Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bà n máy phay CNC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC TỰ ĐỘNG HOÁ Ngành: Mã: Học viên: Ngƣời HD Khoa học: PHAN KHẢI PGS.TS VÕ QUANG LẠP THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP ***** CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN MÁY PHAY CNC Học viên : PHAN KHẢI Lớp : Cao học K11-TĐH Cán HDKH: PGS.TS VÕ QUANG LẠP CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC HỌC VIÊN PGS.TS Võ Quang Lạp Phan Khải BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa MỞ ĐẦU Ngày , cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật thế giới phát triển với tốc độ vũ bão, không ngừng vươn tới đỉnh cao mới , đó có những thành tựu về kỹ thuật tự động hóa s ản xuất Đa số các máy công cụ hiện đại được điều khiển theo chương trì nh số Đây là những điều kiện kỹ thuật bản để thực hiện những điều kiện tự động hóa linh hoạt từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ , hay trung tâm điều khiển số cũng việc ghép nối chúng thành một hệ thống linh hoạt , điều khiển liên thông bằng máy tí nh ghép nối mạng Với tiến bộ mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý đã tạo điều kiện nâng cao vượt bậc công của hệ điều khiển số , đồng thời với việc ngày càng giảm về giá thành của điều khiển này Cụm vi xử lý với tư cách là phận chí nh yếu của thiết bị và các bo mạch ghép nối ngoại vi là phần cứng không thể thiếu được các máy công cụ CNC Trong các nhà máy xí nghiệp công nghiệp ở nước ta hiện máy phay CNC nói riêng và máy công cụ điều khiển số CNC nói chung ngày càng được sử dụng rộng rãi Việc phát huy hiệu quả sử dụng, bảo dưỡng vận hành máy là vấn đề đặc biệt quan tâm của chúng ta Muốn phát huy được hiệu quả tối đa khả thiết bị cũng việc cải tiến nó cho phù hợp với điều kiện môi trường và người Việt Nam đòi hỏi phải có hiểu biết sâu sắc về máy công cụ CNC Việc “ Nghiên cƣ́u khảo sát nâng cao chất lƣợng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC ” có một ý nghĩ a rất lớn ngành tự động hóa Đó chí nh là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của Luận văn này được chia thành chương sau: Chương 1: Tổng quan máy phay CNC Chương 2: Phân tích chọn phương án truyền động bàn máy phay CNC Chương 3: Tổng hợp hệ thống điều khiển vector biến tần – động không đồng ba pha Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC điều khiển PID kết hợp mờ Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Kết luận kiến nghị Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã hướng dẫn tận tì nh, bảo cặ n kẽ để hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn tới tất cả thầy cô Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp Thái nguyên, ngày 30 tháng 06 năm 2010 Tác giả luận văn Phan Khải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trính tổng hợp và nghiên cứu Trong luận văn có sử dụng số tài liệu tham khảo đã nêu phần tài liệu tham khảo Tác giả luận văn Phan Khải Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa MỤC LỤC Nội dung Trang Trang phụ bìa Lời cam đoan Danh mục hình vẽ và đồ thị Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt Mở đầu CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC 1.1 Khái quát máy phay CNC 1.2 Các hệ điều khiển chuyển động máy phay CNC 1.2.1 Điều khiển theo vị trí 1.2.2 Điều khiển theo đường dẫn liên tục 1.3 Các yêu cầu của chuyển động bàn máy phay CNC 1.3.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ 1.3.2 Độ trơn điều chỉnh tốc độ 13.3 Độ ổn định tốc độ 1.3.4 Đặc tính phụ tải 1.3.5 Độ xác vị trí 1.4 Hệ điều khiển máy phay CNC 1.4.1 Hệ điều khiển vòng hở 1.4.2 Hệ điều khiển vòng kín 1.5 Thành phần bản của hệ điều khiển máy CNC 1.5.1 Chức của cụm điều khiển 1.5.2 Phần cứng cụm điều khiển 1.5.3 Phần mềm CNC 1.6 Hệ thống đo lường máy công cụ CNC 1.6.1 Thiết bị đo tốc độ 1.6.2 Thiết bị đo vị trí 1.6.3 Các phương pháp đo vị trí 1.6.4 Các loại cảm biến có đầu tương tự Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2 6 7 9 10 13 14 15 16 18 18 19 19 20 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa 1.6.5 Các loại cảm biến đầu là số 22 1.6.6 Nguyên lý của encorder dùng nguyên tắc quang điện 24 CHƢƠNG PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƢƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY PHAY CNC 2.1 Hệ truyền động thuỷ lực 27 2.2 Hệ truyền động dùng động bước 29 2.2.1 Giới thiệu động bước 29 2.2.2 Các loại động bước 29 2.3 Hệ truyền động dùng động tuyến tính 31 2.4 Hệ truyền động Thyristor - động (T- Đ) 32 2.5 Hệ truyền động dùng động servo chiều (DC servo motor) 34 2.6 Hệ truyền động dùng động AC servo (AC servo motor) 35 CHƢƠNG TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA 3.1 Mô tả động KĐB ba pha dạng đại lượng vector không 37 gian 3.2 Quy đổi đại lượng điện của động không đồng từ hệ tọa độ 39 vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định stator (,) 3.3 Quy đổi đại lượng điện của động không đồng ba pha từ hệ 42 tọa độ cố định rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định stator (,) 3.4 Quy đổi đổi đại lượng điện của động không đồng ba pha từ hệ tọa độ cố định stator (,) về hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 3.5 Sự biến đổi lượng và mômen điện từ 3.6 Xây dựng mô hình toán học cho động không đồng 3.7 Cơ sở để định hướng từ thông hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 3.8 Sơ đồ cấu trúc của hệ thống truyền động điện điều khiển vector biến tần và động không đồng 3.9 Tổng hợp điều chỉnh dòng điện Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 47 49 51 54 58 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật 3.10 Tổng hợp điều chỉnh tốc độ 3.11 Tổng hợp điều chỉnh vị trí Chuyên ngành: Tự động hóa 59 61 3.12 Mô phỏng hệ truyền động bàn máy phay CNC sử dụng điều khiển 62 PID CHƢƠNG NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY PHAY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP MỜ 4.1 Tính phi tuyến của điều khiển vị trí 66 4.2 Ứng dụng điều khiển mờ mạch vòng vị trí 67 4.2.1 Sơ đồ khối của điều khiển mờ 68 4.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ 70 4.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp điều khiển mờ 71 4.3 Các điều khiển mờ 76 4.3.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển 76 4.3.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh 77 4.3.3 Bộ điều khiển mờ động 77 4.4 Bộ điều khiển mờ lai PID 81 4.4.1 Giới thiệu chung 81 4.4.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số điều khiển PID 83 4.5 Tổng hợp hệ thống với điều khiển PID kết hợp điều khiển mờ 84 cho truyền động bàn máy phay CNC 4.6 Mô phỏng hệ điều chỉnh vị trí sử dụng điều khiển mờ lai PD 89 4.6.1 Bộ điều khiển mờ lai PD nối song song 89 4.6.2 Bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp 91 4.7 So sánh chất lượng điều khiển PID và điều khiển mờ lai PD 93 4.8 So sánh chất lượng điều khiển bám của hệ điều chỉnh vị trí dùng 106 điều khiển PID và điều khiển mờ lai PD Kết luần kiến nghị 115 Tài liệu tham khảo Phụ lục Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Hình vẽ Tên hình vẽ đồ thị Hình 1.1 Miêu tả trục của máy phay CNC hệ tọa độ Đề Hình 1.2a Máy phay đứng CNC Hình 1.2b Máy phay ngang CNC Hình 1.3 Cơ sở máy phay CNC Hình 1.4 Điều khiển vị trí Hình 1.5a Chuyển động song song Trang Hình 1.5b Chuyển động nghiên góc 45 Hình 1.6 Điều khiển theo đường dẫn liên tục Hình 1.7 Đồ thị đặc tính phụ tải của máy CNC Hình 1.8 Lượng điều khiển φw(t) Hình 1.9 Hệ thống điều khiển vòng hở Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng hở 10 Hình 1.11 Hệ thống điều khiển vòng kín 11 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín dùng Tachometer, 11 Hình 1.12 Resolver 12 Hình 1.14 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín dùng Tachometer, Encoder Thành phần bản của hệ thống điều khiển CNC Hình 1.15 Thành phần bản của MCU 15 Hình 1.16 Dụng cụ đo lường hệ CNC 18 Hình 1.17 Các điểm Reference Mark Encorder 19 Hình 1.13 Hình 1.21 Sai số tải được tạo chiết áp điện trở tải được nối công tắc trược và đầu của dây điện trở Bộ đo góc, loại cảm biến mà tín hiệu đầu của nó là hàm lượng giác của vị trí trục roto θ Hai cuộn của roto đặt cách 900, hai cuộn stato đặt cách 900 Bộ đo góc sử dụng cảm biến, có cuộn dây roto ngắn mạch Sơ đồ khối mã hóa số trực tiếp Hình 1.22 Sơ đồ khối mã hóa xung, tần số, thời gian Hình 1.18 Hình 1.19 Hình 1.20 Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 13 20 21 21 22 22 http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Tự động hóa Hình 1.23 Sơ đồ khối mã hóa tương tự sang số 23 Hình 1.24 Sơ đồ khối chuyển đổi Analog to Digital 23 Hình 1.26 Thước đo theo nguyên tắc quang - điện - soi thấu (Heidenhain) Phương pháp nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán Hình 1.27 Phương pháp nội suy dùng tính toán arctang 25 Hình 2.1 Hệ dẫn động Secvo thuỷ lực trục máy CNC 28 Hình 2.2 Nguyên lý chuyển động của rotor 30 Hình 2.3 Động bước VR ba pha 31 Hình 2.4 Cấu tạo của động tuyến tính 42 Hình 2.5 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều T- Đ 33 Hình 2.6a Đặc tính tĩnh của hệ thống 34 Hình 2.6b Qúa trình khởi động tăng tốc lý tưởng 34 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động không đồng 37 Hình 1.25 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) và hệ tọa độ cố định stator (,) Hệ tọa độ cố định stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) Biểu diễn vector dòng điện rotor hệ tọa độ cố định stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y) Biểu diễn vector dòng điện stator hệ tọa độ cố định stator (,) và hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q) 24 25 39 41 42 44 Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động không đồng 50 Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động không đồng 51 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11a Hình 3.11b Định hướng từ thông hệ toạ độ tựa theo từ thông roto(d,q) Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động không đồng thiết bị biến tần Sơ đồ cấu trúc chi tiết của hệ thốngTĐĐ sử dụng biến tần và động KĐB Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động không đồng Sơ đồ cấu trúc rút gọn của hệ thống điện sử dụng biến tần Số hóa Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 52 54 55 57 58 http://www.lrc-tnu.edu.vn data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read data error !!! can't not read ... máy công cụ CNC Việc “ Nghi n cƣ́u khảo sát n ng cao chất lƣợng hệ thống truy n động cho ba n máy phay CNC ” có một ý nghĩ a rất lơ n ngành tự động hóa Đó chí nh là n ̣i dung đề... 1.6.6 Nguy n lý của encorder dùng nguy n tắc quang đi n 24 CHƢƠNG PH N TÍCH VÀ CH N PHƢƠNG N TRUY N ĐỘNG B N MÁY PHAY CNC 2.1 Hệ truyê n động thuỷ lực 27 2.2 Hệ truyê n động dùng động bước... Chương 3: Tổng hợp hệ thống điều khi n vector bi n t n – động không đồng ba pha Chương 4: N ng cao chất lượng hệ truy n động ba n máy phay CNC điều khi n PID kết hợp mờ Số hóa Trung tâm Học liệu