thiết kế bộ điều khiển thông minh cho truyền động trục chính của máy doa

LỜI NÓI ĐẦUTrong sự nghiệp công nghiệp hoá ,hiện đại hoá đất nước có thể nói mộttrong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia là mức độ tựđộng hoá trong các quá trình s

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá ,hiện đại hoá đất nước có thể nói mộttrong những tiêu chí để đánh giá sự phát triển của mỗi quốc gia là mức độ tựđộng hoá trong các quá trình sản xuất mà trước hết là năng suất sản xuất và chấtlượng sản phẩm Sự phát triển rất nhanh chóng của máy tính điện tử ,công nghệthông tin và những thành tựu trong lý thuyết điều khiển tự động đã làm cơ sở và

hỗ trợ cho sự phát triển tương xứng trong lĩnh vực tự động hoá

ở nước ta ,mặc dù là một nước chậm phát triển ,nhưng trong những nămgần đây cùng với sự đòi hỏi của sản xuất cũng như sự hội nhập vào nền kinh tếthế giới thì việc áp dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật , đặc biệt là sự tự độnghoá các quá trình sản xuất ngày càng được chú trọng , nhằm tạo bước phát triểnmới ,hàm lượng chất xám cao tiến tới hình thành mọt nền kinh tế tri thức

Ngày nay ,tự động hoá điều khiển các quá trình sản xuất đã đi sâu vàotừng ngõ ngách và trong tất cả các khâu của quá trình tạo ra sản phẩm Việc tăngnăng suất máy và giảm giá thành thiết bị của máy là hai yêu cầu chủ yếu đối với

hệ thống chuyền động điện và tự động hoá nhưng chúng luôn mâu thuẫn nhau.Một bên đòi hỏi sử dụng các hệ thống phức tạp, một bên lại yêu cầu hạn chế sốlượng thiết bị chung trên máy và số thiết bị cao cấp Vậy việc lựa chọn một hệthống truyền động điện và tự động hoá cho thích hợp là một bài toán khó.Mộttrong những ứng dụng đó là “Thiết kế hệ thống điều khiển truyền động chính

cho máy doa ngang”.

Với sự cố gắng của bản thân bản đồ án đã được hoàn thành Tuy nhiên dokiến thức còn có hạn nên tài liệu thiết kế này của em không tránh khỏi những sailầm và thiếu sót Chính vì vậy mà em mong các thầy cô sẽ chỉ bảo và góp ý đểbản đồ án của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MÁY DOA

1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY DOA

1.1 Nhiệm vụ của máy doa trong dây truyền sản xuất

Máy cắt kim loại dùng để gia công chi tiết bằng kim loại bằng cách cắtbớt các lớp kim loại thừa tạo chi tiết có hình dạng đúng yêu cầu Các máy cắt cóthể là khoan, bào, phay, doa Máy doa chính là một loại máy dùng để gia côngchi tiết bằng kim loại

Máy doa dùng để gia công chi tiết với các nguyên công: khoét lỗ trụ,khoan lỗ, có thể dùng để phay Thực hiện các nguyên công trên máy doa sẽ đạtđược độ chính xác và độ bóng cao

Máy doa được chia thành hai loại chính: máy doa đứng và máy doangang Máy doa ngang dùng để gia công các chi tiết cỡ trung bình và nặng

Doa là một phương pháp gia công chi tiết ,doa thuộc công đoạn gia côngtinh ,nó gia công các lỗ đã được khoan ,khoét, những lỗ hình côn, hình trụ, cắtren Ngoài ra máy doa còn có thể được dung để phay Doa là một phương phápgia công tinh nó có thể đạt độ bóng bề mặt từ 6-9 và cấp chinh xác từ 4 - 2hoặc cấp chính xác 1

Hình 1.1 Hình dáng bên ngoài của máy doa ngang

1.Bệ máy; 2 Ụ trước; 3 Giá; 4 Bàn quay gá chi tiết;

5 Ụ trục chính; 6 Trục trước

1.1.1 Các bộ phận của máy doa

a, Thân máy

Thân máy là phần cố định so với bệ máy, có kết cấu hình chữ U, hai đầu

có hai ụ

b, Ụ chính

Nằm trên thân máy, có thể chuyển động tịnh tiến so với thân máy Động

cơ trục chính được gắn vào thân máy cùng với hộp tốc độ, quá trình di chuyểnđược thực hiên nhờ trục chính hoặc động cơ chạy dao

c, Ụ trục phụ

Nằm trên thân máy có thể chuyển động tịnh tiến nhờ động cơ ăn dao hoặcbằng tay Khi gia công chi tiết có đòi hỏi độ chính xác cao thì nó có tác dụng giữdao

d, Bàn máy

Được bố trí giữa hai ụ, có thể di chuyển ngang, dọc, qua trái, qua phải

1.1.2 Các đặc điểm của máy doa hiện đại

Những máy Doa hiện đại ngày nay hay còn được gọi là máy doa vạn năngthì ngoài chức năng doa máy còn có thể thực hiện được các chức năng như mộtmáy mài, máy khoan …

Trên chuyển động chính của máy có thể gá mũi khoan hoặc mũi doa , vìvậy máy có thể gia công thô ( Khoan , khoét các lỗ hình côn , hìng trụ ) và sau

đó thì có thể gia công tinh khi gá mũi doa Đặc điểm của máy doa là có thể giacông đồng thời nhiều lỗ có trục song song hoặc trục thẳng góc với nhau

Máy doa ngang là máy Doa có mũi doa quay theo phương ngang Cácnguyên công chính của máy doa vạn năng:

- Nguyên công doa: thường doa các lỗ hình côn ,hình trụ, các mặt phẳng vuônggóc với nhau có độ định tâm cao

- Nguyên công tiện: khi nắp lưỡi dao tiện thì có thể tiện trong ,cắt mặt đầu, cắtren Với nguyên công cắt ren thì truyền động ăn dao được truyền từ trục chính.-Nguyên công khoan: khi cần gia công các lỗ có độ định tâm cao ta có thể thựchiện trên máy doa, nguyên công này thường nặng nề nhất

- Nguyên công phay: phay mặt đầu, phay mặt phẳng, phay mặt trong ,phay mặtngoài.

1.2 CÁC TRUYỀN ĐỘNG CƠ BẢN CỦA MÁY DOA

a, Truyền động chính

Truyền động chính trong máy Doa là truyền động quay mâm gá dao,truyền động này được thực hiện nhờ động cơ KĐB ro to lồng sóc, thay đổi tốc

độ nhờ thay đổi cách đấy dây từ -YY

Tốc độ của trục và mâm gá dao thay đổi trong phạm vi rộng có cấp nhờhộp tốc độ Khi thay đổi tốc độ nếu các bánh răng chưa ăn khớp động cơ đượcđóng điện với mô men nhỏ tạo điêù kiện cho các bánh răng vào ăn khớp, truyềnđộng này có nhiều cấp tốc độ nhờ kết hợp cả hai phương pháp thay đổi tốc độbằng điện và bằng cơ khí Động cơ chính được hãm ngược sau khi ấn nút dừnghoặc sau khi ấn nút thử máy

b, Truyền động ăn dao

Chuyển động ăn dao có thể là chuyển động tịnh tiến theo phương ngang,dọc của bàn máy mang chi tiết hay di chuyển dọc ( trái, phải) của trục chínhmang đầu dao

Ngoài ra còn có chuyển động của bàn máy và ụ máy theo hai chiều, cácchuyển động này được truyền động bằng động cơ điện một chiều kích từ độc lập

và nó là truyền động quan trọng nhất, phức tạp nhất trong máy doa với nhữngyêu cầu về các thông số chất lượng rất cao

+Truyền dộng ăn dao nhờ hai chế độ vận hành bằng tay hoặc tự động Trong bản

đồ án náy em sẽ thiết kế một hệ truyền động ăn dao tự động

+ Trong các quá trình gia công máy có thể vận hành ở những cấp tốc độ khácnhau tuỳ thuộc trạng thái làm việc và yêu cầu của người sử dụng khi đó ta sẽ cócác phương án điều chỉnh tương ứng , ví như thực hiện chạy nhanh bàn daobằng phương pháp giảm từ thông động cơ Chỉnh định toạ độ của ụ, trục nhờ hệkính phóng đại quang học phần này sẽ được nói đến chi tiết ở các phần sau +Điều khiển máy nhờ các nút bấm và tay gạt, chúng được bố chí trên hai ụ máy.

1.3 CÁC YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN CHO TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN CỦA MÁY DOA

Trong máy doa ngang truyền động ăn dao là truyền động phức tạpnhất, nó đòi hỏi hệ thống trang bị điện có mức độ tự động hoá cao Ở truyềnđộng này dùng động cơ một chiêu kích từ độc lập, truyền động này có các yêucầu về chỉ tiêu chất lượng

1.3.1 Truyền động chính

Yêu cầu cần phải đảo chiều quay, phạm vi điều chỉnh tốc độ D = 130/1với công suất không đổi, độ trơn điều chỉnh φ = 1,26 Hệ thống truyền độngchính cần phải hãm dừng nhanh

Hiện nay hệ truyền động chính máy doa thường sử dụng động cơ khôngđồng bộ rô to lồng sóc và hộp tốc độ (động cơ có một cấp hay nhiều cấp tốc độ)

Ở những máy doa cỡ nặng có thể sử dụng động cơ điện một chiều, điều chỉnhtốc độ trơn trong phạm vi rộng Nhờ vậy có thể đơn giản kết cấu cơ khí, mặtkhác có thể hạn chế được mô men ở vùng tốc độ thấp bằng phương pháp điềuchỉnh tốc độ hai vùng

1.3.2 Truyền động ăn dao

Phạm vi điều chỉnh truyền động ăn dao là D = 1500/1 Lượng ăn daođược điều chỉnh trong phạm vi 2 mm/ph ÷ 600 mm/ph ; khi di chuyển nhanh cóthể đạt tới 2,5 m/ph ÷ 3 m/ph Lượng ăn dao (mm/ph) ở những máy cỡ nặng yêucầu giữ không đổi khi tốc độ trục chính thay đổi Đặc tính cơ cần có độ cứngcao, với độ ổn định tốc độ < 10% Hệ thống truyền động ăn dao phải đảm bảo độtác động nhanh cao, dừng máy chính xác, đảm bảo sự liên động với truyền độngchính khi làm việc tự động

Ở những máy doa cỡ trung bình và nặng, hệ thống truyền động ăn dao

sử dụng hệ thống khuyếch đại máy điện - động cơ điện một chiều hoặc hệ thống

T - Đ

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH CHO HỆ

TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN TRỤC CHÍNH MÁY DOA

2.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

2.1.1 Khái niệm chung

Thích nghi là quá trình thay đổi thông số và cấu trúc hay tác động điềukhiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đíchđạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin banđầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi

Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kĩ thuật nhằm tự động chỉnh định các

bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm thực hiện hay duy trì ở một mức độnhất định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình được điều khiển khôngbiết trước hay thay đổi theo thời gian

Hệ thống được mô tả trong hình dưới đây gồm 2 vòng:

(1) Vòng hồi tiếp thông thường (Feedback) (2) Vòng hồi tiếp điều khiển thích nghi (Adaptation)

Hình 2.1 Biểu diễn nguyên lý của điều khiển thích nghi

2.1.2 Phân loại các hệ thống điều khiển thích nghi

Có thể phân loại các hệ thích nghi theo các tiêu chuẩn sau:

- Hệ thích nghi mô hình tham chiếu ( MRAC )

- Bộ tự chỉnh định ( STR )

- Lịch trình độ lợi

- Hệ tự học

- Hệ tự tổ chức

2.1.3 Ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi

Hệ điều khiển thích nghi có các ứng dụng như sau:

 Tự chỉnh định

 Lịch trình độ lợi

 Thích nghi liên tục

Hình 2.2 Sơ đồ các ứng dụng của hệ điều khiển thích nghi

2.1.4 Thiết kế hệ thích nghi theo mô hình tham chiếu MRAC

a) Hệ thích nghi mô hình tham chiếu - MRAC (Model Reference Adaptive Control)

Hệ thống thích nghi sử dụng mô hình chuẩn là một trong những phươngpháp chính của điều khiển thích nghi Nguyên lí cơ bản như sau:

Hình 2.3 Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình thamchiếu

Mô hình chuẩn sẽ cho đáp ứng ngõ ra mong muốn đối với tín hiệu đặt (yêucầu) Hệ thống có một vòng hồi tiếp thông thường bao gồm đối tượng và bộ điềukhiển Sai số e là sai lệch giữa ngõ ra của hệ thống và của mô hình chuẩn e = y -

ym Bộ điều khiển có thông số thay đổi dựa vào sai số này Hệ thống có hai vònghồi tiếp:hồi tiếp trong là vòng hồi tiếp thông thường và vòng hồi tiếp bên ngoàihiệu chỉnh tham số cho vòng hồi tiếp bên trong Vòng hồi tiếp bên trong đượcgiả sử là nhanh hơn vòng hồi tiếp bên ngoài

Hình trên là mô hình MRAC đầu tiên được đề nghị bởi Whitaker vào năm

1958 với hai ý tưởng mới được đưa ra: Trước hết sự thực hiện của hệ thốngđược xác định bởi một mô hình, thứ hai là sai số của bộ điều khiển được chỉnhbởi sai số giữa mô hình chuẩn và hệ thống Mô hình chuẩn sử dụng trong hệthích nghi bắt nguồn từ hệ liên tục sau đó được mở rộng sang hệ rời rạc có nhiễungẫu nhiên

b) Thiết kế MRAC bằng phương pháp tiếp cận Gradient

Có ba phương pháp cơ bản để phân tích và thiết kế hệ MRAC :

1 Phương pháp tiếp cận Gradient

2 Hàm Lyapunov

3 Lý thuyết bị động

Ở đây em xin đề cập đến phương pháp tiếp cận Gradient:

Phương pháp Gradient được dùng bởi Whitaker đầu tiên cho hệ MRAC.Phương pháp này dựa vào giả sử tham số của bộ hiệu chỉnh thay đổi chậm hơncác biến khác của hệ thống Giả sử này thừa nhận có sự ổn định giả cần thiết choviệc tính toán độ nhạy và cho cơ cấu hiệu chỉnh thích nghi Phương pháp tiếpcận gradient không cho kết quả cần thiết cho hệ thống kín ổn định Bộ quan sátđược đưa ra để áp dụng lý thuyết ổn định Lyapunov và lí thuyết bị động đượcdùng để bổ sung cho cơ cấu thích nghi

Đối với hệ thống có tham số điều chỉnh được như trong hình 2.3, phươngpháp thích nghi sử dụng mô hình chuẩn cho một cách hiệu chỉnh tham số tổngquát để có được hàm truyền hệ thống vòng kín gần với mô hình Đây gọi là vấn

đề mô hình kèm theo Một câu hỏi đặt ra là chúng ta làm cho sai lệch nhỏ nhưthế nào, điều này phụ thuộc bởi mô hình, hệ thống và tín hiệu đặt Nếu có thểlàm cho sai số bằng 0 đối với mọi tín hiệu yêu cầu thì gọi là mô hình kèm theohoàn hảo

+) Mô hình kèm theo

Vấn đề mô hình kèm theo có thể được giải quyết bằng thiết kế phân số cực Môhình kèm theo là cách đơn giản để thiết lập hay giải một vấn đề điều khiển tuỳđộng Mô hình sử dụng có thể là tuyến tính hay phi tuyến Các tham số trong hệthống được hiệu chỉnh để có được y càng gần với ym càng tốt đối với một tập cáctín hiệu vào Phương pháp thích nghi là một công cụ thiết kế hệ MRAC Mặc dù

mô hình kèm theo hoàn hảo chỉ có thể đạt được trong điều kiện lý tưởng nhưngphân tích trường hợp này sẽ cho hiểu biết sâu sắc vào vấn đề thiết kế

Xét hệ 1 đầu vào, 1 đầu ra có thể là liên tục hay rời rạc có phương trình:

y(t) = u (t)

A

B

(2.1)với u là tín hiệu điều khiển, y là ngõ ra Kí hiệu A, B là những đa thức theo biến

S hay Z Giả sử bậc của A  bậc của B nghĩa là hệ thống là hợp thức (đối với hệliên tục) và nhân quả đối với hệ rời rạc Giả sử hệ số bậc cao nhất của A là

1.Tìm bộ điều khiển sao cho quan hệ giữa tín hiệu đặt uc và tín hiệu ra mongmuốn ym được cho bởi :

Với Am, Bm cũng là những đa thức theo biến S hoặc Z

Luật điều khiển tổng quát được cho bởi :

Ru=TuC - Sy (2.3)

với R, S, T là các đa thức Luật điều khiển này được xem như vừa có thành phầnhồi tiếp âm với hàm truyền -S/R và thành phần nuôi tiến với hàm truyền T/R

Hình 2.4 Hệ vòng kín với bộ điều khiển tuyến tính tổng quát

Khử u ở 2 phương trình (2.2) và (2.3) được phương trình sau cho hệ thống vòngkín:

(AR  BS)y  BTu c (2.4)

Để đạt được đáp ứng vòng kín mong muốn, thì AR + BS phải chia hết cho Am,các zero của đối tượng, khi cho B = 0, sẽ là zero của hệ kín nếu không bị khửbởi cực vòng kín

Bởi vì các điểm zero không ổn định không thể bị khử nên có thể phân tích thành

B = B+B-, trong đó B+ chứa những thành phần có thể khử đi, B- là thành phầncòn lại

Theo phương trình (2.4) AR + BS là đa thức đặc trưng của hệ thống được phântích thành ba thành phần : khử zero của đối tượng:B+ ; cực mong muốn của môhình được cho bởi Am; các cực của bộ quan sát A0 Vì thế :

AR + BS = B + A 0 A m

gọi là phương trình Diophantine ( hay là phương trình nhận dạng Benzout) Vì

B+ có thể khử nên :

(2.6)Chia phương trình (2.5) cho B+ sẽ được:

A R 1 + B - S = A 0 A m (2.7)

Vì yêu cầu là phải giống đáp ứng mong muốn nên tử số (3.4) phải chia hết cho

Bm, nếu không thì sẽ không có lời giải cho bài toán thiết kế Vì vậy :

Giả sử tất cả các zero đều bị khử, khi đó có thể viết lại như sau :

BT y





1

R B



Thay y vào (*) ta tính được:

C

u BS AR

AT u

Ngoài ra còn có các cảm biến phản hồi dòng phần ứng và tốc độ động cơ

Ta có hệ phương trình mô tả động cơ điện 1 chiều trên miền ảnh Laplace nhưsau :





.

) (

1

b A

A t m

f

L e

A A A A A

K e

i K M

B s J

T T

e u s L R i

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc động cơHàm truyền của đối tượng được tính như sau :

Kb Kt Bf RA s J LA

J RA Bf LA s

J LA

Kt K Kcl

.

.

.

.

.

J RA Bf LA

khiển mà điển hình là bộ PID khiến cho việc thiết kế trở nên dễ dàng hơn rấtnhiều.

Tuy nhiên trong quá trình hoạt động, các tham số của động cơ có thể bị thay đổi Hoặc với 1 bộ điều khiển PID thường như vậy chỉ có thể điều khiển được 1 đối tượng cố định chuẩn, nếu thay đổi đối tượng thì bộ điều khiển PID thường không còn có mang tính chính xác Bộ điều khiển thích nghi theo mô

hình tham chiếu MRAC có thể giải quyết vấn đề này.

Phương pháp thiết kế được chọn là phương pháp tiếp cận Gradient

2.3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI CHO MÁY DOA

Hình 2.6 Sơ đồ khối của một hệ thống thích nghi mô hình tham chiếu.Trong đó ta có:

 (s2 + a1.s + a2).N(s) = b1.U(s)

 (p2 + a1.p + a2).n = b1.u (2.11)

u c

Mô hình

Cơ cấu hiệu chỉnh

Bộ điều khiển Đối tượng

Tham số điều khiển

y m