Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay cnc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hnh 2.11 Phương php nội suy dùng bộ tính toán arctang 28
Hnh 2.12 Phương php nội suy dùng bảng nội suy và khối tính toán 29
Hnh 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC 29
Hnh 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31
Hnh 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36
Hnh 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên
stator (,)
38
Hnh 3.3
Hệ tọa độ cố định trên stator (,) và hệ toạ độ cố định trên
rotor(x,y)
39
Hnh 3.4 Biểu diễn vét tơ dòng điện rotor trên hệ trục tọa độ cố định
stator (,) và hệ tọa độ cố định rotor (x,y)
40
Hnh 3.5 Biểu diễn vector dòng điện stator trên hệ tọa độ cố định stator
(,) và hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor (d,q).
42
Hnh 3.6 Sơ đồ cấu trúc chi tiết của động cơ không đồng bộ 47
Hnh 3.7 Sơ đồ cấu trúc tổng hợp của động cơ không đồng bộ 48
Hnh 3.8 Định hướng từ thông trong hệ toạ độ tựa theo từ thông rotor
(d,q)
48
Hnh 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ KĐB bằng thiết
bị biến tần
51
Hnh 3.10 Hệ thống điều chỉnh tốc độ có đảo chiều Thyristor - động cơ. 52
Hnh 3.11 Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định hệ thống điều chỉnh tốc độ
hai mạch vòng kín.
53
Hnh 3.12 Đường đặc tĩnh tĩnh của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch
vòng kín.
54
Hnh 3.13 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của hệ thống điều chỉnh tốc độ
shai mạch vòng kín.
55
Hnh 3.14 Đồ thị dòng điện và tốc độ quay của quá trình khởi động hệ
thống điều chỉnh tốc độ
a) Quá trình khởi động tăng tốc lý tưởng.
b) Hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín
56
Hnh 3.15 Bộ điều tiết tốc độ quay cài đặt phản hồi âm vi phân 60
Hnh 3.16 nh hưởng của phản hồi âm vi phân tốc độ quay đối với quá
trình khởi động.
1 – Hệ thống hai mạch vòng kín thông dụng
2 – Hệ thống cài đặt phản hồi âm vi phân
61
Hnh 3.17 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của mạch vòng tốc độ quay có
cài đặt phản hồi âm vi phân tốc độ quay:
a. Sơ đồ cấu trúc hệ thống ban đầu
61
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
b. Sơ đồ cấu trúc sau khi đơn giản hoá
Hnh 3.18 Hệ thống điều khiển tốc độ ba mạch vòng có mạch vòng có
cài đặt suất biến đổi dòng điện.
ADR – bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện.
CD – khâu vi phân dòng điện
65
Hnh 3.19 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65
Hnh 3.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thi động của mạch vòng suất biến đổi
dòng điện
66
Hnh 4.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 68
Hnh 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều. 69
Hnh 4.3 Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều 70
Hnh 4.4 Tuyến tính ho đoạn đặc tính từ ho và đặc tính tải 71
Hnh 4.5 Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hoá 72
Hnh 4.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi. 72
Hnh 4.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn:
a. Theo tốc độ, b. Theo dòng điện
73
Hnh 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh
lưu
74
Hnh 4.9 Sơ đồ cấu trúc của bộ chỉnh lưu bn dẫn thyristor
a. khi chuẩn xác, b. khi gần đúng.
75
Hnh 4.10 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện 76
Hnh 4.11 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng dòng điện 77
Hnh 4.12 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng tốc độ 78
Hnh 4.13 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí 80
Hnh 4.14 Sơ đồ cấu trúc hệ điều chỉnh vị trí 82
Hnh 4.15
Quan hệ giữ a


và


83
Hnh 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87
Hnh 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10(V), I = 0(A)
88
Hnh 4.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau
của vị trí đặt đầu vào
đặt
= 10V, I = 8,7 A
89
Hnh 5.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ 91
Hnh 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 94
Hnh 5.3 Ví dụ chọn tập dữ liệu vào/ra 96
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hnh 5.4 Hệ điều khiển mờ theo luật I 101
Hnh 5.5 Hệ điều khiển mờ theo luật PD 101
Hnh 5.6 Hệ điều khiển mờ theo luật PI 102
Hnh 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103
Hnh 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí 105
Hnh 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt 106
Hnh 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106
Hnh 5.11 Các luật điều khiển mờ 106
Hnh 5.12 Sơ đồ khối của khối luật bù mờ. 107
Hnh 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 108
Hnh 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 108
Hnh 5.15
Kết quả mô phỏng với 
đặt
= 10V, I = 0A
109
Hnh 5.16
Kết quả mô phỏng với 
đặt
= 10V, I = 8,7A
110

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
MỞ ĐẦ U
Ngy nay , cuộ c cá ch mạ ng khoa họ c kỹ thuậ t trên thế giớ i đang phá t triể n
vớ i tố c độ vũ bã o , không ngừ ng vươn tới những đỉnh cao mớ i, trong đó có nhữ ng
thnh tu v k thut t đng ha sn xut . Đa số cá c má y côn g cụ hiệ n đạ i đượ c
điề u khiể n theo chương trì nh số . Đây là nhữ ng điề u kiệ n kỹ thuậ t cơ bả n đ thc
hiệ n nhữ ng điề u kiệ n tự độ ng hó a linh hoạ t trên từ ng má y công c điu khin s
riêng lẻ , hay cá c trung tâm điề u khiể n số cng như vic g hp ni chng thnh mộ t
hệ thố ng linh hoạ t, điề u khiể n liên thông bằ ng má y tí nh ghé p nố i mng. Vớ i tiế n bộ
mnh m ca công ngh vi x l đ to điu kin nâng cao vưt bc công năng củ a
hệ điề u khiể n số , đồ ng thờ i vớ i việ c ngà y cà ng giả m về giá thà nh ca b điu khin
ny. Cm vi x l với tư cch l b phn chnh yu ca thit b v cc bo mch
ghp ni ngoi vi l những phn cng không th thiu đưc trong cá c my công c
CNC.
Trong cá c nhà má y xí nghiệ p công nghiệ p ở nướ c ta hiệ n nay my phay CNC
ni riêng v má y công c điu khin s CNC ni ch ung ngy cng đưc s dng
rộ ng rã i. Việ c phá t huy hiệ u quả sử dụ ng , bo dưng vậ n hnh my l vn đ đặ c
biệ t quan tâm củ a chú ng ta . Muố n phá t huy đượ c hiệ u quả tố i đa kh năng thit b
cng như vic ci tin n cho ph hp vớ i điề u kiệ n môi trườ ng và con ngườ i Việ t
Nam đò i hỏ i phả i c s hiu biế t sâu sắ c về má y công cụ CNC .
Việ c “Nghiên cứ u khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động
cho bn my phay CNC ” c mt  ngha rấ t lớ n trong ng nh t đng ha . Đó
chnh l ni dung đ ti lun văn tt nghip cao hc ca tôi.
Lun văn ny đưc chia thnh 5 chương sau:
Chương I - Tổng quan về máy công cụ CNC.
Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC.
Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC
Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC.
Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ
điều khiển mờ lai.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tôi xin bà y tỏ lò ng biế t ơn chân thà nh tớ i PGS .TS Võ Quang Lạ p đ  hướng
dẫ n tậ n tình, chỉ bo cn k đ tôi hon thnh luậ n văn nà y . Xin gử i lờ i cả m ơn tớ i
tấ t cả cc Thy cc cô Khoa sau đạ i họ c, Khoa đin v cc bn đng nghip Trườ ng
ĐHKT Công nghiệ p Thá i Nguyên.



Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008
Tác giả luận văn




Tạ Minh Tiến
1
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
CHƢƠNG I
TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC
1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC.
1.1.1 Cơ sở của máy CNC.
Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ của bàn máy
và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch
chuyển của bàn máy theo trục X trên hình 1.1). Khi trục máy di chuyển thì các dụng
cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác
định được toạ độ chính xác của các trục máy.









Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC
Trong hệ toạ độ đề các được xây dựng trên ba trục toạ độ vuông góc
(X,Y,Z). Một điểm trong mặt phẳng được xác định bởi hai trục toạ độ, một điểm
trong không gian được xác định bởi ba trục toạ độ (X,Y,Z) hình 1.2 cho biết các
trục của máy được miêu tả như thế nào thông qua hệ toạ độ đề các và kí hiệu các
trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải. Các máy công cụ CNC có thể điều khiển tới
chín trục, đó là các trục (U,V,W) là các trục chuyển động thứ hai song song với các
trục (X,Y,Z) còn các trục (A,B,C) là các trục quay quanh các trục (X,Y,Z).
Ngoài ra, trong lập trình gia công còn xử dụng hệ toạ độ cực. Một điểm trong
mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị là bán kính và góc trong hệ toạ độ
cực.
Y
Z
X
2
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn








1.1.2 Đặc điểm và phân loại.
Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo đặc
điểm sau:
- Truyền động: Thuỷ lực, khí và điện
- Phương pháp điều khiển máy: Toạ độ hay quỹ đạo
- Hệ thống định vị: Định vị kích thước nối tiếp và định vị tuyệt đối.
- Các vòng lặp điều khiển .
- Số trục tọ a độ.
Theo chức năng thì các máy công cụ CNC cũng như các máy công cụ vạn
năng, có thể được chia thành các nhóm sau:
- Nhóm máy tiện đại diện cho các máy tiện trong, tiện ngoài trên một phôi
đang quay, cũng như cắt ren trong và ren ngoài
- Nhóm may khoan, doa để khoan, doa các phôi.
- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra
các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa. Thay đổi nguyên
công bằng cách thay dao cụ, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp.
- Nhóm máy mài để gia công tinh. Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài
lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ
- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa,
Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các
3
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Các máy CNC có thể thay dao bằng tay hoặc tự động. Có nhiều phương pháp
thay dao tự động, nó phụ thuộc vào kết cấu cơ khí của máy, phụ thuộc vào chương
trình điều khiển thay dao.
Các máy CNC có thể cấp phôi bằng tay hoặc tự động. Những máy được
trang bị bộ phận cấp phôi tự động có thể làm các chi tiết mà không cần có sự phục
vụ của người vận hành. Kiểu máy này gọi là modul gia công linh hoạt (Flexibe
Manufacturing Module).
Các thông số kỹ thuật của máy CNC là:
1. Đường kính lớn nhất của phôi tiện trên máy tiện.
2. Đường kính khoan lớn nhất của máy khoan.
3. Đường kính trục doa lớn nhát của máy doa.
4. Chiều rộng lớn nhất của bàn máy phay.
5. Kích thước khuôn và trọng lượng máy.
6. Số trục phối hợp có thể điều khiển và số trục có thể điều khiển đồng
thời.
7. Ngăn chứa dụng cụ (dao).
8. Thiết bị cấp (tháo) phội tự động của máy.
9. Băng tải phôi của máy.
10. Hệ thống điều khiển của máy.
11. Hệ thống truyền động của máy.
12. Hệ thống đo lường.
1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển số.
1.2.1 Chƣơng trình gia công chi tiết.
Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ
liệu.
Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ
trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ
điều khiển số qua cửa nạp tương thích.
4
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu chỉnh máy, các số liệu
về dao cụ được nạp vào từ bảng điều khiển.
Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang
hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ CNC).
1.2.2 Khối điều khiển.
Thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu
từ bên ngoài.
Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí (encoder), và tốc độ của
các trục.
Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục
chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và
tốc độ gia công đã xác định.
1.2.3 Điều khiển logic.
Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau:
Tốc độ chạy nhanh (Không cắt) tối đa, bố trí xếp đặt các trục máy, các trạng
thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống
công nghệ (bàn máy, gá lắp, dao cụ), lệnh đóng/ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi
trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh đổi dao cụ.
Đầu ra khối điều khiển logic đi điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van
thuỷ lực, van khí nén, các rơle
1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC.
Màn hình dùng để hiển thị toạ độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm
việc của toàn hệ thống
Bảng điều khiển để và o dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ
thống
Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh
máy, đo chi tiết mà phải mở cửa làm việc.
5
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Các khối vào ra (I/O), các bộ điều khiển truyền động (BKĐ) liên lạc với
CPU thông qua một BUS hệ thống. Các khối Flash + RAM để lưu dữ các chương
trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua BUS trong của CPU.
Các cơ cấu chấp hành là van thuỷ lực, van khí nén, công tắc tơ, rơle Các
sensor thường là các sensor trạng thái (Proxymity sensor), sensor áp suất, sensor
nhiệt độ Hệ thống đo lường là các cảm biến vị trí, cảm biến tốc độ để đưa các tín
hiệu phản hồi về các bộ điều khiển (Controller). Trục chính dùng để quay dao, còn
các trục toạ độ khác phục vụ cho việc di chuyển dao đến các vị trí được lập trình để
tạo nên biên dạng mong muốn.


















1 Màn hình 2 Bảng điều khiển
3 Mạch ghép nối 4 Tay quay điện tử
Hình1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC
KWH
1

3
2
HTĐK

CPU
Cnet Flash+Sram
BUS
I/O
BĐK
4
Sensor
HT đolường
Trục chính và
các trục TĐ khác
Cơ cấu
Chấp hành

Xem chi tiết: Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay cnc