Kỹ thuật điều khiển, điều chỉnh và lập trình khai thác máy công cụ CNC - Cơ sở tự động hóa máy công cụ

Cùng với những cuốn sách đã xuất bản như “Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ”, “Máy điều khiển theo chương trình số và Robot công nghiệp”, cũng như một vai đâu sách sẽ đến tay bạn đọ

_ CƠ SỞ TỰ ĐỘNG HOÁ MÁY CÔNG CỤ Í

Chao ming bau da din vdi thu uitu eda ching đâ¿

T7 NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

TRUONG BAI HOC BACH KHOA HA NO!

PGS TS TA DUY LIEM

CO SO TU DONG HOA MAY CONG CU

KY THUAT DIEU KHIEN, DIEU CHINH

”” VA LAP TRINH KHAI THAC

MAY CONG CU CNC

(In lần thứ hai có chỉnh sửa)

_NHÀ XUẤT- BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

“TRƯỜNG ĐẠI Học BÁCH KHOA HÀ NỘI

CHƯƠNG TRÌNH HỢP.TÁC ĐÀO TẠO QUỐC TẾ INTERRNATIONAL TRAINING PROGRAMME-ITP

Chịu trách nhiệm xuất bản: PGS TS TO DANG HAI

.£2 2#

Bạn đọc thân mến,

Cuốn sách “Máy công cụ CNC” trong mấy năm gần đây đã được

tái bản liên tục để đáp ứng nhu cầu học tập của bạn đọc Lần xuất bản này tác giả có chủ ý bổ sung thêm một số nội dung mới và đổi tên thành cuốn “Kỹ thuật điều kiiển, điều chỉnh và lập trình khai thác

máy công cụ CNC”

Việc tiếp cận với công nghệ và thiết bị sản xuất hiện đạt đòi hỏi những kiến thức nền móng có tính hệ thống Bạn đọc sẽ yên tâm hơn với chính mình, khi những vấn đề cập nhật được dựa trên một hệ thống các kiến thức cơ bản Do vậy phần đâu của cuốn sách được bổ sung sẽ nhắc lại các khái niệm cơ bản về cơ khí hoá và tự động hoá, về kỹ

thuật điều khiển và điều chỉnh cũng như các công cụ toán ứng dụng

gắn kết với chúng, như vấn đề sơ đô khốt và graph tín liệu, đạt số logic (dai s& Boole)

Khi nghiên cứu về máy công cụ điều khiển số, dường như bạn doc

kết cấu của bộ phận chấp hành cơ khí, trong đó các cơ cấu truyền động thuộc các hệ cơ khí, thuỷ lực và khí nén đóng vai trò trọng yếu Mặc dù việc thiết kế các kết cấu cơ khí cho máy công cụ CNC là điều không thật quan trọng khi các cơ sở sản xuất tiếp thu chuyển giao thiết

bị mới, nhưng việc bảo dưỡng sửa chữa máy khi có những sự cố kỹ thuật lại cần đến những hiểu biết nhất định về nguyên lý tác dụng của một số môdun kết cấu cơ bản Do vậy trong phần thứ hai, cuốn sách mới bổ sung đã đưa vào một số kiến thức chọn lọc về diều khiển và điều chỉnh các hệ truyền đâu cơ khí, thuỷ lực và khí nén

Trong phần thứ ba, sách vẫn để cập đến các máy công cụ CNC ở hai dạng công nghệ cơ bản là phay và tiện điều khiển theo chương trình số Điều đáng chủ ý là ở phần thứ tư tiếp theo đó, cuốn sách đã

dưa ra các bài giảng, bài kiểm tra trắc nghiệm về máy công cụ CNC

và kỹ thuật lập trình Nhằm mục đích hỗ trợ cho bạn đọc làm công tác giảng dạy ở các trường cao đẳng, dạy nghề hay ngay cả các bạn đọc

sử dụng sách để tự đào tạo nâng cao, phần bổ sung thứ tư đã tập hợp

một số lượng phong phú các bài tập trắc nghiệm để vừa học tập thêm,

vừa đánh giá được kết quả học tập và nghiên cứu của mình khi thực

hiện xong các bài tập trắc nghiệm này, bởi chúng đã thể hiện những

nguyên công gia công đẩy đủ nhất, được tập hợp từ trình độ cơ bản đến trình độ nâng cao

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến nhiều bạn đọc đã có những ý kiến đóng góp thiết thực và nêu thành những đòi hỏi nghiêm túc để cuốn sách có thêm được những nội dung mới như trên đã nêu

Sự hợp tác chặt chế giữa bạn đọc với tác giả là một đảm bảo cho cuốn

sách ngày càng được hoàn thiện hơn Cùng với những cuốn sách đã

xuất bản như “Hệ thống điều khiển số cho máy công cụ”, “Máy điều

khiển theo chương trình số và Robot công nghiệp”, cũng như một vai

đâu sách sẽ đến tay bạn đọc nay mái lĩnh vục “Máy móc và thiết bị công nghệ cao trong sản xuất cơ khí", tác giả hy vọng cuốn “Kỹ thuật điều khiển, điều chỉnh và lập trình khai thác máy céng cu CNC” sẽ góp phân hệ thống hoá kiến thức trên một nhánh chuyên môn rất trọng yếu của ngành cơ khí chế tạo máy mà bạn đọc quan tâm

Hà nội, Xuân 2004

Tạ Duy Liêm

MUC LUC

Trang

Loi tua

Phan thir nhat:

HE THONG CAC KIEN THUC CO BAN

Chương I: Các khái niệm cơ bản về Cơ khí hoá và Tự động

hoá, Kỹ thuật điều khiển và điều chỉnh

I Các vấn đề hệ thống

1.1 Những định nghĩa cơ bản về Cơ khí hoá và Tự động hoá

1.2 Tín hiệu: Thể loại, dạng nhận biết và giá trị của tín hiệu 1.3 Các hệ thống con trong một hệ thống tự động tổng hợp

1.4 Phân loại các quá trình Xử lý trong công nghiệp cơ khí

II Tóm lược lý thuyết điều khiển tự động

2.1 Nội dung cơ bản của lý thuyết ĐKTĐ

2.2 Phép biến đổi Laplace

2.3 Ứng dụng biến đổi Laplace để giải phương trình vi phân 2.4 Nhắc lại định nghĩa và các phép tính ma trận cơ bản

2.5 Phương trình trạng thái, không gian trạng thái

Chương II: Sơ đồ khối và graph tín hiệu

1 Sơ đồ khối và đại số sơ đồ khối

1.1 Sơ đồ khối

1.2 Các phép biến đổi sơ đồ khối

II Graph tin hiệu

2.1 Khái niệm

2.2 Các thành phần trong graph tín hiệu

2.3 Đại số graph tín hiệu

11

H 1] 1]

Chuong III: Dai số logic

I Tin hiéu tuong tu va tin hiệu số

II Các hệ đếm cơ bản

2.1 Hệ đếm (mã) nhị phân

2.2 Biến đổi một số từ hệ thập phân sang hệ nhị phân

2.3 Các hệ đếm khác

II Hàm trong hệ đếm nhị phân

3.1 Hàm logic với một biến

3.2 Hàm logic nhiều biến

IV Đại số Boole

4.1 Các phép tính cơ bản

4.2 Các quy tắc quan trọng

4.3 Biểu điễn các hàm logic

4.4 Thực hiện hàm logic bằng các cổng logic cơ bản

4.5 Biến đổi tương đương các cổng logic

V Các phương pháp biểu diễn hàm logic

5.1 Phương pháp bìa Karnaugh

5.2 Rút gọn các biểu thức logic

5.3 Hàm với những điểm không xác định

5.4 Một vài điều lưu ý khi sử dụng bìa Karnaugh

5.5 Ký hiệu các cổng logic

Phần thứ hai:

NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ KỸ THUẬT

ĐIỀU KHIỂN VÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC HỆ CƠ KHÍ,

THUỶ LỰC VÀ KHÍ NÉN

Chuong I: Hệ thống điều khiển bằng cơ khí

1.1 Khái niệm chung

1.2 Các hệ thống truyền động điều chỉnh được bằng cơ khí

1.3 Các hệ thống truyền động có tỷ số truyền không ổn

định

1.4 Các bộ truyền có chuyển động không liên tục

Chương II: Hệ thống điều khiển bằng thuỷ lực và khí nén

2.1 Khái niệm chung

2.2 Nguyên tắc cấu trúc của một hệ thống thiết bị khí nén

2.3 Bộ sinh áp khí nén

2.4 Các khâu truyền dẫn

2.5 Điều khiển các khâu truyền dẫn

2.6 Sơ đồ mạch và giản đồ bước - hành trình

2.7 Hệ thống điều khiển phối hợp khí nén thuỷ lực

Phần thứ ba:

MÁY CÔNG CỤ CNC-CÁC CÔNG NGHỆ CƠ BẢN

Chương I: Máy phay điều khiển theo chương trình số

1.1 Lịch sử phát triển

1.2 Đặc điểm cấu trúc của các máy công cụ điều khiển CNC 1.3 Lập trình cho máy công cụ CNC

1.4 Hé toa độ máy

1.5 Ý nghĩa của việc sử dụng các máy CNC đối với xí

nghiệp công nghiệp

1.6 Điều khiển đường dịch chuyển trên máy CNC

1.7 Các dạng điều khiển

1.8 Xử lý thông tin

1.9 Vận hành theo he DNC

1.10 Hiéu chinh bién dang - Lénh G41/G42

1.11 Nội suy vòng G02 và G03 trong hệ toạ độ Decartes

1.12 Các yếu tố chuyển tiếp

Phu chuong:

1 Các chức năng “G”- Điều kiện đường dịch chuyển

2 Các chức năng“M”- Chức năng đóng mach và các

2.1.1 Giới thiệu bảng điều khiển của máy tiện CNC

hé thong TRAUB SYStem TX8

2.1.2 Các câu lệnh của một chương trình tiện điển

hình

2.1.3 Các điều kiện đường dịch chuyển

2.1.4 Các chức năng đóng/ ngất và chức năng phụ

2.1.5 Đặc điểm phân biệt các máy tiện CNC

2.2 Mô tả hình học của các biên dạng chỉ tiết

CÁC BÀI GIẢNG, BÀI KIỂM TRA TRẮC NGHIỆM VỀ

MÁY CÔNG CỤ CNC VÀ KỸ THUẬT LẬP TRÌNH

Chương I: Một số kiến thức cơ sở

1.1 Đặc điểm kỹ thuật của máy CNC

1.2 Hệ thống đo đường dịch chuyển và thu thập giá trị đo

1.3 Sự phối hợp giữa các máy điều khiển NC

1.4 Xử lý dữ liệu trong NC 328

2.10.Tự động sửa đúng (bù) bán kính dao phay 355

3.1 Máy tiện - Các trục - Hệ toạ độ 379

3.2 Nội suy tuyến tính trong hệ thống kích thước

3.5 Lập chương trình, xây dựng câu lệnh - Bộ nhớ

3.6 Tiện - Phân lớp cắt

3.7 Chu trình tiện thô

3.8 Chu trình tách lớp cho gia công hoàn chính

2 Các giá trị hiệu chỉnh phay (lựa chọn)

3 Các giá trị hiệu chính tiện (lựa chọn)

4 Cắt ren hệ mét (ISO) - lựa chọn

Tài liệu tham khảo

Phần thứ nhất

HỆ THỐNG CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN

Chương I

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ KHÍ HOÁ

VÀ TỰ ĐỘNG HOÁ, KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN

VÀ ĐIỀU CHỈNH

I CAC VAN ĐỀ HỆ THONG

1.1 Những định nghĩa cơ bản về cơ khí hoá và tự động hoá

a Cơ khí hoá - (danh từ)

Cơ khí hoá là quá trình giải phóng lao động thủ công, cơ bắp, thông qua các cơ cấu, dụng cụ hay máy móc cơ khí sử dụng một nguồn năng lượng ngoại vi tác động vào đối tượng xử lý nhằm biến đổi nó trở

thành vật thể hữu dụng trong kỹ thuật và trong đời sống của con người

Trong ngành chế tạo máy, dạng năng lượng thường dùng là cơ năng nên cũng dùng danh từ “cơ khí hoá” để khái quát các quá trình trang

thiết bị máy móc công nghiệp Tuy nhiên cơ khí hoá cũng bao gồm việc trang bị các máy móc sử dụng các dạng năng lượng khác như: hoá

năng trong các quá trình “hoá học hoá”; nhiệt năng hay điện năng trong các quá trình “nhiệt hoá” và “điện khí hoá”

b Cơ khí hoá - (động từ)

Cơ khí hoá bao gồm các công việc thiết lập và thực hiện các dự án

triển khai, lấp đặt, khai thác vận hành, bảo dưỡng và sửa chữa các thiết

bị, máy móc, trong đó các lao động bằng tay được thay thế từng phần hoặc triệt để bởi các cụm kết cấu cơ khí dùng cơ năng hoặc các dạng năng lượng tương thích khác

li

c Tự động hoá (TĐH) - (danh từ)

Trong quá trình cơ khí hoá, người ta mới chỉ quan tâm đến hai dòng

vận động cơ bản, đó là dòng lưu thông vật chat (material stream) va

dòng lưu thông năng lượng (energy stream) Tự động hoá là bước phát

triển cao hơn của kỹ thuật và công nghệ, trong đó còn có một dòng vận động thứ ba được quan tâm đặc biệt bên cạnh hai dòng vận động vật

chất và năng lượng, đó là dòng lưu thông thông tin Gnformation stream) Cũng trong quá trình cơ khí hoá, người ta mới chỉ quan tâm đến việc giải phóng thao tác bằng tay trong các "hoạt động chấp hành” Với tự động hoá ta có thể loại bỏ được từng phần hay toàn bộ

lao động cơ bắp cả trong các “hoạt động diéu khiển và điều chỉnh”, hơn

nữa, các quá trình này được hỗ trợ bằng kỹ thuật điện toán và công

nghệ xử lý tin để tiến tới thực hiện việc thay thế một phần đáng kể lao

động trí tuệ của con người trong các hệ thống kỹ thuật và công nghệ

Trong khi điều khiển các quá trình cơ khí, chủ thế điều khiển dù là

con người hay hệ thống điều khiển cũng đều buộc phải theo dõi, giám

sát các thông số (đại lượng kỹ thuật) để tác động biến đổi chúng một

cách thích hợp Như vậy “cơ khí hoá” đã được “tự động hoá” làm thay

đổi một cách căn bản các đặc trưng của nó, khiến nó thực sự trở thành

các hệ thống kỹ thuật ngày càng ít cần đến sự can thiệp trực tiếp của

người vận hành, kể cả việc theo dõi, giám sát, điều khiển và điều chỉnh

các thông số kỹ thuật của quá trình công nghệ Tự động hoá đồng thời cũng là khoa học nghiên cứu các quá trình tự động tác động, nó gắn

liền với các ngành khoa học như toán học, vật lý học, cơ học

d Cơ cấu tu déng (Automat)

Cơ cấu tự động là những thiết bị tự động tác dụng không cần đến sự can thiệp trực tiếp của con người vào việc điều khiến các quá trình lặp lại

e Cơ cấu bán tự déng (halfautomat)

Cơ cấu bán tự động là những thiết bị tự động vẫn còn đòi hỏi những

thao tác trợ giúp như: đóng ngắt mạch, nạp hay phóng năng lượng, gá kẹp chỉ tiết

12

1.2 Tin hiéu: thé loai, dang nhan biết và giá trị của tín hiệu

Y- tín hiệu đầu vào đi tới O “2

Hình 1.1 Liên hệ đơn giản giữa người điều hành và đối tượng

Hình 1.1 trình bày mối liên hệ giữa con người và đối tượng tac

động Dòng năng lượng E tác động vào đối tượng O và làm thay đổi

trạng thái của nó (thay đổi giá trị của các đại lượng vật lý xác định)

Sự thay đổi này là nguồn thông tin báo cho người điều khiển C bằng

các tín hiệu tương thích X

Tín hiệu truyền đi những thông tin về sự biến đổi trạng thái hay

biến đổi giá trị của những đại lượng vật lý nào đó mà ở đây mức năng lượng không có ý nghĩa đáng kể Tuỳ thuộc vào độ lớn và hướng (dấu

trước giá trị) của sự thay đổi trạng thái này, một tín hiệu Y sẽ tác động

tới cường độ của đòng năng lượng theo chiều hướng thích hợp

Đối tượng O còn chịu tác động của một đại lượng Z, gọi là đại lượng nhiễu Chính đại lượng nhiễu là biểu thị cho mối quan hệ của một hệ thống kỹ thuật với môi trường xung quanh nó

Tín hiệu đi ra từ một khâu trong hệ thống gọi là tín hiệu đầu ra, tín

hiệu đi tới một khâu trong hệ thống gọi là tín hiệu đầu vào

Hình 1.2 Sơ đồ khối của đối tượng và tín hiệu truyền tải thông tin

I3

Trong sơ đồ khối (hình 1.2), các khâu trong hệ thống được phân biệt các chức năng khác nhau cũng bởi hướng truyền tải của thông tin 1.2.1 Thể loại, dạng nhận biết và giá trị của tín hiệu

1.2.1.1 Thể loại

Thể loại tín hiệu được xác định bởi đặc trưng của đại lượng vật lý đóng vai trò mang tin, ví dụ: lượng dịch động, lực tác dụng, điện áp hay cường độ dòng điện, áp suất thuỷ hay khí nén, cường độ dòng sáng Thể loại tín hiệu phải được lựa chọn sao cho nó có khả năng được định lượng tốt nhất, mỗi biến đổi của tín hiệu gắn liền với biến

đổi của đại lượng vật lý xác định trong khâu của hệ thống

Thể loại tín hiệu được phân biệt theo từng lĩnh vực khác nhau và

được ứng dụng tuỳ thuộc điểu kiện cụ thể của kết cấu cũng như

nguyên tắc làm việc của dụng cụ thiết bị Ví dụ: các tín hiệu điện được

dùng để biểu thị điện áp, cường độ, tần số và đòng điện; các tín hiệu thuỷ lực - khí nén dùng trong biểu thị giá trị áp suất, lưu lượng; tín

hiệu dịch chuyển thẳng để biểu thị giá trị các đoạn chuyển động 1.2.1.2 Dạng nhận biết

Dạng nhận biết tín hiệu được xác định bởi quá trình biến đổi giá trị của chúng theo thời gian Theo đó, tín hiệu được nhận biết thông qua hai nhóm chính:

1 Tín hiệu liên tục (Signal continuous)

Là dạng tín hiệu mà ở mỗi thời điểm bất kỳ đều tồn tại một quan hệ phụ thuộc giữa giá trị của đại lượng vào và giá trị của đại lượng ra:

X=f(Y)

ví dụ: tín hiệu tương tự đầu ra là công suất phát đòng nhiệt điện, tỷ

lệ thuận với giá trị tức thời của nhiệt độ trong lò - là tín hiệu liên

tục đầu vào

(Stochasties = ngẫu nhiên - hình 1.3b), trong đó các giá trị của tín

hiệu liên tục là một đải hỗn loạn ngẫu nhiên, tuy vậy có thể xác định được giá trị trung bình của nó nhờ công cụ toán xác suất

2

14

2 Tín hiệu gián đoạn (Discrete)

Tín hiệu gián đoạn (không liên tục) được chia thành ba nhóm quan

trọng: Xung - Hàm nhảy bậc - Tín hiệu số, chúng đều có tác dụng theo

thời điểm

a Xung

Hinh 1.3c là ba phương án tín hiệu xung đầu ra cùng mô phỏng một tín hiệu đầu vào (tương tự, liên tục), được đưa ra bởi các phương pháp môdun hoá khác nhau: (A) - môđun hoá biên độ, giữ nguyên chiều

dụng) giữ nguyên biên độ của xung

b Hàm nhảy bậc

- — Hình 1.3d va 1.3e 14 tin hiệu hàm nhảy bậc, gồm hai dạng chính là

hiệu liên lục (hình 1.3dA) hay tin hiệu gián đoạn (hình 1.3dB) Trên

hiệu đầu ra đều có đặc tính xung (nhảy bậc)

giá trị tương ứng của xung đầu ra là:

-1/0/ +] = Âm / Không / Duong = Trái / Giữa / Phải

c Tín hiệu số

- — Tín hiệu số (Digtal - Hình 1.3f va 13g) là nhóm tín hiệu cực kỳ

quan trọng và được ứng dụng rộng rãi bởi nó có khả năng tiếp nhận những giá trị tín hiệu rời rạc, xác định, duy nhất

16

Hình 1.3f là tín hiệu lượng hoá - dạng số (Quantensignal), trong đó

với mỗi giá trị X đầu vào thì Y ở đầu ra chỉ có thể tiếp nhận giá trị:

Hình I.3g là tín hiệu mã hoá - dạng số Ở đây một giá trị xác định

w nào đó được mã hoá bởi một chuỗi tín hiệu thích hợp Các tín

hiệu được truyền đi trên một kênh hoặc đồng thời trên nhiều kênh

Ưu điểm tuyệt đối của tín hiệu số - mã hoá là ít nhạy cảm với các

nhiễu loạn bên ngoài

1.2.2, Các chú ý quan trọng

Giá trị của tín hiệu phụ thuộc vào sự thay đổi của đại lượng vật lý

xác định, nó được sử dụng chỉ để truyền tải thong tin

Giá trị của tín hiệu như vậy không gắn với giá trị cường độ của dòng năng lượng đi vào hoặc khối lượng vật chất chuyển dịch qua đối tượng tác động

Tín hiệu chỉ cần có mức năng lượng đủ để truyền tải thông tin và tạo điều kiện cho hệ thống tác động được

Sự đổi chiều (đổi dấu trước giá trị) của tín hiệu có tác động đến sự chuyển đổi trạng thái của đối tượng tác động theo hướng điều tiết tương thích

Thời điểm tác dụng của tín hiệu cần được lựa chọn sao cho sai lệch của quá trình đo nằm trong khoảng thời gian xác định

Tất cả các quá trình công nghệ đều được quan sát theo đạng truyền tải thông tin trong hệ thống:

* Đối tượng tác động - con người (điều khiển) - Vòng truyền tải thông tin”

Việc đo là thực hiện phép so sánh giá trị tức thời của đại lượng đo

với một chuẩn đo và xác định sai khác giữa chúng về gid tri va chiều (dấu trước giá trỊ)

Hệ thống tín hiệu hoá các giá trị đo có liên hệ mật thiết với HTĐ,

trong đó việc điều khiển đo được chỉ dẫn bởi các tín hiệu tương

thích (tín hiệu âm thanh, tín hiệu ánh sáng ) mỗi khi giá trị đo

vượt qua giá trị giới hạn

Tín hiệu đi vào hệ thống do là đại lượng đặc trưng cho trạng thái

thông tin về giá trị của đại lượng này

HTĐ gồm nhiều loại tuỳ thuộc chức năng mà hệ thống công nghệ

là sơ đồ khối của các HTĐ đơn giản

Hình 1.4a là trường hợp đơn giản nhất (không cơ khí hoá việc đo): con người C (Operator) quan sát kết quả của quá trình bằng cách nhìn trên đối tượng tác động O (Object) mà không dùng đến dụng

Hình 1.4b trình bày một HTĐ có sử dụng bộ biến đổi P, trong đó dang tin hiéu thu được từ hiện trạng của đối tượng tác động được biến đối thành một dạng khác cho thích hợp trước khi truyền tới

dụng cụ đo để thực hiện phép so sánh với một chuẩn đo và hiển thị

giá trị tức thời của đại lượng đã đo với một độ chính xác nhất định

Trong trường hợp này bộ biến đổi P cũng thường khuếch đại luôn giá trị của tín hiệu HTĐ này được cơ khí hoá một phần cho việc

đo và có dùng thêm năng lượng phụ trợ

trị đo còn có một liên hệ song song với bộ phận ghi (Registrator AR)

để ghi lại của giá trị đại lượng đo vào một vật mang tin thích hợp

- >5 '* ¬>-o°`¬-so°

` + Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ

19

người điều hành hệ thống biết rằng các giá trị tức thời của thông số đo

đã vượt qua một giá trị xác định hay còn nằm trong một phạm vi giới

hạn (thường dùng tín hiệu ánh sáng hoặc âm thanh) HTĐÐ này được cơ khí hoá từng phần nhưng chưa được tự động hoá vì việc theo dõi, giám

sát và xử lý hiệu chỉnh vẫn cần đến tác động của con người

1.3.2 Hệ thống điều khiển (HTĐK)

HTĐK được đặc trưng bởi tín hiệu đầu vào của nó là giá trị của một đại lượng xác định gọi là đại lượng dẫn và tín hiệu đầu ra là đại lượng có tác dụng đến sự thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển

Hình 1.6 Sơ đồ khối các hệ thống điều khiển (HTĐK) đơn giản

a) Điều khiển tay; b) Điều khiển nhờ một hệ thống cơ khí:

A- khâu điều khiển tự động;

Z,, Zy Zy - đại lượng nhiễu

20

- HTDK cho phép biến đổi cả cường độ và chiều của dong năng lượng hay dòng vật chất, có liên quan đến biến đổi vị trí của đối

tượng tác động

- - Trong HTĐK, các tín hiệu được bố trí, xếp đặt tuỳ theo người điều

hành và hướng tới đối tượng tác động Các hệ thống an toàn gắn liền với các liên hệ logic của HTĐÐK

1.3.2.1 Phan biệt theo mức tự động hoá

Chúng đều có đại lượng dân là một đại lượng đặc trưng không phụ thuộc vào dạng và trạng thái của đối tượng điều khiển, do đó các HTĐK này cũng được gọi là HTĐK mở (hay HT mở) vì không có liên hệ phản hồi tới các thiết bị điều khiển

dụng trên các khâu điều chỉnh N để thay đổi cường độ và chiều của dòng năng lượng hay dòng vật cl “ Người điểu hành tác động ở đầu vào của đối tượng nhưng en, ta khong biết được giá trị thực của các

biến đổi trạng thái trên đối tượng do tác động đó gây ra, vì không có

phép đo nào được thực hiện Ngay cả ảnh hưởng của nhiễu Z cũng

không được quan tâm

- — Hình 1.6b là sơ đồ minh hoạ HTĐK đã được cơ khí hoá từng

phần, trong đó khâu tác động W diều khiển khâu điểu chỉnh N nhờ nguồn năng lượng bên ngoài E Người điều hành C điều khiển tác dụng của khâu W Ở HTĐK này có các đại lượng nhiễu: Z, tác động đến khâu W, Z¿ tác động đến đối tượng

- Hình 1.óc là một HTĐK tự động Việc điều khiển được thực

hiện tự động nhờ ứng dụng khâu điều khiển tự động A, làm thay đổi tác dụng của khâu W theo một chương trình làm việc thiết lập bởi

người điều hành hệ thống Vai trò của con người được giới hạn chỉ cần đóng mạch cho một chu kỳ tự độ"g Trong HTĐK có các đại lượng

nhiễu Z,, Z; và Z4

21

1.3.2.2 Phan biét theo nguyên tắc tác dụng

Trong ngành cơ khí CTM thường ứng dụng các HTĐK như: Hệ thống tuần tự (HTTT), hệ thống liên hệ theo thời gian (HTTG), hệ thống đồng bộ (HTĐB), hệ thống chương trình (HTCT) và hệ thống

Đại lượng điều khiển

Đại lượng, dan

4

tạ lv t1

Hình 1.7 Sơ đồ các hệ thống điều khiển

a- điều khiển tuần tự; c- điều khiển theo chương trình:

b- điều khiển theo liên hệ thời gian: d- điều khiển đồng bộ

Hình 1.7a là ứng với HTĐK tuần tự, đặc trưng của nó là sự thực

hiện theo trình tự từng giai đoạn riêng lẻ của qua trmni Tín hiện kết thúc giai đoạn một (A) 1a tin hiéu bắt đầu của giai doạn hai (By Trên thực tế thường có các khoảng thời gian xen giữa hai giai đoạn (t„ = thời

HTĐK và dạng của các phần tử điều khiển ứng dung trong HTDK

trình đóng ngắt của từng giai đoạn riêng lẻ trong quá trình tổng thể, nó

không có tác dụng biến đổi các lượng số năng lượng của quá trình

Hình !.7b là HTĐK quá trình theo thời gian, trong đó sự bất đầu hay kết thúc một giai đoạn nào đó của quá trình có liên hệ với nhau thông qua những khoảng cách thời gian xác dịnh Thơi gi: kéc đài

của từng giai đoạn cũng được điều khiển

Một hệ thống phối hợp giữa HTTT và HTTG cũng có ứng dụng thực

tế và gọi là hệ thống 1: :ấn tự theo thời gian (ví dụ các hệ thống vận

gian giữa lúc bắt đầu và lúc kết thúc từng giai đoạn riêng lẻ

Một dạng rất quan trọng là HTĐK chương trình, trong đó các

ĐLĐK phụ thuộc vào sự thay đổi các giá trị xuất hiện do tác dụng của

đại lượng dẫn Đúng với định nghĩa chung, đây là một HTĐK mở, trong đó phải tính đến ảnh hưởng của các đại lượng nhiễu trên đường tác dụng của ĐLĐK Trong HTCT, các dạng thay đổi của đại lượng dẫn đã biết trước theo một chức năng xác định hay mội công thức liên

hệ sắn có Chương trình có thể thay đổi bởi người điều hành ở khâu lập

23

trình HTĐK theo chương trình được ứng dụng rộng rãi trong co khí

chế tạo máy như các máy gia công theo biên dạng cam, theo hệ thống

chép hình, hay theo hệ thống cữ chặn hành trình; trong công nghệ xử

lý bể mặt, cắt kim loại bằng tia lửa điện theo dưỡng chép hình

Khác với các phương thức điều khiến đã nêu trên, ở HTĐB giá trị

của ĐLĐK không biết trước mà biến đổi ngẫu nhiên do ảnh hưởng của

sự biến đổi không biết trước và có tính thời điểm của giá trị đại lượng

dẫn, ví dụ ảnh hưởng của ÐL nhiễu đến đại lượng dẫn ở hình 1.7d là

một quá trình điều khiển đồng bộ Độ lớn và tính động học khi biến

đổi các ĐLĐK phù hợp với những đặc tính tương tự của đại lượng dẫn

Ví dụ điển hình cho HTĐB là điều khiển chép hình đọc theo biến dạng

cố định của dưỡng mẫu

Trong HTLG, các đại lượng đầu ra phụ thuộc vào đại lượng đầu vào

theo những quan hệ logic Các phần tử của HTĐK đảm nhiệm các chức

năng logic gọi là những “khối logic”, gồm các mối quan hệ như:

- Ngang bằng:a=a

- Tổng: a+ b hay là a hoặc b

- Tích:a b hay là a và b

- Phủ định:a= a

Những vị trí tiếp xúc trong các khối logic thường dùng để biểu thị

các trạng thái đối lập của mạch:

“Đóng” / “Mở”; “Có” / “Không”

+/- 1/0 _ hayL/O

- _ Những khối logic quan trọng trong kỹ thuật là:

Tổng:x= a+b+c | “HOẶC” Phát tín hiệu ra x khi xuất hiện một

trong các tín hiệu vào a, b, c

đủ tín hiệu vào a, b, c

hiệu vào a Ngắt tín hiệu ra x khi xuất hiện tín

hiệu vào a

hiệu ra x cho tới khi có một tín hiệu

vào b làm biến mất tín hiệu x

—

với công suất ban đầu của tín hiệu

vào

logic này sau một thời gian duy trì mới phát tín hiệu ra

Đếm “Đếm” Tín hiệu bổ sung giữa hai tín hiệu

Hệ nhị phân |f2 biến đổi trạng thái của chúng

mỗi lần xuất hiện một tín hiệu vào

_ @khau “ HOẶC” có quan hệ: a+b=x, thì:

quan tâm và nằm trong giá trị của tín hiệu ĐK

hồi Đây là đặc điểm cơ bản và cũng là ưu điểm của HTĐC

_ Trên hình 1.8 là một HTĐC bằng tay Tín hiệu đầu ra X sau

dùng năng lượng bên ngoài E¡

E,, E;- dòng năng lượng phụ:

Z,, Zs, Z4- các đại lượng nhiễu

Hình 1.8 Sơ đồ khối hệ thống điều chỉnh tay

26 2

- — Hình 1.9 trình bày sơ đồ khối của một HTĐC trong đó người điều hành không có tác động can thiệp trực tiếp Đó là một HTĐC tự dọng

Hình 1.9 Sơ đồ khối một hệ thống điều chỉnh tự động

O- đối tượng điều chỉnh; P - bộ biến đổi tín hiệu đo: M - dụng cụ đo; R - khâu điều chỉnh; Z„ - bộ phát tín hiệu; C - người điều hành: W - khâu chấp hành: X - tín hiệu ra; Y - tín hiệu vào: E¿ E;: E;.E„ - dòng năng lượng phụ; Z\ Z¿, Zax Z„, Z2 Z4 - các đại lượng nhiễu

- Tin hiệu đo đi ra từ dụng cụ đo được dẫn tới khối R (có vai trò là

bộ điều chỉnh), tại đó sẽ thực hiện so sánh tự động giữa giá trị thực và giá trị cần Z„ - đi từ bộ cấp tín hiệu Z„ tới Nhiệm vụ của người điều

hành C ở day chỉ là việc điều chỉnh giá trị cần Z„ Về chiều tác dụng

của mạch thông tin (tín hiệu), hệ thống tự động này có tính đến ảnh

hưởng của nhiều Z, đặt trên khâu chấp hành W và nhiễu Z¿; trên đối

27

tượng O Ngược lại nhiễu Z, trên bộ biến đổi P của dụng cụ đo M và nhiễu Z„ trên bộ cấp tín hiệu Z„ sẽ bị g1ữ lại

như sau: Đối tượng O - Bộ biến đổi tín hiệu đo P - Bộ điều chỉnh R - Khâu chấp hành W - Khâu điều chỉnh N - Đối tượng O Dòng thông tin khép kín và tự động tác dụng nhờ các cơ cấu cơ khí hoá Công việc của con người trong HTĐC (hình 1.8) đã được thay thế bởi khối R và Z4 (bộ điều chỉnh, bộ cấp tín hiệu cần)

Trên cơ sở đặc tính của giá trị cần, người ta phân ra:

- HTDC gid tri cần bằng bằng số (ví dụ giữ cho nhiệt độ trong lò ổn định)

-_ HTĐC giá trị cần theo chương trình (điều khiển theo chương trình thiết lập), ví dụ điều chỉnh tốc độ quay của động cơ thuỷ lực theo một hàm số phụ thuộc thời gian

-_ HTĐC giá trị cần theo đại lượng dẫn (điều khiển đồng bộ chép hình

theo dưỡng mẫu)

1.3.4 Các hệ thống tính toán (HTTT)

Trong công nghiệp hiện đại ngày càng ứng dụng phổ biến các HTTT Nó thực hiện các nguyên công tính toán xác định như các phép cộng, trừ, nhân, chia, luỹ thừa, khai căn, vị phân, tích phân va giải các phương trình Hình 1.10 chỉ ra những điểm tại đó có thể cho phép đùng các HTTT: Trong hệ thống đo, các khâu tính toán số thường đặt ở đầu

vào (PA1) và đầu ra (PA2) của bộ biến đổi P, cũng có thể đặt thêm sau

bộ ghi (PA3) Khâu tính toán cũng thường đặt trước bộ cấp tín hiệu 2u (PA4) để xử lý tín hiệu dẫn phụ thuộc nhiều thông số Ngoài ra còn đặt cụm tính toán ở trước khâu chấp hành W (PA5) trong trường hợp phải tính đến ảnh hưởng bên ngoài tới tác dụng điều chỉnh (ví dụ áp suất

hay nhiệt độ của môi trường)

Các bộ tính toán số có mặt rất nhiều trong hệ thống điều khiến máy

công cụ, trong đó các xung điều khiển được đếm và lấy đó làm cơ sở

điều hành hệ thống dẫn động

28

W - khâu chấp hành; C - người điều hành:

N - khâu điều chỉnh; PA1, PA2, PA3, PA4,

PA5 - khâu tính toán số

Hình 1.I 1 là sơ đồ đơn giản của một thiết bị tự động xử lý tập trung

các đại lượng đưa vào Tín hiệu vào được sản sinh bởi các bộ cấp tín

hiệu từ P, đến P¿ (ví dụ: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, mức/độ cao )

Các tín hiệu có đặc tính analog và phản ánh sự biến đổi tương tự số A/D, từ đó các tín hiệu được dẫn tới công tắc lựa chọn (chuyển mạch)

S$ Các tín hiệu cần đi từ cụm phát đại lượng dẫn PR tới cụm tính toán

PA, có trang bị một bộ nhớ tín hiệu

Kết quả tính toán và các thông tin bổ trợ cập nhật (ngày, giờ giá trị

giới bạn ) được truyền đến bộ chỉ thị số M, cụm xử lý tín hiệu 5g và

cụm ghi RA để in ra kết quả Trên cụm phát đại lượng dẫn PR có thể

29

dễ dàng thay đổi chương trình bởi các vật mang tin khác nhau đã ghi

lại chương trình thiết lập (băng từ, đĩa từ, CD )

ow

PR

Hình 1.11 Ví dụ về một hệ thống ứng dụng các cụm tính

toán số để chuyển đổi các giá trị trạng thái của qua trình sản xuất

PR-cum lap trinh: S - chọn kênh: PA - khâu tính số: PI, P2 P3 P4 - cụm

phát và biến đổi tín hiệu mức; M - dung cu do; Sg- cum phar tin hiệu: RA -

bộ ghi tự động

1.4 Phân loại các quá trình xử lý trong công nghiệp cơ khí

Cơ khí hoá và tự động hoá có tất nhiều ứng dụng trong các quá

trình xử lý khác nhau của công nghiệp chế tạo máy Có ba quá trình chức năng cơ bản: Quá trình sản xuất - Quá trình hỗ trợ - Quá trình

quản lý điều hành

30

a Quá trình sản xuất

Bao gồm các quá trình công nghệ, kiểm tra và vận chuyển

Trong các quá trình công nghệ, đối tượng tác dụng có những thay đổi thông số kỹ thuật như cấu trúc hình dáng, kích thước, tính chất vật lý

(ví dụ: đúc, hàn, rèn, đập, cắt gọt, xử lý bể mặt, xử lý nhiệt, lắp ráp )

Quá trình kiểm tra có nhiệm vụ kiểm tra các tính chất xác định của

sản phẩm và khối lượng của chúng trong từng giai đoạn sản xuất (ví dụ: đo chiều dài, đo góc, đo lường về sức bền, độ cứng hay chất lượng

bề mặt và số lượng, loại sản phẩm )

Quá trình vận chuyển nội bộ bao gồm vận chuyển theo điều kiện công nghệ, vận chuyển giữa các nguyên công công tác và vận chuyển giữa các phân xưởng; ngoài ra còn có vận chuyển ở ngoài vùng sản xuất

b Quá trình hỗ trợ

Quá trình hộ trợ là những quá trình không có liên quan trực tiếp tới sản phẩm nhưng cũng không thể loại trừ vì nó hỗ trợ cho sản xuất như:

quá trình chuẩn bị kỹ thuật sản xuất, chuẩn bị phương tiện máy móc và

năng lượng (ví dụ: vẽ và soạn thảo các tài liệu kỹ thuật, thiết kế và chế

tạo gá lắp dụng cụ, dưỡng mẫu; chuẩn bị nguồn điện, khí nén, nguồn nhiệt, nguồn nước, thông tin liên lạc )

c Các quá trình quản lý điều hành

Gồm: quản lý sản xuất nói chung, quản lý nhân sự, bảo vệ xí

nghiệp, an toàn lao động và các chính sách xã hội

II LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

2.1 Nội dung cơ bản của lý thuyết ĐKTĐ

Lý thuyết điều khiển tự động bao gồm hai bài toán điển hình:

- _ Bài toán phân tích hệ thống và

- Bài toán tổng hợp hệ thống (hay thiết kế hệ thống)

31

a Bài toán phân tích hệ thống

Bài toán này được đặt ra khi cần đánh giá lại các chỉ tiêu chất lượng

của hệ thống đang vận hành nhưng có sự cố xảy ra hoặc của hệ thống

đã hoạt động lâu ngày, nay cần điều chỉnh lại tham số điều khiển

Nội dung của nó gồm:

hình toán học của hệ thống

- — Xem xét tính ổn định và các chỉ tiêu chất lượng khác như thời gian điều khiển (độ nhạy), độ chính xác của các đại lượng được điều

khiển và thông số điều khiển trong một giới hạn cho phép

giải tích thông thường đến các cụm điện toán và các thuật toán chuyên dụng của đại số logic, đại số điều khiển, đại số ma trận và các công cụ tính toán số (digital) khác, tuỳ theo cấu trúc và nguyên lý tác động của các hệ thống khác nhau

b Bài toán tổng hợp hệ thống hay thiết kế hệ thống

Bài toán này được đặt ra khi có các yêu cầu thiết kế mới một hệ

thống thoả mãn độ chính xác điều khiển, độ nhạy của hệ thống hoặc `

có năng lượng tiêu hao cực tiểu

Bài toán này thường đi kèm quá trình phân tích hệ thống, nhất là khi đã có thiết kế sơ bộ nhưng cần cải thiện đặc tính của hệ thống cho

2.2 Phép bién déi Laplace

a Định nghĩa

Nếu ta có một hàm f(tQ) biến thiên theo thời gian thì ảnh Laplace

của hàm số F(p) được xác định theo công thức:

n

0

32

trong đó p là biến toán tử Laplace; F(p) là ảnh và f(Œ) là gốc

b Quan hệ giữa gốc ƒ(L) và ảnh F(p) còn có thể biểu diễn bởi

- _ Là tích phân của ham f(t);

- Latich phan chap f,(t) *f,(t)

e Biến đổi ngược của Laplace

T+ jo

f(t) = (=) JF@pe"dp =L" {F(p)} (3)

o-je

33

2.3 Ứng dụng biến đổi Laplace để giải phương trình vi phân

Ví dụ: cho mạch điện R/C như ở hình 2.I

h ; _ du,

Thay các biến đổi Laplace của u,(t), của " và của u,(L) vào công thức:

d 0,(0=T[ ST ]+u,(0

ta được:

Tpu;(p) +u;(p) =u,(p)

1 Suy ra: u,(p)=u, (p) ——-

Ma trận A' được gọi là ma trận đối xứng của ma trận A nếu A là

ma trận vuông và các phần tử tương ứng a¡ = 4”; (với i, j = 1,2, 3, n)

Baty ile at ale

của ma trận đều được nhân với đại lượng vô hướng đó ~

Phụ thuộc như sau:

của ma trận tích sẽ là tích của một phần tử trên ma trận đường chếo nhân với các phần tử trên cột tương ứng của ma trận A:

của ma trận tích sẽ là tích của một phần tử trên ma trận đường chéo nhân với các phần tử trên hàng tương ứng của ma trận Â:

AD= dụ 9 ân Ay | _ andy Andy,

0 0 1

- — Ma trận hàng là ma trận chỉ có các phần tử nằm trên một hàng, nghĩa là:

TrA= Ya,

k=!

2.4.12 Định thức của ma trận vuông (Determinant)

det (A) = lIAll = a,;.a;; - 8;,.3¡;

Ay, An 2.5 Phương trình trạng thái, không gian trang thai

2.5.1 Dạng tổng quát của phương trình trạng thái

Cho mạch điện như ở hình 2.2

u, = x, là biến trạng thái thứ nhất;

¡ = x; là biến trạng thái thứ hai

Ta có: