thuyết minh đồ án dẫn động bàn máy cnc

Full tài liệu, đề, bản thuyết minh, bản in A0 bảo vệ, có file mô phỏng soliwork và matlab của đồ án thiết kế dẫn động bàn máy CNC. MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 2 1.1 Tổng quan về máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC) 2 1.1.1 Giới thiệu chung về máy công cụ CNC 2 1.1.2 Đặc trưng cơ bản của máy CNC 3 1.1.3 Mô hình khái quát máy CNC 4 1.1.4 Các phương pháp điều khiển 6 1.2 Giới thiệu về máy phay điều khiển số cnc (Computeriered Numberical Control) 7 1.2.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC 8 1.2.2 Các cơ cấu đặc trưng của máy phay điều khiển số 9 CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÀN MÁY PHAY 13 2.1 Số liệu cho trước 13 2.2 Kết quả tính toán 14 CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID 15 3.1 Phương pháp tính toán và giải thuật các hàm nội suy 15 3.2 Bộ điều khiển động cơ bàn máy x, y theo PID 18 3.2.1 Bàn X 18 3.2.2 BÀN Y 28 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC 33 4.1 Tìm hiểu khối công cụ Simmechanics trong Matlab 33 4.2 Giới thiệu về Simulink trong Matlab 36 4.3 Mô phỏng bàn máy chạy theo quỹ đạo mong muốn 38 4.3.1 Gia công thẳng: 38 4.3.2 Điều khiển tròn: 51 PHỤ LỤC 57

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa – hiện đại hóa, phát triển khoa học kĩ thuật là vấn đề quan trọng và cần sự quan tâm lớn Mỗi ngành như cơ khí, điện tử, tin học đều có nền tảng khoa học vững chắc và tạo ra các sản phẩm đặc trưng riêng Tuy

nhiên, yêu cầu của thời đại đặt ra yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máy móc, yêu cầu máy móc cần phải gọn nhẹ hơn, linh động hơn, uyển chuyển hơn và thông minh hơn Việc sử dụng máy móc để thay thế sức lao động của con người là một xu hướng tất yếu để tăng năng suất lao động, tạo ra nhiều sản phẩm chất lượng cao

Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp.Sự xuất hiện củamáy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi quá trình sản xuất công nghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng được dễ dàng thực hiện và một lượng lớn các thao tác của con người được giảm

thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất tạo nên sự chính xác và chấtlượng ngày càng cao Máy CNC phổ biến hiện nay như: máy tiện CNC, máy phay CNC, máy cắt laze, máy cắt dây CNC, Sự tiến bộ của kĩ thuật, trí thông minh nhân tạo, điều khiển số tạo ra những máy CNC có nhiều trục chính như 3, 6 trục chính

chuyển động ngày càng linh hoạt và khéo léo Bản đồ án này sẽ trình bày chủ yếu về máy phay CNC có 3 trục chính

Với đề tài được giao: “Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy cho máy phay

CNC”, mặc dù lần đầu tiên tiếp xúc với đề tài này nhưng em nhận thấy đây là một đềtài hay và rất thực tế Quá trình làm và hoàn thành đề tài này đã giúp em tổng hợp được những kiến thức đã học cũng như những kiến thức thực tế liên quan đến công việc của em sau này khi đi làm

Đồ án này là sự tiếp nối của đồ án “thiết kế cơ khí”, và tập trung lớn vào việc điều khiển Vì vậy, phần tính toán cơ khí chỉ trình bày những cái cốt lõi nhất và cần thiết nhất cho việc điều khiển

Lời cuối cùng em xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn TS Đặng Thái Việt đãchỉ bảo và giúp đỡ tận tình để em hoàn thành bản thuyết minh đồ án này

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Tổng quan về máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy CNC)1.1.1 Giới thiệu chung về máy công cụ CNC

Ở các máy cắt thông thường, việc điều khiển các chuyển động cũng như thay đổi vận tốc của các bộ phận máy đều phải thực hiện bằng tay, thời gian phụ thường khá lớn Do đó không thể nâng cao năng suất lao động Để giảm thời gian phụ, cần thiết tiến hành tự động hóa quá trình điều khiển Trong sản xuất hàng loạt và hàng khối từ lâu người ta đã áp dụng phương pháp gia công tự động với việc tự động hóa quá

trình điều khiển bằng các vấu tỳ, bằng mẫu chép hình, bằng cam trên trục phân

phối…Đặc điểm của các loại máy này là rút ngắn được thời gian phụ , nhưng thời gian chuẩn bị sản xuất khá dài, chỉ phù hợp với sản xuất khối lượng lớn, không phù hợp với sản xuất lượng nhỏ và mặt hàng thay đổi thường xuyên Yêu cầu tìm ra một phương pháp điều khiển mới được đặt ra

Với sự ra đời của phương pháp điều khiển theo chương trình số đã giải quyết được vấn đề này Đặc điểm quan trọng của việc tự động hóa quá trình gia công trên các máy công cụ điều khiển bằng chương trình số (máy NC và máy CNC) là đảm bảo cho máy có tính vạn năng cao Điều đó cho phép gia công nhều loại chi tiết, phù hợp với sản xuất loạt nhỏ và loạt vừa (chế tạo trên 70% sản phẩm của ngành chế tạo

máy)

Các máy công cụ điều khiển bằng chương trình số – máy NC (numerical control)

là máy được tự động điều khiển toàn bộ hoạt động hay một vài hoạt động, trong đó các hành động điều khiển được sản sinh trên cơ sở cung cấp dữ liệu dạng lệnh Các lệnh này hợp thành chương trình làm việc, các lệnh này được ghi lên một cơ cấu

mang chương trình ( băng đột lỗ, băng từ hoặc bộ nhớ máy tính….) Các thế hệ đầu, máy NC sử dụng các cáp logic hệ thống, Phương pháp điều khiển theo điểm hoặc đoạn thẳng, vì vậy mà cũng chỉ gia công được các chi tiết đơn giản như lỗ hay các đường thẳng song song với các chuyển đông mà máy có Các thế hệ sau, với sự phát triển của khoa học – kỹ thuật và công nghệ máy tính, công nghệ phần mềm , các máy

NC đã được cài đặt các cụm vi tính , các bộ vi xử lý và việc điều khiển lúc này là phần lớn hay hoàn toàn Phương pháp điều khiển theo đường biên, tức là có mối qua

hệ hàm số giữa các chuyển động theo các hướng tọa độ Các máy NC này được gọi

Hiện nay các máy này đã được sử dụng phổ biến trong quá trình sản xuất, đặc biệt

là ở các nước có nền công nghiệp phát triển

1.1.2 Đặc trưng cơ bản của máy CNC

- Tính năng tự động cao : máy CNC có năng suất cắt gọt cao và giảm được tối

đa thời gian phụ, do mức độ tự động được nâng lên vượt bậc Tùy từng mức

độ tự động, máy CNC có thể thực hiện cùng lúc nhiều chuyển động khácnhau, có thể tự động thay dao, hiệu chỉnh sai số dụng cụ, tự động kiểm trakích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệc vị trí tương đối giữađối tượng và chi tiết…

- Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của máy có thể thay đổi dễ dàng,nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn thờigian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuấthàng loạt nhỏ Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết

có chương trình, do đó không cần sản xuất các chi tiết dự trữ mà chỉ cần lưutrữ chương trình của chi tiết đó Máy CNC có thể gia công được các chi tiếtnhỏ và vừa, có khả năng đáp ứng khi công nghệ thay đổi, và đặc biệt việc lậptrình gia công cho máy không nhất thiết phải thực hiện trên máy mà có thểthực hiện trên các máy tính

- Tính tập trung nguyên công cao: Đa số máy CNC có thể thực hiện phần lớncác nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt chi tiết, vì thếcác máy CNC có phát triển và phối hợp với nhau thành các trung tâm gia côngCNC

- Tính chính xác và đảm bảo chất lượng chi tiết cao: giảm được hư hỏng sai sótcủa con người, có khả năng gia công hàng loạt với độ chính xác cao và lặp lại,đây là đặc điểm ưu việt của máy CNC

- Gia công các biên dạng phức tạp : Máy CNC có khả năng gia công nhanh vàchính xác cả những biên dạng phức tạp mà các máy công cụ thông thườngkhông thể gia công được, ví dụ như là các bề mặt 3 chiều

- Tính hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao: có chế độ cắt được lựa chọn tối ưu cũngnhư là các điều kiện của quá trình gia công như bôi trơn và làm mát… đượctốt hơn hẳn so với quá trình gia công trên máy thông thường nên tuổi thọ củadao tăng lên, tiết kiệm dụng cụ cắt, đồ gá, các phụ tùng các Giảm lượng phế

phẩm và tiết kiệm người công, đồng thời giảm thời gian sản xuất, tăng thờigian sử dụng của máy….

- Bên cạnh các ưu điểm trên, các máy CNC cũng có những hạn chế nhất định như chi phí ban đầu cho cho việc mua máy và lắp đặt rất lớn Hệ thống cơ khí và hệ thống điện cũng như các hệ thống các trên máy rất phức tạp, do đó quá trình bảo dưỡng khó khăn và tốn kém Và sử dụng máy CNC để gia công các chi tiết đơn giản làm hiệu quả kinh tế thấp

1.1.3 Mô hình khái quát máy CNC

Máy gồm 2 phần chính: phần điều khiển và phần chấp hành:

A Phần điều khiển

a Các cụm điều khiển chính trên máy CNC

- Cụm điều khiển máy MCU (Machine Control Unit): Cụm điều khiển được hìnhthành trên cơ sở thiết bị điều khiển điện tử, thiết bị vào ra và các thiết bị số Nóđược coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số CNC Lệnh CNC thực hiện bêntrong bộ điều khiển sẽ thông báo cho mô tơ chuyển động quay đúng số vòng cầnthiết → trục vít me bi quay đúng số vòng quay tương ứng → kéo theo chuyển độngthẳng của bàn máy và dao Thiết bị phản hồi ở đầu kia của vit me bi cho phép kiểmsoát kết thúc lệnh đúng khi số vòng quay cần thiết được thực hiện

- Cụm dẫn động (Driving Unit): Cụm dẫn động là tập hợp những động cơ, sensor phảnhồi, phần tử điều khiển, khuếch đại và các hệ dẫn động Trong đó, động cơ và cácsensor phản hồi là thành phần đặc trưng cho máy công cụ điều khiển số CNC

b.Các loại động cơ trên máy CNC để chạy

dao:

• Động cơ một chiều:

- Ưu điểm: Momen khởi động lớn, dễ điều khiên tốc độ và chiều, giá thành rẻ

- Nhược điểm: Dải tốc độ điều khiển hẹp, phải có mạch nguồn

riêng

• Động cơ xoay chiều:

- Ưu điểm: Cấp nguồn trực tiếp từ điện lưới xoay chiều, đa dạng và phong phú

về chủng loại, giá thành rẻ

- Nhược điểm: Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành

Động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín

Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bất kỳ lí do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt

được điểm chính xác Loại động cơ này có một số đặc điểm chung như sau:

- Thân máy: Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, động cơ của trục chính và rất nhiều hệ thống khác.

- Đế máy: Để đỡ toàn bộ máy tạo sự ổn định và cân bằng cho máy

- Bàn máy: Là nơi để gá đặt chi tiết gia công hay đồ gá Nhờ có sự chuyển động linh hoạt và chính xác của bàn máy mà khả năng gia công của máy CNC được tăng lên rất cao, có khả năng gia công được những chi tiết có biên dạng phức tạp

- Cụm trục chính: Là nơi lắp dụng cụ, chuyển động quay của trục chính sẽ sinh ra lực cắt để cắt gọt phôi trong quá trình gia công

- Băng dẫn hướng: Hệ thống thanh trượt dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng cho các

chuyển động của bàn máy theo X, Y và chuyển động theo trục Z của trục chính

- Trục vít me, đai ốc: Biến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của bàn máy

- Ổ tích dụng cụ: Dùng để tích chứa nhiều dao phục vụ cho quá trình gia công Nhờ có ổtích dao mà máy CNC có thể thực hiện được nhiều nguyên công cắt gọt khác nhau liên tiếp với nhiều loại dao cắt khác nhau

1.1.4 Các phương pháp điều khiển

Một số phương pháp điều khiển máy CNC hiện nay là:

- Điều khiển điểm (điều khiển vị trí) : được dùng để gia công lỗ bằng các

phương pháp như khoan, khoét, doa…

- Điều khiển đường : dùng trong các máy để gia công các chi tiết mà dụng cụ căt thự hiện lượng chay dao song song với 1 trục tọa độ của máy, thường áp dụng trên các máy phay, máy điện đơn giản

- Điều khiển theo đường viền: cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trụ 1

lúc, để có thể gia công các chi tiết có biên dạng phúc tạp

a Điều khiển điểm b Điều khiển đoạn

C Điều khiển đường

Hình 1.2 Hình ảnh minh họa các phương pháp điều khiển

1.2 Giới thiệu về máy phay điều khiển số cnc (Computeriered Numberical Control)

Máy phay điều khiển số CNC hiện đang được sử dụng khá phổ biến trong các phânxưởng cơ khí chế tạo khuôn mẫu ở nước ta Các máy phay CNC được sử dụng đều được nhập khẩu từ nước ngoài, do đó chủng loại và kiểu máy rất khác rất khác nhau tùy thuộc vào hãng sản xuất Để mở rộng khả năng công nghệ thì trong thực tế hiện nay người ta thương kết hợp máy phay CNC với mấy khoan để tạo thành trung tâm gia công CNC Các trung tâm gia công thường có 3 trục chuyển động của dao, để tăng khả năng gia công của máy đối với các biên dạng chi tiết phức tạp, máy có thể

có 5 trục chuyển động chay dao và trang bị bàn máy quay

1.2.1 Sơ đồ kết cấu động học của máy phay CNC

Hình 1.3 Kết cấu động học của máy phay đứng CNC

Hình 1.3 là kết cấu động học của máy phay đứng CNC, bao gồm ác bộ phận cơ bản sau: Cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiểnCNC

Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt Trục chínhđược dẫn động bởi một động cơ servo trục chính (trục Z) điều khiển được , được

điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC, có khả năng cho ra tốc độ quay bất

kì trong giới hạn thiết kế của máy Hệ thống truyền động và cụm trục chính được tíchhợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phụ vụ cho việc thay đổi rốc độ quay trong thời gian ngắn nhất Tốc độ quay của trục chính luôn được các cảm biến đo và phản hồi

về bộ điều khiển CNC Trên trục chính có lắp đặt hệ thống gá kẹp dụng cụ tự động bằng khí nén hoặc thủy lực nhằm tự động hóa hoàn toàn quá trình thay dao Chuyển động theo trục Z của máy do cụm trục chính thực hiện, dẫn động nhờ một động cơ servo trục Z thông qua bộ truyền vít me đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh bởi

bộ điều khiển CNC kín, có phản hồi

Hệ thống thay dao của máy phay CNC được tự động hóa hoàn toàn , thông thường nó là các ổ chứa kết hợp với kẹp dụng cụ kép Vị trí thay dao của cụm trục chính là vị trí được xác định bởi nhà sản xuất nhằm không xảy ra hiện tượng va đập với các chi tiết và các bộ phận khác của máy trong quá trình thay dao Hiện nay, các nhà sản xuất trung tâm gia công cơ khí CNC còn đưa ra một hệ thống thay dao đơn giản hơn đó là ổ chứa dao tự hành, vừa có chức năng chứa dao, vừa có chức năng thay dao tự động.

Bàn máy của máy phay CNC thông thường có hai khả năng chuyển động theo 2trục X và Y , được dẫn động nhờ các động cơ servo, thông qua bộ truyền động vitme

bi, được điều khiển và điều chỉnh tốc độ bởi bộ điều khiển CNC kín có phản hồi

Bộ điều khiển CNC của máy phay có nhiệm vụ biên dịch chương trình điều khiển số được nạp vào bộ điều khiển , tiến hành xử lý thông tin và phát lệnh điều khiển các cơcấu chấp hành Các lệnh điều khiển được phân nhánh thành 2 lệnh hệ cơ bản đó là :

hệ lệnh đường đi và hệ lệnh đóng ngắt nhằm điều khiển quá trình thình thành hình dáng hình học của chi tiết

1.2.2 Các cơ cấu đặc trưng của máy phay điều khiển số

A Hệ thống kẹp và tháo dụng cụ tự động của máy phay CNC

Hệ thống kẹp và tháo dụng cụ của máy phay CNC được tích hợp trên trục chínhvới nguồn năng lượng tháo dụng cụ là khí nén và khép chặt bằng hệ thống lò xo đĩa.Trình tự tháo lỏng dụng cụ được thực hiện như sau: khí nén đi vào phía trên xylanh đẩy piston chuyển động đi xuống , thông qua trục kẹp ép lò xo đĩa làm mỏ kẹp mở ra

và đẩy dụng cụ ra khỏi trục chính , đồng thời khí nén được thổi qua tâm trục kẹp làm sạch bề mặt gá kẹp

Trình tự kẹp chặt dụng cụ được thực hiện như sau: dụng cụ được cài đặt đúng vịtrí trong trục chính, khí nén được đưa vào phía dưới của xylanh đẩy piston đi lên, hệ thống lò xo đĩa đẩy trục kẹp đi lên, kéo hệ thống mỏ kẹp chuyển động đi theo lên trên, khi nó gặp gờ chặn thì các mỏ kẹp kẹp chặt đuôi của dụng cụ kéo lên phía trên

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống kẹp và tháo dụng cụ tự động

B Hệ thống đường dẫn hướng trong máy phay CNC

Hệ thống dẫn hướng có nhiệm vụ dẫn hướng chuyển động cho các bàn máy theo các trục X,Y và chuyển động lên xuống theo trục Z

Gồm 2 dạng dẫn hướng:dẫn hướng bi và dẫn hướng ma sát trượt

Yêu cầu: hệ thống thanh trượt phải thẳng,có khả năng tải cao,độ cứng vững,trơn khi trượt,không có hiện tượng dính

C Hệ thống thay dao tự động của máy phay CNC

Trong các máy phay điều khiển số và các trung tâm gia công có khí hiện nay thì

hệ thống thay dao có hai dạng cơ bản là : ổ chứa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép

và ổ chứa dao tự hành

Dạng thứ nhất: Hệ thống thay dao có ổ chứ dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép, khi chương trình điều khiển số NC gọi một dụng cụ mới thì bộ điều khiển CNC điều khiển ổ chứa dao quay, đưa dụng cụ được gọi vào vị trí sẵn sàng thay dao đồng thời

điều khiển cụm trục chính chuyển động lùi về vị trí thay dao, tay kẹp dụng cụ quay 90o đồng thời kẹp cả hai dụng cụ trên trục chính và trên ổ chứa dao, quá trình tháo 2dao thực hiện bởi sự phối hợp của hệ thống tháo lỏng dụng cụ khi tay kẹp đi xuống,

sau đó tay kẹp quay 180o đổi vị trí hai dụng cụ, rồi chuyển động đi lên đưa 2 dụng cụvào ổ trục chính và ổ chứa dao

Hình 1.5 Các loại ổ chứa dao

Dạng thứ hai: ổ chứa dao tự hành, khi chương trình điều khiển số gọi một dụng

cụ thì bộ điều khiển CNC điều khiển cụm trục chính chuyển động về mặt phẳng thay dao, đồng thời ở chứa dao chuyển động tịnh tiến hướng vào cụm trục chính kẹp dụng

cụ cần được thay trên trục chính Hệ thống kẹp dụng cụ trong trục chính được điều khiển tháo lỏng, trục chính chuyển động đi lên tháo hoàn toàn dụng cụ khỏi cụm trụcchính Ổ chứa dao quay, đưa dụng cụ được gọi bởi chương trình NC vào vị trí thay dao nằm dưới trục chính, khi đó trục chính chuyển động đi xuống kẹp chặt dụng cụ

và ổ chứa dao tịnh tiến lùi về vị trí ban đầu

D Hệ thống gá kẹp chi tiết gia công

Trên máy phay điều khiển só thông thường sử dụng các thiết bị kẹp như :

- Thiết bị kẹp cơ khí (gồm đòn kẹp, gối đỡ, bulông kẹp đầu chữ T)

- Êtô : êtô kẹp bằng tay và êtô thủy lực có lực kẹp điều chỉnh được (có tự định tâm hoặc không tự định tâm)

- Bàn Quay có 2 vị trí gá kẹp

- Gá kẹp modun

Trên các trung tâm gia công hiện đại kết hợp việc sử dụng rôbốt để tự động hóa các quá trình gá đặt, kẹp chặt cũng như tháo chi tiết sau khi gia công.Điểm không của máy phay điều khiển số M thường được các nhà sản xuất đặt trước thông thường

là điểm phía trên, bên trái, khí trước của gá kẹp và là điểm cố định Điểm không của chi tiết W thì do người dùng quy định , ưu tiên điểm phía trên, bên trái , mặt trước của chi tiết

KẾT LUẬN

Các thông số làm việc:

- Loại máy: Máy phay CNC

- Khối lượng lớn nhất của chi tiết: M= 500 kg

- Vận tốc chạy lớn nhất khi chạy không: V1 = 18

m/phút

- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công: V2 = 12

m/phút

- Thời gian hoạt động: 05-07 năm

Đồ án này trình bày về quá trình thiết kế hệ thống dẫn động cho máy CNC dưới dạng

di chuyển của 3 trục nên bao gồm những công việc như: tính toán chọn vít me, cụm ổ

đỡ, ray dẫn hướng, động cơ, xây dựng mô hình tính toán, khảo sát đặc tính khi điều khiển chuyển động bàn máy và mô phỏng hoạt động của hệ thống khi gia công

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÀN MÁY PHAY

2.1 Số liệu cho trước

- Loại máy CNC : Máy phay

- Khối lượng lớn nhất của chi tiết gia công : Pmax =500kG

- Lực cắt lớn nhất theo phương X là: P xmax =1012kG

- Lực cắt lớn nhất theo phương Y là: Py max =1012kG

- Lực cắt lớn nhất theo phương Z là: Pz max =2025kG

- Khối lượng bàn máy X: G xmax =140k G

200

- Hành trình theo phương X lớn nhất: Lx max =1000mm

- Hành trình theo phương X lớn nhất: Ly max =700m m

- Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V ck =18 /m ph=0,3 /m s

- Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực : V c =12 /m ph=0,2 /m s

- Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống :

- Thời gian hoạt động : 05 đến 07 năm Tương đương 20000 h làm việc

- Cho trước các kết cấu của các cụm bàn máy X, Y để gắn vitme bi và ray dẫn

hướng: http://www.mediafire.com/?bwfr2l5xel69kj5

- Cho trước tài liệu hướng dẫn của hãng sản xuất vitme PMI và ray dẫn hướng PMI

- Cho trước tài liệu của các hãng sản xuất động cơ ANILAM

Hình 2.1.Sơ đồ động học bàn máy X, Y

2 Vít me bi trục Y 50 –

10B3-FDWC

PMI

Loại 3 dãy, bilưu chuyểnngoài

Động cơ servo(M=21.6N.m)

Bảng kết quả tính chọn chi tiết cơ khí bàn phay CNC

CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU

KHIỂN PID 3.1 Phương pháp tính toán và giải thuật các hàm nội suy

3.1.1 Phương pháp nội suy

Trên máy công cụ điều khiển theo chương trình số, đường tác dụng giữa dụng

cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục Để sản

sinh một biên dạng gia công, giữa các chuyển động trên từng tọa độ riêng rẻ phải có một quan hệ hàm số (tuyến tính hoặc phi tuyến)

Các điểm tựa phải nằm dày đặc đến mức sao cho biên dạng gia công tạo ra đủ chính xác (không có điểm nào nằm ngoài dung sai cho phép)

Giá trị tọa độ vị trí các điểm trung gian được tìm ra trong một cụm chức năng của điều khiển số gọi là bộ nội suy

- Nhiệm vụ bộ nội suy:

+ Tìm ra vị trí các điểm trung gian cho phép hình thành biên dạng cho trước trong giới hạn dung sai xác định

+ Tốc độ đưa ra vị trí các điểm trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao

+ Đi tới chính xác các điểm kết thúc chương trình

- Để xác định giá trị cần về vị trí trên các trục riêng lẻ, người ta ứng dụng các phương pháp nội suy khác nhau Nếu phân loại theo thuật toán sử dụng, ta có thể phân bố nộisuy theo 2 nhóm:

+ Nhóm 1: Các thiết bị làm việc theo nguyên tắc hàm đánh giá và bộ phận tích vi phân số

+ Nhóm 2: Các thiết bị làm việc theo nguyên tắc tích phân số

- Nếu phân loại theo phương pháp thực hiện, có 2 loại:

+ Sử dụng mạch cứng

+ Sử dụng chương trình

Về mặt kĩ thuật, việc nội suy có thể được thực hiện bằng các thiết bị làm việc theo kiểu số hoặc kiểu tương tự Bộ nội suy theo kiểu tương tự đơn giản nhưng độ chính xác hạn chế

- Trên thực tế người ta dùng các bộ nội suy làm việc theo nguyên tắc số

Việc tính toán nội suy các hàm số ở dạng số thực hiện theo ba phương

pháp:

+ Tính toán các hàm số trực tiếp từ đường cong dạng hàm toán học f x y z( , , )

+ Tính toán các thông số của đường cong là thời gian thực

+ Chuyển các phương trình riêng của hệ sang phương trình vi phân để tính toán

bằng số sẽ tìm ra các giá trị chạy dao thông qua tổng các vi phân Phương pháp này gọi là phương pháp tích phân số DDA (Digital Differential Analyse)

Phương pháp nội suy đường thẳng :

- Khái niệm: Đầu khoan được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗiđoạn thẳng

- Thực hiện: Nội suy đường thẳng theo 2 hay 3 trục rất thông dụng

- Các thông số yêu cầu: tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối, tốc độ di chuyển trên mỗi trục

- Khả năng: Về lý thuyết, nội suy đường thẳng có thể lập trình quỹ đạo cong bất kì,

nhưng lượng dữ liệu cần xử lí rất lớn Sử dụng nội suy cung tròn, parabol, đường xoắn làm giảm đáng kể lượng dữ liệu cần lập trình

Hình 3.1 Các dạng nội suy

Ví dụ: Nội suy từ điểm A đến điểm E

Sử dụng phương pháp “ Phân tích vi phân số” DDA ( Digital Differenttial Analyse)Xét một dao cần chuyển động từ: A

P

(điểm khởi xuất) đến E

P

(điểm kết thúc) theo một đường thẳng với một tốc độ chạy dao u xác định (hình vẽ)

Hình 3.2 Ví dụ nội suy đường thẳng

Gọi L: đoạn đường từ A đến E

Vậy trong thời gian

L T u

= (u: vận tốc ) các đoạn đường thành phần ( xE− xA)

và

(yE− yA)

phải được thực hiện

Tọa độ vị trí các điểm trung gian được tính theo hàm thời gian:

–)

=V

đủ nhỏ, phép tích phân cho phépthay bởi phép cộng số:

3.2 Bộ điều khiển động cơ bàn máy x, y theo PID

3.2.1 Bàn X

a) Xây dựng mô hình, hàm truyền của hệ thống

Hình 3.3 Mô hình bàn máy công cụ

Hình 3.4 Mô hình hóa hệ bàn máy

M x t +C x t +Kx=∑F

Trong đó :

M: khối lượng phôi và bàn X

Chọn kiểu nối trục SINGLE FLEXING COUPLING với kích thước đường kính

phụ thuộc vào phương pháp lắp đặt

A: Diện tích mặt cắt ngang của vít me

2

4

r d

c) Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s)

- Kiểm tra sự ổn định của hệ hở

( ) 290 ( ) 640 8177,84 1,82 10

B s

Phương trình đặc trưng:

- Kiểm tra sự ổn định của hệ kín

+ Dùng tiêu chuẩn Nyquist

>> num=290;

>> den=[640 8177.84 182000];

>> G=tf(num,den);

>> roots(den)ans =

-6.3889 +15.6063i-6.3889 -15.6063i

>> roots(den)ans =

-6.3889 +15.6063i-6.3889 -15.6063i

>> nyquist(G)

>>bode(G)

Hình 3.6 Đồ thị Bode của hệ

Nhận xét: Đường pha ở trên đường -180onên hệ kín ổn định

- Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thường:

-6.3889 +15.6063i-6.3889 -15.6063i

>> nyquist(G)

>>bode(G)

>>step(G)

Hình 3.7 Đáp ứng bước nhảy của hệ

Nhận xét: với độ vọt lố (overshoot) lên đến 27,6% Điều này là không thể chấp nhận được với hệ thống khi mà yêu cầu đặt ra độ quá điều chỉnh nằm trong khoảng 2,5% Hơn nữa, ở đây chúng ta cho hệ kích thích bằng tín hiệu 1(t) nhưng hệ không bám lấy đầu vào

+ Đáp ứng xung Dirac (hàm trọng lượng)

>> num=290;

>> den=[640 8177.84 182000];

>> G=tf(num,den);

>> impulse(G)

d) Thiết kế bộ điều khiển PID

- Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID

Bộ PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về 0 sao cho quá trình quá độ thỏa

mãn các yêu cầu cơ bản về chất lượng:

+Nếu sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua khâu khuếch đại (P), tín hiệu u(t) càng lớn.

+Nếu sai lệch e(t) chưa bằng 0 thì thông qua khâu tích phân (I), PID vẫn còn tạo tín hiệu

Hình 3.9 Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID

- Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân:

Hình 3.10 Vai trò của khâu tỉ lệ trong bộ điều khiển PID

*Khâu tích phân:

Phân phối của khâu tích phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận với cả biên độ

sai số lẫn quảng thời gian xảy ra sai số Tổng sai số tức thời theo thời gian (tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được hiệu chỉnh trước đó Tích lũy sai số sau đó được nhân với độ lợi tích phân và cộng với tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển Biên

độ phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác động điều chỉnh được xác định bởi

Khâu vi phân làm chậm tốc độ thay đổi của đầu ra bộ điều khiển và đặc tính

này là đang chú ý nhất để đạt tới điểm đặt của bộ điều khiển Từ đó, điều khiển vi phân được sử dụng để làm giảm biên độ vọt lố được tạo ra bởi thành phần tích

phân và tăng cường độ ổn định của bộ điều khiển hỗn hợp Tuy nhiên, phép vi

phân của một tín hiệu sẽ khuếch đại nhiễu và do đó khâu này sẽ nhạy hơn đối với nhiễu trong sai số, và có thể khiến quá trình trở nên không ổn định nếu nhiễu và độlợi vi phân đủ lớn

Th ôn g số

Ri se Ti m e

Ov er Sh oo t

Se t Ti m e

S a i s ố ổ n

đ ị n h

Đ ộ

ổ n

đ ị n h

p

ảm

Tăng

Thayđổi

Giảm

Giảm

cấp

i

ảm

Tăng

Tăng

Giảmđ

Giảmc

ấp

d K

Giảmít

Giảmít

Giảm

Khôngtácđộng

Cải

thiện

nếu

dK

nhỏ

Hình 3.13.Tác động của việc tăng một thông số độc lập

- Thiết kế PID controller theo phương pháp thực nghiệm (phương pháp

Ziegler- Nichols thứ nhất)

Phương pháp Ziegler-Nichols thứ nhất sử dụng mô hình xấp xỉ quán tính bậc nhất có trễ của đối tượng điều khiển

( )1

(1)Phương pháp thực nghiệm có nhiệm vụ xác định các tham số p

K

, K i

, K d

cho bộ điều khiển PID trên cơ sở xấp xỉ hàm truyền đạt G(s) về dạng (1), để hệ kín nhanhchóng trở về chế độ xác lập và độ quá điều chỉnh ∆h

không vượt quá một giới hạn

cho phép, khoảng 40% so với

L là khoảng thời gian đầu ra h(t) chưa có phản ứng ngay với kích thích l(t) tại đầu

vào K là giá trị giới hạn

Sau khi đã tính được các thông số trên, bộ điều khiển PID có dạng:

Hình 3.15 Bộ điều khiển PID cho bàn X

Thông số ban đầu:

Sau khi có bộ điều khiển PID thì thời gian đáp ứng của hệ giảm xuống, độ quá điều chỉnh (2,36%) nằm trong khoảng 2,5%, cơ hệ bám tốt tín hiệu đầu vào.

f = 0,1, bước vít me l = 10 mm, chiều dài vít me L = 969 mm

Tính toán tương tự ta nhận được bảng độ cứng của các thành phần cần thiết như sau:

b) Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s)

Kiểm tra sự ổn định của hệ hở

( ) 290 ( ) 840 9484, 04 1,82 10