Tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC

Đối với máy phay CNC: các bộ biến đổi, truyền động bàn máy, bộ điềukhiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượngđiều khiển đạt độ chính xác, chất lượng

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp TháiNguyên.

Cán bộ HDKH: PGS.TS Võ Quang Lạp

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Công

Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Phùng Quang

Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng caohọc số 03, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Vào 08 giờ 30 phút ngày 06 tháng 11 năm 2010

Có thể tìm hiểu luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Máy phay CNC được sử dụng rộng rãi trong các xí nghiệp công nghiệp →

Ưu điểm: khả năng linh hoạt hóa sản xuất

Đối với máy phay CNC: các bộ biến đổi, truyền động bàn máy, bộ điềukhiển và đặc biệt là phương pháp điều khiển có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượngđiều khiển đạt độ chính xác, chất lượng bám vị trí của hệ

Đề tài: “Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC”.

Luận văn này được chia thành 4 chương sau:

Chương 1: Tổng quan về máy phay CNC.

Chương 2: Phân tích và chọn phương án truyền động bàn máy phay CNC Chương 3: Tổng hợp hệ thống điều khiển vector biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha.

Chương 4: Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ điều khiển PID kết hợp mờ

Kết luận và kiến nghị.

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS.TS Võ Quang Lạp đã hướng

dẫn tận tình, chỉ bảo cặn kẽ để tôi hoàn thành luận văn này Xin gửi lời cảm ơn tớitất cả các thầy các cô Khoa sau đại học, Khoa điện và các bạn đồng nghiệp

Thái nguyên, ngày 06 tháng 11 năm 2010

Tác giả luận văn

Phan Khải

+X

-X +Y -Y

+Z -Z

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY PHAY CNC 1.1 Khái quát may phay CNC.

Máy phay CNC

CNC (Computer Numberical Control)

MCU (Machine Control Unit): Cụm điều khiển máy

Máy phay CNC là máy công cụ được điều khiển theo chương trình số, trong

đó hệ thống điều khiển có sử dụng máy tính, đảm nhiệm các chức năng cơ bản củachương trình điều khiển số như: tính toán tọa độ trên các trục điều khiển theo thờigian thực, giám sát các trạng thái của máy, tính toán nội suy trong điều khiển quỹđạo biến dạng…

Bàn máy phay CNC chuyển động trên ba trục tọa độ X, Y, và Z

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.

1.4 Hệ điều khiển máy phay CNC.

1.4.1 Hệ điều khiển kiểu vòng hở.

1.4.2 Hệ điều khiển kiểu vòng kín.

1.5 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC.

1.5.1 Chức năng của cụm điều khiển.

1.6.4 Các loại cảm biến có đầu ra tương tự.

1.6.5 Các loại cảm biến đầu ra là số.

1.5.6 Nguyên lý của các encoder dùng nguyên tắc quang điện.

Kết luận.

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

BÀN MÁY PHAY CNC 2.1 Hệ truyền động thuỷ lực.

2.2 Hệ truyền động dùng động cơ bước.

2.3 Hệ truyền động dùng động cơ tuyến tính.

2.4 Hệ truyền động Thyristor - động cơ (T- Đ).

2.5 Hệ truyền động dùng động cơ servo một chiều (DC servo motor) 2.6 Hệ truyền động dùng động cơ AC servo (AC servo motor)

Kết luận

CHƯƠNG 3 TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VECTOR BIẾN TẦN - ĐỘNG CƠ

KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA

Sau khi chuyển đổi trục tọa độ abc → αβ → dq Ta được sơ đồ hệ truyềnđộng điều khiển vector biến tần – động cơ không đồng bộ ba pha như hình 3.9

1d s 2 2d nm

s 2 1q m

2d 1d

.i ω T ψ L

ω T i

const.

L

ψ i

1q 2d r

.i i L ω T k

.i ψ k M

Với hai mạch vòng, để điều chỉnh i1q thì sẽ điều chỉnh được lượng vào củamạch vòng tốc độ, lượng ra của bộ điều chỉnh tốc độ là trị số điều chỉnh mômencủa động cơ Như vậy khi thay đổi lượng vào tốc độ tức là thay đổi tốc độ đặt củađộng cơ → thay đổi tần số của bộ biến tần để thay đổi tốc độ của động cơ

Hình 3.9 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển động cơ không đồng bộ bằng thiết bị

= 3~

* 1

-Hình 3.11a Sơ đồ cấu trúc đơn giản hoá của hệ thống truyền động điện sử dụng

biến tần và động cơ không đồng bộ

Qua sự phân tích trên ta thấy quá trình biến đổi từ thông y2d là không đổi,cho nên động cơ KĐB giống như động cơ 1 chiều kích từ độc lập, do đó ta chỉ cầnkhảo sát mạch thay đổi với 2 tham số momen và tần số Vì vậy ta có sơ đồ cấu trúcrút gọn như hình 3.11b

pT1pT1Rp

p1 i u

n n u

L n n

n n p1

.T 2k

.T R

k  ;

i u

n i1

.T 2k

k

1 p τ p

1 2τ

1 p

.W p W

p W p

R

F F ω

ω F

DT 0Tu ω

F ω

2k.T

T k k

1 T T Tp pτ 1p 2τ

Hàm truyền bộ điều chỉnh tốc độ Rω(p) là khâu P

3.11 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí.

Ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu modul :

k k 2T

k p

T r T

ω

T   55)

Với:

T r T

ω P

K K 2T

K

T r T

Sω ω

D T K K

T K

T p

Hình 3.19 Đáp ứng mô men bộ điều chỉnh PID.

BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID KẾT HỢP MỜ 4.1 Tính phi tuyến của bộ điều khiển vị trí.

4.2 Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong mạch vòng vị trí.

4.2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ.

4.2.2 Nguyên lý điều khiển mờ.

4.2.3 Những nguyên tắc tổng hợp bộ điều khiển mờ.

4.3 Các bộ điều khiển mờ.

4.3.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển.

4.3.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh.

4.3.3 Bộ điều khiển mờ động.

4.4 Bộ điều khiển mờ lai PID.

4.4.1 Giới thiệu chung.

4.4.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID.

4.5 Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp bộ điều khiển mờ cho truyền động bàn máy phay CNC

1 Định nghĩa các biến vào ra:

2 Định nghĩa tập mờ (giá trị ngôn ngữ) cho các biến vào ra:

ET[-10,+10] rad; DET[-10,+10] rad và U[10,+10]V

Âm nhiều - S2

Âm ít - S1

Không - Z0 Dương ít - B1 Dương nhiều - B2

Hình 4.16 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ lai PD

3 Xây dựng các luật điều khiển: Theo kinh nghiệm thiết kế, các luật điều

khiển được xây dựng theo bảng sau, tổng cộng có 25 luật điều khiển:

4.6.1 Bộ điều khiển mờ lai PD nối song song.

Hình 4.20 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối song song.

Hình 4.21 Đáp ứng vị trí bộ điều chỉnh

mờ lai PD nối song song Hình 4.22 Đáp ứng tốc độ bộ điều chỉnh mờ lai PD nối song song.

Hình 4.23 Đáp ứng mô men bộ điều chỉnh mờ lai PD nối song song.

4.6.2 Bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp.

Hình 4.24 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối nối tiếp

Hình 4.25 Đáp ứng vị trí bộ điều chỉnh

mờ lai PD nối nối tiếp.

Hình 4.26 Đáp ứng tốc độ bộ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp.

Hình 4.27 Đáp ứng mô men bộ điều chỉnh mờ lai PD nối nối tiếp.

4.7 So sánh chất lượng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD.

Hình 4.28 Sơ đồ mô phỏng so sánh chất lượng bộ điều khiển PID

và bộ điều khiển mờ lai PD

Kết quả mô phỏng với khoảng dịch chuyển 10rad

Hình 4.38 Đáp ứng vị trí với khoảng dịch chuyển 10rad.

Các chỉ tiêu chất lượng

Bộ điều khiển mờ lai

PD nối nối tiếp

Bộ điều khiển mờ lai

PD nối song song

Bộ điều khiển PID kinh điển

Thời gian quá độ 0.55 giây 0.85 giây 1.25 giây

Số lần quá điều chỉnh 0 lần 0 lần 0 lần

Sai lệch vị trí lớn nhất khi áp tải 1.2% 1.3% 2.6%

Như vậy hệ điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD có hai ưu điểmnổi bật so với hệ điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển PID kinh điển là:

Vị trí cần điều khiển đạt độ chính xác nhanh hơn

Sai lệch vị trí khi có tải (khi dụng cụ ăn sâu vào chi tiết gia công) nhỏ hơn.Ngoài ra khi sử dụng bộ điều khiển mờ lai PD, hai thông số tốc độ và mômencũng có chất lượng điều chỉnh tốt hơn so với bộ điều khiển PID kinh điển

4.8 So sánh chất lượng điều khiển bám của hệ điều chỉnh vị trí dùng bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ lai PD.

Để kiểm tra chất bám của hệ điều chỉnh bám vị trí dùng bộ điều khiển PID và

bộ điều khiển mờ lai, thay thế tín hiệu thử là hàm step 1(t) bằng tín hiệu thử dạng y

= Asin(t) với tần số  tính theo rad/s trong hai trường hợp:

- Chọn tín hiệu thử y có biên độ nhỏ (A = 0.1 rad), bởi vì khi máy CNC ởchế độ gia công tinh thì mỗi bước dịch chuyển thường rất nhỏ

- Chọn tín hiệu thử y có biên độ lớn hơn (A = 1 rad), bởi vì khi máy CNC ởchế độ gia công thô thì mỗi bước dịch chuyển thường khá lớn

1 Với tần số biến đổi không lớn hơn 1 rad/s nhiều, cả hai bộ điều khiển cũngđều đảm bảo chất lượng điều khiển bám tốt (hình 4.41 và hình 4.43)

2 Với tần số biến đổi nhanh hơn 10 rad/s, trong khi bộ điều khiển PID kinhđiển không còn duy trì được khả năng điều khiển bám tốt nữa (hình 4.42 và hính4.44) thì bộ điều khiển mờ lai PD vẫn cho phép điều khiển bám tốt Điều này thểhiện ưu điểm của bộ điều khiển mờ lai so với bộ điều khiển kinh điển trong các hệthống điều khiển bám

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:

1 Kết luận:

Trong bản luận văn đã nghiên cứu khảo sát cho một số kết quả như sau:

- Khảo sát tổng quan về máy phay CNC, hoàn thành việc thiết kế và môphỏng hệ thống điều chỉnh vị trí cho máy phay CNC sử dụng bộ điều khiển PIDkinh điển với hệ truyền động điện dùng biến tần và động cơ không đồng bộ

- Để nâng cao chất lượng của chuyển động bàn máy phay CNC, bản luận vănnghiên cứu và ứng dụng bộ điều khiển mờ lai PD Với hệ thống điều khiển này chấtlượng của chuyển động bàn máy phay CNC được nâng lên nhiều so với bộ điềukhiển PID kinh điển: Vị trí điều khiển đạt độ chính xác nhanh hơn, sai lệch vị trí khi

có tải nhỏ hơn, tốc độ và mô men có chất lượng tốt hơn, khả năng điều khiển bámtốt hơn

2 Kiến nghị:

Hoàn thiện hệ thống điều chỉnh vị trí sử dụng bộ điều khiển mờ lai và tiếnhành áp dụng trên mô hình thực nghiệm để kiểm chứng lý thuyết So sánh kết quảđạt được với hệ thống điều khiển vị trí sử dụng bộ điều khiển PID

Thiết kế và ứng dụng bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiểnPID cho hệ thống điều chỉnh vị trí Tích hợp bộ điều khiển PID, bộ điều khiển mờlai, bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID vào hệ thống điềuchỉnh vị trí cho các máy công cụ CNC