Đồ án môn học: Thiết kế chi tiết hệ thống cơ điện tử cho bàn máy CNC

Đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử cho bàn máy CNC. Tài liệu gồm phân tích, tính toán, lựa chọn thiết bị, mô hình hóa và mô phỏng hệ thống.

• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Cơ Điện Tử Cho Bàn Máy CNC
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Bàn Máy CNC

Bàn máy CNC là một trong những thành tựu quan trọng của khoa học kỹ thuật hiện đại, đóng vai trò then chốt trong tự động hóa sản xuất. Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, máy phay CNC ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực cơ khí chính xác và sản xuất hàng loạt. Hệ thống điều khiển của bàn máy CNC bao gồm ba vòng lặp độc lập: vòng hồi tiếp vị trí (ngoài cùng), vòng hồi tiếp vận tốc (giữa) và vòng lặp điều khiển dòng điện (trong cùng). Những ưu điểm nổi bật của máy CNC bao gồm nâng cao tính tự động, tập trung nguyên công, nâng cao độ chính xác và đảm bảo chất lượng gia công, cũng như nâng cao hiệu quả kinh tế. Thiết kế hệ thống cơ điện tử cho bàn máy CNC yêu cầu sự kết hợp hoàn hảo giữa các thành phần cơ khí và điện tử để đạt được hiệu suất tối ưu.

1.1. Các Hệ Thống Dẫn Động Chính

Dẫn động trục X và Y sử dụng các thành phần chuyên dụng từ các hãng hàng đầu như PMI, SKF và ANILAM. Vít me (45-10B1-FDWC cho trục X, 45-10B2-FDWC cho trục Y) chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính. Ray dẫn hướng (MSA 35 A cho trục X, MSA 30 LA cho trục Y) đảm bảo độ chính xác chuyển động. Ổ lăn (7407 BM và 7408 BM) giảm ma sát. Động cơ servo (AM 1400c) cung cấp lực điều khiển chính xác cho các trục máy.

1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống

Mạch điều khiển xử lý dữ liệu từ chương trình CAM, tính toán và phát lệnh tới động cơ. Cảm biến vị trí liên tục giám sát chuyển động thực tế, so sánh với vị trí mục tiêu. Khi phát hiện sai lệch, bộ điều khiển PID tự động điều chỉnh tín hiệu điều khiển để giảm thiểu sai số vị trí và vận tốc, đảm bảo độ chính xác gia công.

II. Các Loại Hệ Thống Điều Khiển CNC Hiện Đại

Phân loại hệ thống điều khiển dựa trên phương pháp kiểm tra vị trí, có 4 loại chính được sử dụng trong công nghiệp: điều khiển chu trình hở, nửa kín, kín và hỗn hợp. Phần lớn các máy công cụ CNC có độ chính xác cao sử dụng điều khiển chu trình đóng (closed-loop) để kiểm soát vị trí dịch chuyển dụng cụ cắt một cách chính xác. Điều khiển chu trình hở vẫn được sử dụng ở các máy CNC có độ chính xác vị trí thấp hoặc khi mômen cản nhỏ và ổn định, nhằm giảm giá thành chế tạo. Mỗi loại điều khiển có ưu và nhược điểm riêng, lựa chọn phụ thuộc vào yêu cầu chính xác, hiệu suất và ngân sách của dự án.

2.1. Điều Khiển Chu Trình Đóng Closed Loop

Hệ thống điều khiển kín sử dụng cảm biến phản hồi để liên tục giám sát vị trí thực tế. So sánh giữa vị trí lệnh và vị trí thực, sai số được gửi tới bộ điều khiển để điều chỉnh. Loại này đạt độ chính xác cao nhất, phù hợp với các máy gia công chính xác cao, nhưng chi phí cao hơn do yêu cầu cảm biến chất lượng.

2.2. Điều Khiển Chu Trình Hở Open Loop

Điều khiển hở không có cảm biến phản hồi, động cơ chỉ nhận lệnh chuyển động mà không kiểm tra kết quả. Phù hợp với máy gia công tia lửa, máy CNC giá rẻ có mômen cản ổn định. Ưu điểm là chi phí thấp, nhược điểm là độ chính xác không cao và dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoài.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Cho Các Trục Máy

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển chu trình kín của bàn máy CNC. Để thiết kế bộ điều khiển PID hiệu quả, trước tiên cần xây dựng mô hình toán học cho từng trục (X và Y), sau đó tính toán hàm truyền G(s) và kiểm tra tính ổn định. Mô hình hóa trục X và trục Y dựa trên các thông số kỹ thuật của vít me, ray dẫn hướng và động cơ servo. Thông qua phân tích ổn định và mô phỏng, các hệ số Kp, Ki, Kd được xác định tối ưu để đảm bảo hệ thống có đáp ứng nhanh, không quá tác động và sai số bền vững là bé nhất.

3.1. Mô Hình Toán Học Trục X

Hàm truyền của trục X được xây dựng dựa trên các tham số vật lý: khối lượng bàn máy, hệ số ma sát, độ cứng vít me. Phương trình vi phân mô tả động lực học của hệ thống. Kiểm tra tính ổn định thông qua tiêu chí Routh-Hurwitz hoặc phân tích pole-zero trên mặt phẳng phức.

3.2. Thiết Kế Thông Số PID Tối Ưu

Sử dụng các phương pháp như Ziegler-Nichols hoặc tối ưu hóa thực nghiệm để xác định Kp, Ki, Kd. Mô phỏng hệ thống với các thông số này để kiểm tra đáp ứng bước và đáp ứng tần số. Điều chỉnh cho đến khi đạt được hiệu suất mong muốn.

IV. Mô Phỏng Hoạt Động Hệ Thống Theo Quỹ Đạo Gia Công

Mô phỏng hoạt động của hệ thống bàn máy CNC theo các quỹ đạo gia công khác nhau là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống cơ điện tử. Các quỹ đạo phổ biến bao gồm quỹ đạo thẳng và quỹ đạo tròn, từ đó đánh giá khả năng theo dõi vị trí của hệ thống điều khiển. Mô phỏng số sử dụng các công cụ như MATLAB/Simulink để tái hiện hành vi của hệ thống, xác minh tính chính xác của bộ điều khiển PID được thiết kế. Các kết quả mô phỏng giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn trước khi thử nghiệm trên thực tế, từ đó cải thiện độ chính xác và hiệu suất gia công.

4.1. Mô Phỏng Quỹ Đạo Thẳng

Quỹ đạo thẳng là loại chuyển động cơ bản, yêu cầu hệ thống theo dõi chuyển động từ điểm A đến điểm B theo đường thẳng. Sai số theo dõi trong chế độ này phản ánh khả năng điều khiển vị trí cơ bản của bàn máy. Mô phỏng và thực nghiệm với các vận tốc khác nhau để xác minh tính ổn định.

4.2. Mô Phỏng Quỹ Đạo Tròn

Quỹ đạo tròn là bài kiểm tra khó khăn hơn, yêu cầu điều phối hai trục X và Y đồng thời. Sai số hình tròn được đánh giá bằng độ lệch giữa quỹ đạo mong muốn và quỹ đạo thực tế. Nếu sai số vượt quá ngưỡng cho phép, cần điều chỉnh thông số PID hoặc tăng tốc độ lấy mẫu của hệ thống điều khiển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA BÀN MÁY CNC.1 Các hệ thống dẫn động cho bàn máy CNC.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển.1 Hệ thống điều khiển chu trình hở.2 Bộ điều khiển chu trình nửa kín.3 Điều khiển chu trình kín.4 Điều khiển chu trình hỗn hợp.1 Nguyên lý về điều chỉnh vị trí kiểu chu trình kín của máy công cụ CNC6 1.3 Xác định các thành phần của hệ thống.1 Hệ thống điều khiển là hệ thống điều khiển có phản hồi.2 Các thiết bị đo và giám sát vị trí.3 Các hệ thống đo hành trình và giám sát vị trí.4 Công tắc hành trình.6 Nút dừng khẩn cấp.8 Mạch điều khiển Mach3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN.1 Xây dựng mô hình toán học cho trục X.1 Mô hình toán học bàn máy X.2 Mô hình hóa bàn máy X.4 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s).5 Thiết kế bộ điều khiển PID.6 Mô hình toán học bàn máy Y.7 Mô hình hóa bàn máy Y.9 Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s).10 Thiết kế bộ điều khiển PID. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO.1 Mô phỏng bàn máy theo quỹ đạo.1 Quỹ đạo thẳng.2 Quỹ đạo tròn.62 TÀI LIỆU THAM KHẢO.

TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA BÀN MÁY CNC 1.1 Các hệ thống dẫn động cho bàn máy CNC STT Tên gọi Thông số Ghi chú 1 Vít me trục X 45-10B1-FDWC - Hãng PMI 780-1069-0.018 2 Vít me trục Y 45-10B2-FDWC - Hãng PMI 780-1069-0.018 3 Ray dẫn hướng trục X MSA 35 A Hãng PMI 4 Ray dẫn hướng trục Y MSA 30 LA Hãng PMI 5 Ổ lăn trục X 7407 BM Hãng SKF 6 Ổ lăn trục Y 7408 BM Hãng SKF 7 Động cơ trục X AM 1400c Hãng ANILAM 8 Động cơ trục Y AM 1400c Hãng ANILAM 1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển Đối với hệ thống điều khiển máy công cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là làm sao từ các dữ liệu của chương trình đã lập của người dùng, bộ điều khiển tiến hành xử lý, tính toán và phát lệnh đến các đông cơ dẫn động bàn máy và trục chính thực hiện các dịch chuyển cần thiết để tạo ra hình dáng hình học của chi tiết cần gia công với độ chính xác nhất định một cách tự động hoàn toàn. Khi vận tốc thực và vị trí thực được các sensor nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ servo dùng trong các máy CNC liên tục được điều khiển sao cho sai số vận tốc hoặc sai số vị trí giữa vị trí cần và vị trí thật là nhỏ nhất. Hệ thống hồi tiếp đầy đủ nhất sẽ bao gồm 3 vòng lặp điều khiển độc lập điều khiển các trục của máy (hình 1. Vòng ngoài cùng nhất là vòng hồi tiếp vị trí, vòng giữa là 1 vòng hồi tiếp vận tốc, và vòng trong cùng là vòng lặp về dòng điện.

Nói chung, vòng lặp điều khiển vị trí được bố trí trong hệ NC, do hệ NC đảm nhận, các vòng lặp khác đặt ngay trong thiết bị dẫn động servo. Tuy nhiên cũng không có quy định thống nhất nào về vị trí của các vòng lặp điều khiển. Chúng phụ thuộc vào nhà thiết kế.1: Ba loại vòng lặp điều khiển trong máy CNC Nếu phân loại dựa theo phương pháp mà hệ điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người ta chia hệ thống điều khiển thành 4 loại sau: - Điều khiển chu trình hở (open loop) - Điều khiển theo chu trình nửa kín (semi-closed loop) - Điều khiển chu trình kín (closed loop) - Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop) Phần lớn các máy công cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều khiển chu trình đóng và nó kiểm soát vị trí dịch chuyển dụng cụ cắt chính xác hơn, do đó chất lượng gia công chi tiết tốt hơn. Tuy nhiên điều khiển theo chu trình hở vẫn còn sử dụng ở các máy CNC có độ chính xác vị trí thấp hoặc các máy có mômen cản sinh ra trên động cơ đẫn động bàn máy là nhỏ và giá trị ổn định (ví dụ máy gia công tia lửa điện điện cực dây hoặc điện cực định hình) để giảm giá thành chế tạo.1 Hệ thống điều khiển chu trình hở Ở hệ thống điều khiển chu trình hở, dữ liệu chương trình gia công nhập được đưa vào bộ điều khiển MCU (machine control unit) (xem hình 1.

Nó giải mã thông tin và lưu trữ trong bộ nhớ cho đến khi người vận hành bấm nút bắt đầu chạy chương trình. Từng lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ servo. Lượng dịch chuyển của động cơ hay nói cách khác là bàn máy phụ thuộc vào số xung điện (electric pulses) mà động cơ nhận được.2: Hệ thống điều khiển theo chu trình hở Hệ thống này đơn giản vì không có mạch hồi tiếp (feedback), tuy nhiên không có cách nào để kiểm tra xem động cơ servo có dịch chuyển (quay) đúng theo lệnh đã được yêu cầu hay không, tức là chúng không có mối liên hệ ngược. Do vậy hệ thống điều khiển chu trình hở không thể áp dụng cho các máy CNC gia công cơ có độ chính xác lớn hơn 0,02 mm hoặc có lực cắt trong quá trình gia công lớn.

Đối với loại điều khiển này động cơ servo là các động cơ một chiều kiểu động cơ bước (stepper motor). Độ chính xác gia công chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động của động cơ bước, vítme và hệ thống truyền động. Khi mômen quay nhỏ và ít thay đổi thì độ chính xác dịch chuyển khá cao, do vậy các máy gia công tia lửa điện hiện nay vẫn sử dụng điều khiển theo chu trình hở.2 Bộ điều khiển chu trình nửa kín Điều khiển chu trình nửa kín là loại hệ thống điều khiển phổ biến có cấu trúc như hình 1. Với loại này, thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ servo và chúng kiểm tra góc quay.

Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn máy) phụ thuộc khá lớn và độ chính xác của trục vitme. Vì thế, trục vít me bi có độ chính xác cao được dùng trong hệ truyền động cho bàn máy. Khi cần thiết, một số máy hệ NC còn cho phép bù trừ sai số của bước vít me và khe hở của trục 3 vitme để tăng độ chính xác. Bù trừ sai số bước vít me bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến hệ dẫn động servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy.

Bù trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi dấu, một lượng xung tương ứng với khe hở được gửi đến hệ điều khiển động cơ servo để hiệu chỉnh. 3: Điều khiển chu trình nửa kín 1.3 Điều khiển chu trình kín Mặc dù bộ điều khiển chu trình nửa kín có thể thể bù trừ sai số bước vitme và he hở vitme nhưng nói chung khó đạt được độ chính xác cao khi ảnh hưởng của khe hở sẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia công. Độ mòn của trục vít me cũng khác nhau tại các vị trí khác nhau. Khe hở của vitme cũng thay đổi theo nhiệt độ.

Thêm vào đó, chiều dài của trục vitme cũng bị giới hạn so với các máy có yêu cầu hành trình lớn. Khi đó cơ cấu bánh răng thanh răng được sử dụng đối với các máy có kích thước lớn. Tuy nhiên, độ chính xác của cơ cấu bánh răng thanh răng thường kém. Do vậy, điều khiển chu trình kín sử dụng trong trường hợp này sẽ khắc phục được sai số của vitme hoặc bánh răng thanh răng (hình 1.

4: Hệ thống điều khiển theo chu trình kín 4 a) (có hồi tiếp vị trí và tốc độ) Trong hệ thống điều khiển chu trình kín, thiết bị giám sát vị trí được lắp trên bàn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển. Chu trình kín và chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sát vị trí (gọi là linear scale) được lắp ở bàn máy hay ở trục của động cơ và độ chính xác của thiết vị nhận biết vị trí của hệ điều khiển chu trình kín rất cao. Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng trong dao động của khung máy, hiện tượng dính trượt v. gây nên thiết hụt chuyển động vì bản thân cả thân máy cũng dính liền với đối tượng giám sát (bàn máy) có ảnh hưởng đến đặc tính của hệ servo.

Hệ điều khiển chu trình kín luôn cố làm giảm sai số giữa vị trí cần đến trong lệch dịch chuyển và vị trí thật. Để giảm các sai số do các hiện tượng nói trên gây ra, bộ điều khiển phải nhạy. Vì vậy, nếu tần số cộng hưởng của máy thấp hơn tần số đáp ứng của hệ điều khiển chu trình kín thì hệ điều khiển vị trí trở nên mất ổn định. Vì thế người ta cố gắng tăng độ cứng vững của khung máy nhằm tăng tần số dao động cộng hưởng của máy.

Đồng thời cố gắng giảm hệ số ma sát và loại bỏ các nguyên nhân gây ra thiếu hụt chuyển động.4 Điều khiển chu trình hỗn hợp Trong trường hợp khó tăng được độ cứng vững của máy khi khối lượng chi tiết gia công lớn hoặc khó loại bỏ được hiện tượng thiếu hụt chuyển động do hiện tượng dính hoặc trượt chuyển động trong các máy CNC hạng nặng, người ta sử dụng bộ điều khiển chu trình hỗn hợp nhằm bảo đảm độ chính xác vị trí mà không làm mất tính ổn định điều khiển (hình 1. Trong chu trình hỗn hợp, có hai vòng lặp điều khiển: vòng nửa kín giám chuyển động của động cơ, vòng kín sử dụng thước quang để giám sát vị trí của bàn máy. Trong vòng lặp nửa kín, có thể dùng thuật toán điều khiển có độ nhạy cao bởi vì vòng lặp này không bị ảnh hưởng của toàn bộ khung máy. Còn trong vòng lặp kín, độ chính xác điều khiển được tăng lên nhờ phương pháp bù trừ sai số mà vòng lặp nửa kín không thực hiện được.

Vì vòng lặp kín chỉ bù trừ sai số thuộc về vị trí nên hoạt động tốt ở chế độ nhạy thấp hơn. Sự kết hợp giữa vòng lặp kín và nửa kín cho phép đảm bảo độ chính xác điều khiển trong mọi trường hợp. 5: Bộ điều khiển chu trình hỗn hợp 1.1 Nguyên lý về điều chỉnh vị trí kiểu chu trình kín của máy công cụ CNC Mục này giới thiệu vắn tắt nguyên lý chung của điều khiển chu trình kín nói chung (mở rộng ra cho cả 3 loại, nửa kín, kín và hỗn hợp).