Thiết kế dẫn động bàn máy CNC

CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề cập đến việc điều khiển bằng máy tínhcác máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA274D, thường gọi là mã G.Máy CNC là một trong những công cụ hỗ trợ quá trình gia công cơ khí khá đắc lực. Khả năng công nghệ của máy giúp năng lực sản xuất của doanh nghiệp tang lên gấp nhiều lần.Máy CNC có thể dễ dàng bắt gặp ở hầu như mọi công xưởng, từ nhửng công xưởng có quy mô nhỏ và vừa đến những công xưởng sản xuất với công suất lớn.

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY PHAY CNC 5

1 Khái niệm máy phay CNC 5

1.2 Kết cấu và hệ thống dẫn dộng máy CNC 5

1.2.1 Mô hình khái quát máy CNC 5

1.2.2 Cấu tạo máy CNC 7

1.2.3 Phân loại máy CNC 9

1.3 KẾT LUẬN 10

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BÀN MÁY PHAY X, Y 11

2.1 SỐ LIỆU CHO TRƯỚC 11

2.2 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 11

3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC, ĐẶC TÍNH KHI CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC BÀN MÁY 13

3.1 Xây dựng mô hình toán học, đặc tính khi điều khiển chuyển động của bàn máy X 13

3.1.1 Thông số đầu vào: 14

3.1.2 Phương trình toán học 14

3.1.3 Tìm hàm truyền đạt G(s) bàn X 16

3.1.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 16

3.2 Thiết kế bộ điều khiển PID 22

3.3 Xây dựng mô hình toán học, đặc tính khi điều khiển chuyển động của bàn máy Y 29

3.3.1 Thông số đầu vào: 29

3.3.2 Phương trình toán học 29

3.3.3 Tìm hàm truyền đạt G(s) bàn X 31

3.3.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s) 32

3.4 Thiết kế bộ điều khiển PID 37

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƯỚC 40

.Tìm hiểu khối công cụ Simmechanics trong Matlab 40

4.2.Giới thiệu về Simulink trong Matlab 43

4.3 Mô phỏng bàn máy chạy theo quỹ đạo mong muốn 46

4.3.1.Gia công thẳng: 46

4.3.2.Điều khiển tròn 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

LỜI MỞ ĐẦU

Thế giới chúng ta trong thế kỉ 21 chứng kiến những thành tựu vượt bậc về khoa học công nghệ, kĩ thuật, y học,… Con người hướng tới một cuộc cách mạng nhằm tăng năng suất lao động, dần thay thế vai trò của con người trong sản xuất

Cơ khí, điện tử, tin học đều có nền tảng khoa học vững chắc, lịch sử phát triển lâu dài, có những sản phẩm vô cùng đa dạng Tuy nhiên, với tốc độ phát triển của thời đại, yêu cầu cao hơn về cách hoạt động của máy móc, 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.Doanh nghiệp hướng tới mục đích kinh tế cao, chi phí hạn chế tối thiểu

Cơ khí là một ngành khoa học, lĩnh vực không thể thiếu , gắn liền với quá trình phát triển con người Chúng ta đang quan tâm và dành nhiều thời gian để nghiên cứu thuật ngữ

“ máy công cụ CNC”

Máy CNC là một tiến bộ phát triển vượt bậc của nền công nghiệp.Sự xuất hiện của máy 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 chất lượng 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.Bài báo cáo này sẽ trình bày chủ yếu về máy phay CNC có 3 trục chính

Đồ án thiết kế cơ khí này, em sẽ tìm hiểu về quá trình tính toán và thiết kế hệ thống dẫn hướng máy phay CNC Nhiệm vụ chính là tính toán thiết kế và lựa chọn hệ thống vít me

bi, hệ thống ray dẫn hướng, ổ bi và động cơ điều khiển cho các trục X, Y.Kiến thức hạn hẹp và thiếu kinh nghiệm trong tìm hiểu đồ án, nhiều yếu tố khách quan tác động là những nguyên nhân khiến bản báo cáo khó tránh khỏi những thiếu xót

Lời cuối cùng em xin dành lời cảm ơn chân thành tới cô Nguyễn Thị Ngọc Huyền vì nhứng chỉ bảo và giúp đỡ tận tình Bản báo cáo đồ án này sẽ không thể hoàn thành nếu thiếu đi sự quan tâm đó

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU VÀ HỆ THỐNG DẪN ĐỘNG CỦA MÁY

PHAY CNC

1 Khái niệm máy phay CNC

CNC – viết tắt cho Computer Numerical Control (điều khiển bằng máy tính) – đề

cập đến việc điều khiển bằng máy tínhcác máy móc khác với mục đích sản xuất (có tính lập lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng kí hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi là mã G

Máy CNC là một trong những công cụ hỗ trợ quá trình gia công cơ khí khá đắc lực Khả năng công nghệ của máy giúp năng lực sản xuất của doanh nghiệp tang lên gấp nhiều lần

Máy CNC có thể dễ dàng bắt gặp ở hầu như mọi công xưởng, từ nhửng công xưởng có quy mô nhỏ và vừa đến những công xưởng sản xuất với công suất lớn

- Các cơ cấu điều khiển và gia công kim loại

- Hệ thống phối hợp của máy tính và các thiết bị khác

Kết cấu khái quát được mô tả như sơ dồ :

Kết cấu khái quát máy CNC Máy gồm 2 phần chính: phần điều khiển và phần chấp hành:

❖ Phần điều khiển: gồm chương trình điều khiển và các cơ cấu điều khiển

+ Chương trình điều khiển: là tập hợp các tín hiệu (các lệnh) để điều khiển máy,

được mã hóa dưới dạng chữ cái , chữ số và một số ký hiệu khác như dấu cộng, dấu trừ, Tập lệnh (chương trình) này được ghi lên các cơ cấu mang chương trình dưới dạng mã như băng đục lỗ hay bộ nhớ máy tính…

+ Các cơ cấu điều khiển: nhận tín hiệu từ cơ cấu đọc chương trình, thực hiện các

phép biến đổi cần thiết để có được tín hiệu phù hợp với điều kiện hoạt động của cơ cấu chấp hành, đồng thời kiểm tra sự hoạt động của các cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến…

động hóa như các cơ cấu tay máy, ổ chứa dao, bôi trơn….Cũng như các máy cắt gọt kim loại khác, đây là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt kim loại để thành chi tiêt Tùy theo khả năng công nghệ của máy mà máy có thể có: thân máy, bàn máy, trục chính, các kết cấu được thiết kế với các đặc điểm đáp ứng được yêu cầu trong quá trình điều khiển tự động của

máy, ví dụ như phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn, thân máy cứng vững, kết cấu hợp lý dễ thải phoi và bôi trơn…

1.2.2 Cấu tạo máy CNC

Sơ đồ kết cấu động học máy phay CNC

Kết cấu động học của máy phay đứng CNC bao gồm: Cụm trục chính, hệ thống thay dao, bàn máy của máy phay và bộ điều khiển CNC

❖ Cụm trục chính là nơi gá đặt các dụng cụ cắt và tạo ra tốc độ cắt gọt Trục chính được 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 tích hợp hệ thống phanh khí nén, nhằm phục vụ cho việc thay đổi tốc 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 vitme đai ốc bi, được điều khiển và điều chỉnh bởi bộ điều khiển CNC kín, có phản hồi

❖ Hệ thống thay dao của máy phayCNC 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 2 trục 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 cơ cấu 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

1.2.3 Phân loại máy CNC

- Máy tiện CNC

Máy tiện CNC

-Máy phay CNC

Máy phay CNC

1.3 KẾT LUẬN

❖ Các thông số làm việc:

+ Loại máy: Máy phay CNC

+ Khối lượng lớn nhất của chi tiết: M= 300 kg

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi chạy không: V =1 16m/phút

+ Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công: V =2 8m/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 X, Y

2.1 SỐ LIỆU CHO TRƯỚC

• Máy phay CNC

• Phay mặt đầu

• Khối lượng lớn nhất của chi tiết : 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 260𝑘𝐺

• Chiều cao lớn nhất của chi tiết : 𝐻𝑚𝑎𝑥 = 200𝑚𝑚

• Trọng lượng bàn gá : 𝐺𝑥𝑚𝑎𝑥 = 200𝑘𝐺, 𝐺𝑦𝑚𝑎𝑥 = 140𝑘𝐺

• Chiều dài bàn làm việc lớn nhất : Lxmax= 550mm, Lymax= 400mm

• Vận tốc lớn nhất khi gia công không tải : Vck= 16m/ph

• Vận tốc lớn nhất khi gia công có tải : Vc= 8m/ph

2 Vít me bi trục Y 45 –

10B2-FDWC

PMI

Loại 2 dãy, bi lưu chuyển ngoài

5 Ray dẫn hướng trục X MSA 35 LA PMI

Ray thẳng chạy bi

6 Ray dẫn hướng trục Y MSA 45A PMI

Ray thẳng chạy bi

Động cơ servo (M= 5,2 N.m)

Động cơ servo (M= 5,2 N.m)

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

3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC, ĐẶC TÍNH KHI CHUYỂN ĐỘNG CỦA CÁC BÀN MÁY

3.1 Xây dựng mô hình toán học, đặc tính khi điều khiển chuyển động của bàn máy X

Bàn máy được lắp vít me, vít me được nối với động cơ qua khớp nối Khi động cơ quay thì làm vít mẹ quay, nhờ đó bàn máy di chuyển tịnh tiến trên vít me Vậy nên, ta điều khiển bàn máy cũng chính là điều khiển động cơ

Mô hình bàn máy công cụ

Mô hình hóa hệ bàn máy

3.1.1 Thông số đầu vào:

•  ( ) t : góc quay của động cơ cần để có thể tạo ra một dịch chuyển ( ) x t

• l : bước vít me, l = 10 mm

Lực ma sát: Fms = fmg x.

Trong đó: f là hệ số ma sát

ks phụ thuộc vào phương pháp lắp đặt , kgf /mm

A: Diện tích mặt cắt ngang của vít me

2

4

r d

Từ đó ta có kết quả các độ cứng ở bảng sau:

c

205,9×104 222×106 3×109 35×107 2×105 77×107 K= 18,2.104 N/m

Ms2 + (B+μMg) s + K

460s2 + 6860s +18,2×104

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

Kiểm tra sự ổn định của hệ hở

𝐴(𝑠) =

290 460s2 + 6860s + 18,2 × 104

Nếu tất cả các nghiệm của biểu thức A(s) đều nằn phía bên trái trục ảo hay khi đó A(s) được gọi là đa thức Hurwitz Thực vậy, ta dùng lệnh roots(A(s)) được bộ nghiệm sau đây: -7.4565 +18.4405i và -7.4565 -18.4405i Vậy hệ hở là ổn định

Kiểm tra sự ổn định của hệ kín

• Dùng đồ thị Nyquist

Ta nhập trong cửa sổ Matlab:

Ta được đồ thị :

Đồ thị Nyquist

Qua đồ thị ta nhận xét rằng: điểm (-1+j0) được đánh dấu (+) trên hình

vẽ không bị đảo bởi đường đồ thị Nyquist nên hệ kín ổn định

• Dùng đồ thị Bode

Ta nhập trong cửa sổ Matlab:

Ta được đồ thị :

Đồ thị Bode

Nhận xét: Đường pha ở trên -180 o nên hệ kín ổn định

Nhận xét: với độ vọt lố (overshoot) lên đến 28% 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~ 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)

Nhập trong Matlab:

Ta được đồ thị :

Đáp ứng xung Dirac của hệ

3.2 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 điều chỉnh

- Nếu thay đổi của sai lệch e(t) càng lớn thì thông qua thành phần

vi phân (D), phản ứng thích hợp của u(t) sẽ càng nhanh

Bộ điều khiển PID được mô tả bằng mô hình vào-ra:

Điều khiển phản hồi vòng kín với bộ điều khiển PID

• Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân

➢ Khâu tỉ lệ

Giá trị càng lớn thì tốc độ đáp ứng càng nhanh, do đó sai số càng lớn,

bù khâu tỉ lệ càng lớn Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá cao, hệ thống sẽ không ổn định Ngược lại, độ lợi nhỏ là do đáp ứng đầu ra nhỏ trong khi sai số đầu vào lớn, và làm cho bộ điều khiển kém nhạy, hoặc đáp ứng chậm Nếu độ lợi của khâu tỉ lệ quá thấp, tác động điều khiển có thể sẽ quá bé khi đáp ứng với các nhiễu của hệ thống

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

Giá trị càng lớn kéo theo sai số ổn định bị khử càng nhanh Đổi lại

là độ vọt lố càng lớn: bất kỳ sai số âm nào được tích phân trong suốt đáp ứng quá độ phải được triệt tiêu tích phân bằng sai số dương trước khi tiến tới trạng thái ổn định

➢ Khâu vi phân

Vai trò của khâu vi phân trong bộ điều khiển PID

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 độ lợi

vi phân đủ lớn

Tác động của việc tăng một thông số độc lập

Bộ điều khiển PID cho bàn X

Thông số ban đầu: Kp =1, Ki =1, Kd =0

Thông số Rise Time Over Shoot Set Time Sai số ổn định Độ ổn định Thông số Rise Time Over Shoot Set Time Sai số ổn định Độ ổn định

Việc sử dụng công cụ mô phỏng số Matlab đã tích hợp sẵn công

cụ thiết kế bộ điều khiển PID Kết quả của việc thiết kế bộ PID tự động

dùng Matlab & Simulink như sau với:

Chọn bộ thông số PID tối ưu :

Kp= 9764,65

KI= 22640,57

KD= 507,44

Đáp ứng xung bước nhảy của bàn X khi thay đổi bộ điều khiển PID

3.3 Xây dựng mô hình toán học, đặc tính khi điều khiển chuyển động của bàn máy Y

3.3.1 Thông số đầu vào:

•  ( ) t : góc quay của động cơ cần để có thể tạo ra một dịch chuyển ( ) x t

• l : bước vít me, l = 10 mm

ks phụ thuộc vào phương pháp lắp đặt , kgf /mm

A: Diện tích mặt cắt ngang của vít me

2

4

r d

205,9×104 222×106 3×109 73,5×107 2×105 118,3×107 K= 18,2.104 N/m

Ms2 + (B+μMg) s + K

600s2 + 7314s +18,2×104

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

Kiểm tra sự ổn định của hệ hở

Kiểm tra sự ổn định của hệ kín

• Dùng đồ thị Nyquist

Ta nhập trong cửa sổ Matlab:

Ta được đồ thị :

Đồ thị Nyquist

Qua đồ thị ta nhận xét rằng: điểm (-1+j0) được đánh dấu (+) trên hình

vẽ không bị đảo bởi đường đồ thị Nyquist nên hệ kín ổn định