Đang tải... (xem toàn văn)
Qua đồ án này, nắm được cái nhìn tổng quan về việc điều khiển các hệ cơ điện tử nói chung trong đó có máy CNC là một sản phẩm điển hình. Biết vận dụng bộ điều khiển PID để điều khiển các cơ hệ.Với yêu cầu của đề tài đã hoàn thành được các yêu cầu đặt ra. Do lần đầu tiếp cận với khía cạnh mới cũng như khó khan gặp phải trong quá trình làm nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Từ đó em rút ra được rất nhiều kinh nghiệm thực tế và sẽ giúp ích cho công việc sau này của em. Bên cạnh đó, ngày nay người ta đã ứng dụng bộ điều khiển phi tuyến vào việc điều khiển bàn máy và kết quả cho thấy chất lượng tốt hơn bộ điều khiển PID. Tuy nhiên do kiến thức cũng như thời gian không cho phép nên em xin phép được để việc điều khiển phi tuyến về sau.
MỤC LỤC PHỤ LỤC HÌNH PHỤ LỤC BẢNG LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ ĐIỀU KHIỂN BẰNG CHƯƠNG TRÌNH SỐ ( MÁY CNC) Các thành phần máy phay CNC 1.1 Phần điều khiển 1.2 Phần chấp hành Sơ đồ động học chuyển động bàn máy X, Y Trình bày sơ lược quy trình thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X Y 2.1 Sơ đồ động học chuyển động bàn máy X Y 2.2 Sơ lược quy trình tính thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X Y CHƯƠNG 2: ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 11 Điều khiển bàn máy X 11 1.1 Xây dựng mơ hình hàm truyền hệ thống 11 1.2 Tìm hàm truyền đạt G(s) .14 1.3 Kiểm tra tính ổn định hàm truyền G(s) 14 1.4 Thiết kế điều khiển PID 18 1.4.A Những kiến thức điều khiển PID 18 1.4.B Vài trò khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân 20 1.4.C Thiết kế điều khiển PID controller theo phương pháp thực nghiệm (Ziegler – Nichols 1) thiết kế tự động PID theo công cụ Matlab .22 Điều khiển bàn Y 25 2.1 Tìm hàm truyền bàn Y 25 2.2 Kiểm tra tính ổn định hàm truyền G(s) 26 2.3 Thiết kế điều khiển PID 30 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC 32 Gia công đường thẳng 32 Gia cơng theo đường tròn 38 Kết luận .44 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TỐN VỀ HOME VÀ CHƯƠNG TRÌNH PLC TRÊN HỆ THỐNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC 45 Xây dựng sơ đồ thuật toán Home 45 Chương trình PLC hệ thống điều khiển CNC .47 2.1 Danh sách biến đầu vào, đầu 47 2.2 Chương trình PLC 48 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO .52 MỤC LỤC HÌNH Hình 1-1: Cấu tạo bàn máy phay CNC Hình 1-2: Sơ đồ động học chuyển động bàn máy Hình 1-3: Quy trình tính tốn Hình 2-1: Mơ hình bàn máy X 11 Hình 2-2: Mơ hình hệ bàn máy 11 Hình 2-3: Đồ thị Nyquist .15 Hình 2-4: Kiểm tra tính ổn định lệnh isct(sys) .16 Hình 2-5: Đồ thị Bode 16 Hình 2-6: Đồ thị bước nhảy 17 Hình 2-7: Đồ thị đáp ứng xung Dirac hệ 18 Hình 2-8: Điều khiển phản hồi vòng kín với điều khiển PID 19 Hình 2-9: Vai trò khâu tỉ lệ điều khiển PID 20 Hình 2-10: Vai trò khâu tích phân điều khiển PID 21 Hình 2-11: Vai trò khâu vi phân điều khiển PID .21 Hình 2-12: Đáp ứng độ 23 Hình 2-13: Tìm thơng số L, T, k cho điều khiển PID 23 Hình 2-14: Bộ điều khiển PID cho bàn X .24 Hình 2-15: Đáp ứng xung bước nhảy bàn X có điều khiển PID 24 Hình 2-16: Bảng lựa chọn thông số PID bàn X .25 Hình 2-22: Bảng lựa chọn thơng số PID bàn Y .31 Hình 3-1: Mơ hình bàn máy xuất sang mơi trường Matlab & Simulink .32 Hình 3-2: Hệ thống bàn máy sau loại bỏ bớt khối cứng hóa khối 36 Hình 3-3: Mơ hình mơ Matlab 36 Hình 3-4: Quỹ đạo mong muốn gia cơng đường thằng 37 Hình 3-5: Quỹ đạo thực đường thẳng 37 Hình 3-6: Quỹ đạo chuyển động bàn máy gia cơng đường thằng .38 Hình 3-8: Quỹ đạo mong muốn gia cơng đường tròn 43 Hình 3-9: Quỹ đạo thực đường tròn 43 Hình 3-10: Quỹ đạo chuyển động bàn máy gia cơng đường tròn 44 Hình 4-1: Điểm máy CNC 45 Hình 4-2: Lưu đồ grafcet .47 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.1: Thông số thiết bị dẫn động hệ bàn máy CNC .10 Bảng 2.1: Giá trị hệ số độ cứng vít me trục X 14 Bảng 2.2: Giá trị hệ số độ cứng vít me trục Y 26 Bảng 2.3: Thông số đầu vao, đầu chương trình PLC điều khiển bàn máy 47 LỜI MỞ ĐẦU Trong nghiệp cơng nghiệp hóa – đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật vấn đề quan trọng cần quan tâm lớn Việc sử dụng máy móc đề thay sức lao động người xu hướng tất yếu để tăng suất lao động, tạo nhiều sản phẩm chất lượng cao Máy CNC tiến vượt bậc công nghiệp Sự xuất máy CNC nhanh chóng làm thay đổi q trình sản xuất cơng nghiệp Các đường cong, cấu trúc phức tạp thực dễ dàng giúp tăng suất, giảm hao phí gia công Các máy CNC phổ biến như: máy tiện, phay, máy cắt laze, máy cắt dây CNC, Đồ án này, em tìm hiểu q trình tính tốn thiết kế hệ thống điều khiển dẫn hướng bàn máy phay CNC Nhiệm vụ tính tốn hàm truyền đạt, xét tính ổn định, xác định thơng số điều khiển PID, mô điều khiển bàn máy theo quỹ đạo thẳng, tròn, thuật tốn home Với đề tài giao: Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy phay CNC giúp em tổng hợp kiến thức học với thực hành Nội dung bao gồm: - Phần 1: Thiết kế sơ đồ động học chuyển động X, Y; chọn động servo phù hợp cho bàn máy - Phần 2: Xây dựng mơ hình tốn học, khảo sát đặc tính điều khiển theo quỹ đạo thằng, tròn - Phần 3: Mơ hoạt động hệ thống khi gia công thẳng, tròn phần mềm Matlab & Simulink - Phần 4: Xây dựng sơ đồ thuật toán Home chương trình PLC hệ thống điều khiển CNC cụ thể Em xin chân thành cảm ơn thầy Đặng Thái Việt, thầy cô Bộ Môn Cơ Điện Tử - Viện Cơ Khí giúp em hồn thành đồ án Do thời gian kiến thức hạn chế, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, em kính mong nhận giúp đỡ ý kiến đóng góp thầy để đồ án em hoàn thiện Em xin chân thành cám ơn! Hà Nội, Ngày Tháng Năm 2017 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY X VÀ Y CỦA MÁY PHAY CNC Các thành phần máy phay CNC: Máy phay CNC gồm thành phần phần điều khiển phần chấp hành: 1.1 Phần điều khiển: - Chương trình điều khiển: Là tập hợp tín hiệu để điều khiển máy, mã hóa dạng chữ cái, số số ký hiệu khác dấu cộng, trừ, dấu chấm, gạch nghiêng … Chương trình ghi lên cấu mang chương trình dạng mã số ( mã thập – nhị phân băng đục lỗ, mã nhị phân 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 chúng thông qua tín hiệu gửi từ cảm biến liên hệ ngược Bao gồm cấu đọc, cấu giải mã, cấu chuyển đổi, xử lý tín hiệu, cấu nội suy, cấu so sánh, cấu khuếch đại, cấu đo hành trình, cấu đo vận tốc, nhớ thiết bị xuất nhập tín hiệu Cụm điều khiển có nhiệm vụ liên kết chức để thực điều khiển máy, chức bao gồm: + Số liệu vào (Data Input) + Xử lý số liệu (Data Procesing) + Số liệu (Data Output) + Ghép nối vào (Machine I/O interface) + Phần cứng điều khiển bao gồm thành phần : Máy tính CPU Bộ nhớ RAM, ROM Hệ thống BUS Điều khiển trình tự PMC Điều khiển Servo Bộ phận ghép nối 1.2.Phần chấp hành: Hệ dẫn động bàn máy gồm thành phần: Thân máy, đế máy, bàn máy, băng dẫn hướng, trục vít ve, đai ốc, động Sơ đồ động học chuyển động bàn máy Y Trình bày sơ lược quy trình Hình 1.1.Cấu tạo X bànvàmáy phay CNC thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X Y 2.1 Sơ đồ động học chuyển động bàn máy X Y Hình 1.2.Sơ đồ động học chuyển động bàn máy Hệ thống dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho bàn máy theo trục X, Y Nguyên lý: Động quay truyền chuyển động qua truyền động đai (hoặc xích) lắp đầu trục vít, truyền chuyển động quay cho vit me Vit me gá đặt ổ đỡ hai đầu quay tạo chuyển động tịnh tiến cho đai ốc Đai ốc lắp với bàn Y bulong, đai ốc di chuyển dọc theo trục vít me giúp bàn Y chuyển động tịnh tiến trượt ray song song với trục vít me lắp cố định thân máy thân máy.Bàn X chuyển động tương tự Yêu cầu: hệ thống trượt phải thẳng, có khả tải cao, độ cứng vững tốt, trơn trượt, khơng có tượng dính 2.2 Sơ lược quy trình thiết kế hệ thống truyền động bàn máy X Y: Số liệu cho trước: - Loại máy CNC: máy phay SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN Bắt đầu 40 Nhập A(x ,y0 ),C(x C ,yC ),i,t,N,egh x r =x +Rsinφ � F(t)= � �y r =y0 +Rsinφ Đưa hàm: Bộ PID φi+1 =φi + Bộ PID 2πt N φi+1 =φi + x dk =x +Rsinφ i+1 S ydk =y0 +Rsinφ i+1 Δ=Xd -X r �egh Δ=Yd -Yr �egh Đ Bộ điều khiển PID vị trí X với K =1138.3239 tham số p , K I =8984.0705 , K D =35.751 Đ Bộ điều khiển PID vị trí Y với K =1170.4277 tham số p , K I =8462.1025 , K D =40.1274 Điều khiển bàn X Điều khiển bàn Y Kết thúc 41 2πt N S Ta có phương trình đường tròn qua hai điểm A(x ,y0 ),C(x c ,y c ) nhận AC làm 2 đường tròn đường kính có phương trình (x-x i ) +(y-yi ) =R với I(x i ,yi )=I( R= x +x c y0 +yc , ) 2 trung điểm AC x c -2x c x +x +yc -2y c y +y 2 Ta viết phương trình đường tròn dạng sau: (*) x=x i +Rsin(a(t)) � � �y=yi +Rcos(a(t)) Cũng để thỏa mãn điều kiện quỹ đạo vận tốc quỹ đạo đặt phải bậc x(t)=a +a1t+a t +a 3t s(0)=A(x ,y ) � �v(0)=0 � � s(t c )=B(x c ,y c ) � �v(t )=0 Và phải thỏa mãn điều kiện: � c Trong đó: - s(0) tọa độ ban đầu thời gian t=0 - v(0) vận tốc ban đầu t=0 - s(t c ) tọa độ điểm cuối thời gian t c - v(t c ) vận tốc điểm cuối thời gian t c �x(0)=x �vx(0)=0 � �� �x(t c )=x c � �vx(t c )=0 Trong đó: - x(0) tọa độ đầu dao theo phương x thời gian t=0 42 - vx(0) vận tốc đầu dao theo phương x t=0 - x(t c ) tọa độ đầu dao theo phương x thời điểm cuối t c - vx(t c ) vận tốc đầu dao theo phương x thời điểm cuối t c Phương trình (*) tương đương với: �x =x i +Rsin(a +a1t +a t +a 3t ) � 0=(a1 +2a t +3a t ).R.cos(a +a1t +a t +a 3t 03 ) � � �x c =x i +Rsin(a +a1t c +a t c +a 3t c ) � 0=(a1 +2a t c +3a t c ).R.cos(a +a1t c +a t c +a 3t c3 ) � Giải hệ phương trình ẩn : a ,a1 ,a ,a ta được: a1 =0,a =arcsin( Đặt: w=arcsin( Suy ra: a3 = x -x i ) R x c -x i x -x ) )-arcsin( i ) R R -2w 3w ,a = t c3 t c3 Ví dụ : Cho đầu dao chạy từ điểm A(0,0) đến điểm C(5,0) đường kính AC thời gian T=4(s) Ta tính tốn giá trị: a =-1,5708;a1 =0 � � a =0,589;a =-0,098 � Ta có phương trình quỹ đạo: x(t)=2,5+2,5sin(-1,5708+0,589t -0,098t ) y(t)=2,5cos(-1,5708+0,589t -0,098t ) Sơ đồ mơ hình Matlab: 43 Hình 3.7 Mơ hình mô Matlab Simulink Ta thu đồ thị mô quỹ đạo bàn X, Y sau: 44 Hình 3.8 Quỹ đạo mong muốn Hình 3.8 Quỹ đạo thực Hình 3.9 Quỹ đạo bàn máy X, Y theo thời gian Kết luận Từ hình ảnh trên, ta thấy quỹ đạo thực quỹ đạo mong muốn giống Vậy, hệ thống điều khiển ổn định, xác 45 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TỐN VỀ HOME VÀ CHƯƠNG TRÌNH PLC TRÊN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC 46 Xây dựng sơ đồ thuật toán Home Điểm gốc máy ( điểm chuẩn M máy) điểm gốc hệ tọa độ máy Điểm M nhà chế tạo quy định theo kết cấu loại máy Điểm M điểm giới hạn vùng làm việc máy Có nghĩa phạm vi vùng làm việc máy dịch chuyển cấu máy thực theo chiều dương tọa độ Ở máy phay điểm M thường nằm điểm giới hạn dịch chuyển bàn máy Hình 4.1 Điểm máy phay CNC SƠ ĐỒ THUẬT TỐN 47 48 Hình 4.2 Lưu đồ grafcet Khi khởi động, kiểm tra nút Stop có nhấn hay khơng, khơng cho động X, Y quay ngược đưa bàn máy vị trí ( nhận biết sensor) Khi đến vị trí 0, động X, Y quay thuận đến vị trí mong muốn Chương trình PLC hệ thống điều khiển CNC 2.1 Danh sách biển đầu vào, đầu Em sử dụng phần mềm lập trình PLC S7-300, với biến đầu vào đầu sau: Bảng 2.3.: Thông số đầu vao, đầu chương trình PLC điều khiển bàn máy Đầu vào: 49 Tên biến I0.0 I0.1 I0.2 I0.3 I0.4 I0.5 I0.6 Nhiệm vụ Start Stop Sensor nhận biết điểm trục X Sensor nhận biết điểm trục Y Sensor nhận biết động trục X quay vòng Sensor nhận biết động trục Y quay vòng Set counter Đầu ra: Tên biến Nhiệm vụ Q0.0 Động trục X quay ngược (lùi) Q0.1 Động trục Y quay ngược (lùi) Q0.2 Động trục X quay thuận (tiến) Q0.3 Động trục Y quay thuận (tiến) 2.2 Chương trình PLC Ví dụ tốn: Xét hệ tọa độ Oxy đơn vị mm, đưa bàn máy từ điểm A(10;22) gốc máy chạy từ gốc đến điểm B(100,80) để gia công 50 51 Khi bật start kích hoạt tín hiệu M0.0 M0.0 tự trì, động X Y hoạt động đưa bàn máy từ điểm A(10;22) Khi đến gốc nhận biết sensor I0.2 I0.3, ngắt tín hiệu M0.0 làm hai động dừng lại Khi đến vị trí 0, kích hoạt M1.0 M1.0 tự trì M1.0 kích hoạt counter C3, C4 đếm số vòng quay encoder Giá trị đếm thời counter lưu vào MW6 MW8 đưa vào khối so sánh, MW6 nhỏ 10 MW8 nhỏ kích hoạt động X, Y quay thuận tín hiệu M1.1 M1.2 để để kích hoạt động trục Z xuống để gia công ( động nối trực tiếp với trục vít me đai ốc bi qua khớp nối nên số vòng quay động số vòng quay trục vít me Bước vít l=10mm nên để di chuyển đến B(100;80) động X quay 10 vòng, động Y quay vòng) 52 KẾT LUẬN Sau hồn thành đồ án này, em trang bị cho kiến thức cấu tạo máy CNC, nguyên lý làm việc, mô chuyển động bàn máy, thuật tốn home… Trong q trình làm đồ án giúp em vận dụng kiến thức nhiều môn học với nhau, cách sử dụng phần mềm phục vụ cho lập trình mơ Qua đồ án này, em nắm nhìn tổng quan việc điều khiển hệ điện tử nói chung có máy CNC sản phẩm điển hình Biết vận dụng điều khiển PID để điều khiển hệ Với yêu cầu đề tài em hoàn thành yêu cầu đặt Do lần đầu tiếp cận với khía cạnh khó khan gặp phải q trình làm nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót Từ em rút nhiều kinh nghiệm thực tế giúp ích cho công việc sau em Bên cạnh đó, ngày người ta ứng dụng điều khiển phi tuyến vào việc điều khiển bàn máy kết cho thấy chất lượng tốt điều khiển PID Tuy nhiên kiến thức thời gian không cho phép nên em xin phép để việc điều khiển phi tuyến sau 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO PMI balscrews catalog, Precision motion industreies, INC Nguyễn Dỗn Phước, Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học kỹ thuật, 2009 Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính tốn thiết kế hệ thống dẫn động khí tập 1,2 NXB Giáo dục VN Nguyễn Văn Khang, Chu Anh Mỹ, Cơ sở Robot công nghiệp, NXB Giáo dục VN, 2011 Somath Chattopadhyay, Study of accuracy of CNC machine tools Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, 2003 Catalog hãng ANILAM – Inventor Systems and Motors 54 ...CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG SƠ ĐỒ THUẬT TOÁN VỀ HOME VÀ CHƯƠNG TRÌNH PLC TRÊN HỆ THỐNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CNC 45 Xây dựng sơ đồ thuật toán Home 45 Chương trình PLC hệ thống điều khiển CNC ... thầy cô Bộ Môn Cơ Điện Tử - Viện Cơ Khí giúp em hồn thành đồ án Do thời gian kiến thức hạn chế, chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, em kính mong nhận giúp đỡ ý kiến đóng góp thầy để đồ án em hoàn thiện... 10 Tham khảo đồ án Thiết kế khí bước, cơng thức tính toán em chọn thiết bị dẫn động vitme đai ốc bi, ổ đỡ vitme, ray dẫn hướng, động servo sau: Bảng 1.1: Thông số thiết bị dẫn động hệ bàn máy CNC