiết kế cơ cấu gá kẹp phôi hàn
Đặc tính Mô tả Hình dạng phôi Rãnh chữ V góc ở đỉnh là 90° Chiều dài 1020mm Chiều rộng 160mm Chiều cao 45mm Bề rộng phôi 5mm
Chiều cao phôi 40mm
41
Hình 4-5 Cơ cấu kẹp phôi 4.6 TỔNG THỂ MÔ HÌNH CƠ KHÍ
42
Hình 4-7 Mô hình cơ khí hoàn chỉnh cho phôi cong Bảng 4-5Các thống số mô hình cơ khí hoàn chỉnh
Đặc tính Mô tả
Chiều dài 1440mm
Chiều rộng 720mm
Chiều cao 455mm
4.7
Mạch điện điều khiển hệ thống phải đảm bảo các yêu cầu sau:
o Điều khiển động cơ xoay Rotator quay với vận tốc ổn định 20hz(Một bộ PID).
o Điều khiển động cơ slide dọc để đầu hàn đi đúng vận tốc hàn(Một bộ PID).
o Lấy mẫu tín hiệu dòng hàn đúng 2n mẫu trong một vòng quay để đảm bảo cứ sau chính xác 2n mẫu đó ta thực hiện tính toán giải thuật điều khiển.
o Áp dụng một giải thuật lọc tín hiệu số để loại đi các tần số nhiễu và làm trơn đồ thị tín hiệu cƣờng độ dòng hàn thu đƣợc.
43
o Tính toán giải thuật điều khiển vị trí đầu hàn trong rãnh hàn(Một bộ Fuzzy).
o Đồng thời truyền tín hiệu cƣờng độ dòng thu đƣợc lên máy tính để giám sát.
o Tất cả đều phải thực hiện trong thời gian thực và điều khiển liên tiếp.
o Để thuận lợi cho việc phát triển robot hàn sau này, bộ điều khiển phải nhỏ gọn, linh hoạt, ở đây chọn là vi điểu khiển.
Với những yêu cầu nhƣ trên, khi bắt đầu đề tài chúng tôi đã đề xuất sử dụng vi điều khiển xử lý tín hiệu số của hãng Microchip dsPIC33F256MC710 làm vi điểu khiển trung tâm. Đây là dòng vi điều khiển 16bit với tốc độ xử lý tối đa 40Mhz, RAM 30kB, Direct Access Memory DMA 2kB. Để giảm khối lƣợng tính toán, vi điều khiển trung tâm chỉ trực tiếp điều khiển một động cơ, hai slave đƣợc thiết kế chuyên điều khiển 2 động cơ còn lại. Các slave này là dòng vi điều khiển cấp trung của hãng Microchip 18F452, hai slave này nhận lệnh từ master qua giao tiếp I2C.
Hình 4-8 thể hiện mô hình tổng quan bộ điều khiển sử dụng vi điều khiển dsPIC của Microchip còn Hình 4-9 và Hình 4-10 là mạch vi điều khiển trung tâm dùng dsPIC và mạch driver điểu khiển động cơ dùng vi điều khiển PIC18F452.
44
Driver vận tốc hàn PIC18F452 Driver quay đầu hàn
Lọc cứng ADC Lọc mềm Tính độ lệch dòng Bộ điều khiển mờ I2C Driver vị trí đầu hàn PIC18F452 dsPIC33FJ256MC710 I2C I2C Cảm biến Hall Encoder Vận tốc động cơ PWM, chiều quay QEI PWM Máy tính UART
Hình 4-8 Tổng quan mô hình điều khiển
45
Hình 4-10 Mạch Slave điều khiển động cơ
Khối lƣợng tính toán của vi điều khiển trung tâm bao gồm:
o Cứ sau 50ms, cập nhật giá trị cƣờng độ dòng điện 2n giá trị của một chu kỳ, áp dụng bộ lọc FIR hoặc bộ chuyển đổi DFT để lọc tín hiệu nhiễu và làm trơn đồ thị, tìm các cực trị của đồ thị tín hiệu trong chu kỳ đó, tính toán giá trị sai lệch cƣờng đồ dòng điện, áp dụng bộ điều khiển fuzzy để tính toán giá trị xung PWM để điều khiển vị trí đầu hàn, truyền giá trị xung này cho Slave, đồng thời truyền toàn bộ tín hiệu dòng hàn thu đƣợc lên máy tính để ngƣời dùng giám sát quá trình.
o Cứ sau 10ms, cập nhật giá trị vận tốc rotator, tính toán PID điều khiển vận tốc rotator luôn ổn định ở vận tốc 20hz.
o Encoder của rotator là loại 1024 = 210 xung/vòng, sau khi qua bộ nhân xung QEI của vi điều khiển lên đƣợc 4096 = 212 xung/vòng. Nhƣ vậy để đảm bảo 1 vòng lấy đúng 2n xung thì sau 212-n xung ta phải cho ngắt 1 lần để lấy đƣợc 1 mẫu tín hiệu, chuyển đổi ADC và lƣu vào bộ nhớ DMA (Bộ nhớ truy cập trực tiếp – Truy cập bắng bus riêng mà không cần dùng đến RAM và CPU).
Với dòng dsPIC33F256MC710, chọn số mẫu cho 1 chu kỳ là 64 mẫu (n=6), nhƣng chƣơng trình vẫn bị treo khi hoạt động do một số nguyên nhân sau:
46
o Số mẫu truyền lên lớn (64x2x20=2560byte/s) so với tốc độ đƣờng truyền RS232.
o dsPIC tuy có hỗ trợ tính toán xử lý tín hiệu số nhƣng vẫn dựa trên nền tảng số nguyên 16bit và số dấu chấm tĩnh 16bit, thời gian xử lý phép nhân chia tƣơng đối lâu, nên việc tính toán giải thuật điều khiển khá tốn thời gian.
o Chƣơng trình sử dụng hầu nhƣ toàn bộ các sự kiện ngắt của chip và các chƣơng trình ngắt đƣợc gọi lại rất nhanh(kích chuyển đổi ADC bằng ngắt QEI), bộ xử lý ngắt, ƣu tiên ngắt, ngắt trong ngắt của chip hoạt động kém hiệu quả.
o Vi điều khiển mua ở thị trƣờng Việt Nam giá bán thấp khó bảo đảm chất lƣợng. Dòng vi điều khiển mới đƣợc sử dụng là dòng vi điều khiển xử lý tín hiệu số của Texas Intruments TMS320F28335 là dòng vi điều khiển 32bit, tốc độ xử lý 150Mhz, có bộ tính toán số dấu chấm động riêng, 256K x 16 Flash, 34K x 16 SARAM, hỗ trợ đầy đủ các chuẩn giao tiếp, các tính năng khác có thể tham khảo thêm datasheet kèm theo.Hình 4-11 thể hiện đầy đủ chức năng của vi dòng vi điều khiển này.
Với những ƣu điểm vƣợt trội so với dòng dsPIC, mạch điều khiển cho hệ thống đƣợc thiết kế chỉ gồm 1 vi điều khiển chính là TMS320F28335. So với những nhiệm vụ của dsPIC chính đƣợc phân tích nhƣ trên thì F28335 còn phải điều khiển thêm 2 động cơ nữa và số lƣợng mẫu cho một chu kỳ đƣợc nâng lên 128=27.
47
48 ơI TÍNH TOÁN Xơ LÝ TRUNG TÂM eQEP1 eQEP2 ePWM1 SPI ADC Lơ ô ơ Driver Motor 1 ơ ơ a ơ ơ ơ a Bơ ơ ơ Driver Motor 2 ơ ơ ơ ơ e ơ PWM2 Driver Motor 2 ơ ơ ơ ơ e a PWM3 Máy tính PC TI TMS320F28335 XINTF1/2 DMA eCAP1 eCAP2 XINTF4 LIMIT1 eCAP3 eCAP4 XINTF5 LIMIT2 LIMIT3 LIMIT4 XINTF3 SW1 SW2 SW3
Hình 4-12Sơ đồ khối hoạt động của mạch điện dùng TMS320F28335
Hình 4-12 thể hiện sơ đồ hoạt động của TMS320F28335 trong mạch điện thực, trong đó:
o SCI là module truyền thông nối tiếp giữa vi điều khiển và máy tính.
o ePWM1/2/3 là các module điều rộng xung cấp cho driver động cơ.
o Diver Motor1/2/3 là các driver điều khiển động cơ DC dùng LMD18201.
o eQEP1/2 là các module đọc và nhân xung encoder.
o XINTF1/2/3/4/5 là các module xử lý ngắt ngoài.
o eCAP1/2/3/4 là các module bắt sự kiện.
o LIMIT1/2/3/4 là các công tắc hành trình.
o SW1/2/3 là các nút nhấn điều khiển bằng tay.
o ADC là bộ đọc tín hiệu analog và chuyển đổi sang digital.
o DMA là bộ nhớ truy cập trực tiếp.
4.7.1 Khối mạch nguồn
Nguồn cấp cho mạch điện cần có:
49
o 12V và -12V cấp nguồn cho cảm biến Hall ABB ES500C và khối logic.
o 5V cấp cho các encoder, các cổng giao tiếp.
o 3.3V cấp cho các chân I/O của vi điều khiển.
o 1.9V cấp cho lõi của TMS320F28335.
Để tránh nhiễu, mass của khối logic và khối công suất đƣợc tách riêng; Điện áp 24V đƣợc cấp từ nguồn UNION ELECOM UP400S24 với dòng cực đại 16.6A; Các điện áp 5V,3V3,12V và -12V đƣợc cấp từ nguồn máy tính; Điện áp 1.9V đƣợc biến đổi từ 5V nhờ IC NCP606-ADJ. Tất cả các điện áp khi đƣa vào mạch đều đƣợc ổn áp bằng các tụ điện nhỏ lớn khác nhau, tụ có điện dung nhỏ để dập các xung nhiễu năng lƣợng nhỏ nhƣng có độ dốc cao, tụ có điện dung lớn để dập các xung nhiễu có năng