Đồ án Thiết kế Hệ thống điều khiển Bàn máy CNC - SV. Nguyễn Xuân Thắng BKHN

Tài liệu đồ án thiết kế hệ thống điều khiển bàn máy CNC đầy đủ. Gồm mô hình toán, mô phỏng MATLAB, lựa chọn thiết bị và lập trình điều khiển.

• Tác giả: Nguyễn Xuân Thắng
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Sỹ Tuấn
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Bàn Máy CNC
• Loại tài liệu: Đồ Án Môn Học
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

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

Hệ thống điều khiển bàn máy CNC là một giải pháp hiện đại trong lĩnh vực gia công cơ khí, cho phép tự động hóa quá trình sản xuất với độ chính xác cao. Đồ án thiết kế này tập trung vào việc xây dựng một hệ thống điều khiển toàn diện cho bàn máy phay CNC, bao gồm các trục X, Y, Z. Mục tiêu chính là thiết kế một hệ thống điều khiển ổn định, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật về vận tốc chạy tối đa (18-25 m/phút), khối lượng chi tiết tối đa (300-700 kg), và gia tốc hoạt động (0,4-0,5g m/s²). Hệ thống này được thiết kế để hoạt động ổn định trong 5-7 năm. Cấu trúc của bàn máy CNC bao gồm các thành phần cơ bản như ray dẫn hướng, vít me bi, động cơ servo, và các cảm biến đo vị trí chuyên dụng.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Hệ Thống Điều Khiển

Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên vòng lặp phản hồi liên tục giữa tín hiệu đầu vào và tín hiệu phản hồi từ cảm biến vị trí. Động cơ servo nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển PID, thực hiện chuyển động chính xác theo lệnh. Encoders đo vị trí thực tế và gửi lại thông tin để điều chỉnh sai số giữa vị trí mong muốn và vị trí thực tế, đảm bảo độ chính xác gia công cao nhất.

1.2. Cấu Thành Chính Của Hệ Thống

Hệ thống gồm ba thành phần chính: (1) Cơ cấu truyền động bao gồm vít me bi, ray dẫn hướng và gối đỡ; (2) Hệ thống động cơ với servo motor và bộ truyền; (3) Hệ thống điều khiển điện tử với bộ điều khiển PID, cảm biến vị trí, và giao diện A/D-D/A để chuyển đổi tín hiệu analog và số.

II. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Theo Các Trục X Y Z

Thiết kế hệ thống điều khiển cho bàn máy CNC yêu cầu xây dựng mô hình toán học chi tiết cho mỗi trục chuyển động. Quá trình thiết kế bao gồm: (1) Xây dựng phương trình toán học mô tả động lực học của hệ thống cơ khí; (2) Xác định hàm truyền đạt cho từng trục dựa trên các thông số kỹ thuật như khối lượng, độ cứng, và ma sát; (3) Kiểm tra tính ổn định của hệ thống hở và hệ kín; (4) Lựa chọn thiết bị điều khiển phù hợp bao gồm cảm biến, động cơ servo, và bộ điều khiển. Quá trình này đòi hỏi sử dụng các công cụ mô phỏng như MATLAB-SIMULINK để phân tích đáp ứng của hệ thống.

2.1. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Và Hàm Truyền

Mô hình toán học của trục dẫn động được xây dựng dựa trên phương trình động lực học Newton. Hàm truyền đạt G(s) được tính từ tỉ số giữa tín hiệu đầu ra (vị trí hoặc vận tốc) và tín hiệu đầu vào (điện áp điều khiển). Mô hình này tính đến các yếu tố như quán tính khối lượng, hệ số ma sát tuyến tính, và độ cứng của hệ thống.

2.2. Lựa Chọn Thiết Bị Và Kiểm Tra Tính Ổn Định

Kiểm tra ổn định được thực hiện sử dụng tiêu chuẩn Routh-Hurwitz và biểu đồ Nyquist. Các thiết bị điều khiển được chọn lựa bao gồm cảm biến encoder, động cơ servo DC hoặc AC, và bộ điều khiển PID tối ưu hóa để đảm bảo đáp ứng nhanh chóng và ổn định.

III. Thiết Kế Bộ Điều Khiển PID Cho Hệ Thống

Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là thành phần quan trọng nhất trong hệ thống điều khiển bàn máy CNC, giúp điều chỉnh sai số vị trí và vận tốc một cách liên tục. Điều khiển tỉ lệ (P) giảm sai số bằng tín hiệu tỉ lệ với sai lệch; điều khiển tích phân (I) loại bỏ sai số dừng; điều khiển vi phân (D) cải thiện tốc độ đáp ứng và độ ổn định. Quá trình tuning bộ điều khiển PID sử dụng phương pháp Ziegler-Nichols hoặc các phương pháp thực nghiệm khác để tìm các hệ số Kp, Ki, Kd tối ưu. Thiết kế bộ điều khiển phải đảm bảo hệ thống có thời gian quá độ ngắn, sai số xác lập bé, và độ vượt lố chấp nhận được.

3.1. Nguyên Lý Và Cấu Trúc Bộ Điều Khiển PID

Bộ điều khiển PID hoạt động dựa trên phương trình: u(t) = Kpe(t) + Ki∫e(t)dt + Kdde(t)/dt. Khâu P cung cấp tác động tức thời; khâu I tích lũy lỗi lâu dài; khâu D dự đoán xu hướng sai lệch. Sự kết hợp ba khâu này tạo nên một bộ điều khiển mạnh mẽ để điều chỉnh chuyển động của các trục.

3.2. Phương Pháp Tuning Và Tối Ưu Hóa

Phương pháp Ziegler-Nichols xác định các tham số PID dựa trên đặc tính của hệ thống hở. Quá trình tuning bao gồm: tăng Kp cho đến khi hệ thống dao động; ghi lại tần số dao động và biên độ; tính toán Ki và Kd từ các giá trị này. Mô phỏng MATLAB giúp xác minh các tham số được chọn trước khi áp dụng vào thực tế.

IV. Mô Phỏng Và Mô Phỏng Hoạt Động Hệ Thống

Mô phỏng hệ thống điều khiển sử dụng MATLAB-SIMULINK là bước quan trọng để xác minh thiết kế trước khi triển khai thực tế. Quá trình mô phỏng bao gồm: (1) Nhập hàm truyền đạt của các trục X, Y, Z vào môi trường SIMULINK; (2) Thiết lập bộ điều khiển PID với các tham số đã tính toán; (3) Áp dụng tín hiệu đầu vào điển hình (bậc thang, hình sin, tam giác) và quan sát đáp ứng của hệ; (4) Phân tích các chỉ tiêu chất lượng như vị trí, vận tốc, gia tốc theo thời gian. Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá độ ổn định, tốc độ quá độ, sai số tĩnh học và khả năng theo dõi tín hiệu của hệ thống, từ đó điều chỉnh các tham số nếu cần thiết.

4.1. Các Chỉ Tiêu Chất Lượng Được Đánh Giá

Chỉ tiêu chất lượng chính bao gồm: thời gian quá độ (settling time) - khoảng thời gian để hệ ổn định; độ vượt lố (overshoot) - phần trăm vượt quá giá trị mục tiêu; sai số xác lập (steady-state error) - sai lệch cuối cùng; tần số băng thông - khả năng theo dõi tín hiệu cao tần. Các chỉ tiêu này đảm bảo chất lượng gia công đạt tiêu chuẩn kỹ thuật.

4.2. Phân Tích Đáp Ứng Và Điều Chỉnh Tham Số

Đáp ứng của hệ thống được theo dõi qua các đồ thị thời gian hiển thị vị trí, vận tốc và gia tốc của các trục. Nếu đáp ứng không đạt yêu cầu, các tham số PID được điều chỉnh lặp lại cho đến khi hệ thống đạt hiệu suất tối ưu. Mô phỏng SIMULINK giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với thử nghiệm thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. PHÂN TÍCH NGUYÊN LÝ VÀ THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 1.1 Tổng quan và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển.1 Cấu thành của hệ thống điều khiển số CNC Hệ thống CNC bao gồm 3 bộ phận: - Hệ NC (numerical control) làm nhiệm vụ tương tác với người vận hành và tiến hành việc - điều khiển vị trí. - Hệ điều khiển các động cơ - Hệ các driver. Theo nghĩa hẹp, chỉ có hệ NC được gọi là hệ điều khiển CNC.

1 Cấu thành của hệ điều khiển CNC Xét về mặt chức năng, hệ điều khiển CNC bao gồm - Bộ phận giao tiếp giữa người và máy (MMI-Man-Machine-Interface) - Phần lõi điều khiển số (NCK – Numerical Control Kernel) - Bộ điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Control) (xem hình 1. 7 Nguyễn Xuân Thắng 20170903  MMI chịu trách nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành máy, thi hành các lệnh của máy, hiển thị thông tin trạng thái của máy và thực hiện các chức năng soạn thảo chương trình gia công.  NCK là lõi của hệ thống CNC, nó thông dịch chương trình gia công và tiến hành nội suy, điều khiển vị trí và bù trừ sai số dựa trên chương trình đã được thông dịch. Cuối cùng NCK điều khiển các động cơ servo chuyển động để gia công chi tiết.

 Bộ điều khiển PLC điều khiển việc thay dao, tốc độ trục chính, thay chi tiết gia công và nhập hoặc xuất các tín hiệu xử lý. Nó đóng vai trò điều khiển các hoạt động của máy (ngoại trừ điều khiển cộng cơ servo) Hình 1. 2 Cấu thành của hệ thống CNC chuẩn Hình 1.2 thể hiện kiến trúc của một hệ máy công cụ CNC dưới góc độ cả phần cứng lẫn phần mềm. - Dưới góc độ phần cứng, máy CNC bao gồm hệ điều khiển CNC, hệ thống các động cơ dẫn động, và bản thân máy công cụ.

Tín hiệu điều khiển vị trí, là đầu ra cuối cùng của hệ CNC, được truyền đến bộ điều khiển động cơ (motor drive system), bộ điều khiển động cơ điều khiển các động cơ servo bằng điều khiển 8 Nguyễn Xuân Thắng 20170903 vận tốc hoặc momen. Cuối cùng, động cơ bắt bàn máy mang chi tiết chuyển động thông qua hệ thống truyền động. - Trong hệ thống CNC, mô-đun xử lý các chức năng của MMI, NCK và PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm, hệ thống RAM và ROM để lưu các ứng dụng của người dùng (cho MMI), chương trình gia công (cho NCK) và các chương trình PLC (cho PLC). Mô-đun xử lý kết nối với hệ giao diện có trang bị các phím nhập dữ liệu, màn hình hiển thị và hệ thống bus.

Có thể nói, kiến trúc của một hệ CNC tương tự như một máy tính đa nhiệm. Hệ CNC cũng có các thiết bị nhập/xuất các tín hiệu tương tự và tín hiệu số nhằm giao tiếp trực tiếp với các thiết bị ngoại vi khác và tạo mối liên kết truyền thông giữa các động cơ và mô-đun nhập/xuất. - Theo cách nhìn về mặt phần mềm, hệ thống CNC được thể hiện trên hình 1. Theo đó, hệ CNC bao gồm các chức năng MMI hỗ trợ chức năng soạn thảo chương trình, giao diện người dùng và hiển thị các thông tin trạng thái của máy; các chức năng NCK thi hành công việc thông dịch chương trình, nội suy và điều khiển; các chức năng PLC thực hiện các chương trình logic theo cách tuần tự.2 Chức năng của từng thành phần.1 Chức năng của MMI (giao tiếp giữa người và máy) MMI thực hiện chức năng tương tác với người vân hành máy.

Vì thế có rất nhiều loại giao diện người dùng khác nhau tùy vào các nhà sản xuất máy công cụ khác nhau. Các chức năng của MMI được chia ra 5 nhóm sau:  Các chức năng liên quan đến hoạt động của máy: Bao gồm hiển thị trạn thái của máy khi máy hoạt động ví dụ như khoảng cách đã đi được, tốc độ dịch chuyển dao, tốc độ quay của trục chính, dòng lệnh nào đang được thi hành. Ngoài ra nó còn hỗ trợ các chức năng như dịch chuyển bàn máy bằng tay, nhập dữ liệu bằng tay, tìm chương trình, soạn thảo chương trình, quản lý dụng cụ cắt (xem hình 1. 9 Nguyễn Xuân Thắng 20170903 Hình 1.

3 Ví dụ về màn hình hiển thị MMI và bộ bàn phím nhập dữ liệu của hệ điều khiển FANUC áp dụng cho máy phay  Chức năng thiết lập (set) các tham số Trong hệ thống CNC, có rất nhiều các tham số (parameters) và chúng được phân thành 3 loại sau: - Tham số của máy dùng để thiết lập các chế độ thông thường của máy, hệ đẫn động các động cơ servo và trục chính, hiệu chỉnh dao, hệ tọa độ máy, các điều kiện biên an toàn. - Tham số chương trình: thiết lập trong quá trình soạn thảo chương trình. - Tham số người dùng: để thích nghi với yêu cầu của người sử dụng máy. Ví dụ về màn hình hiển thị các tham số và phương pháp thay đổi các tham số bằng hệ thống bàn phím nhập liệu được minh họa trên hình 1.

 Chức năng soạn thảo chương trình gia công Chức năng này cho phép nhập và chỉnh sửa chương trình gia công (gọi là G-code, dựa trên tiêu chuẩn EIA/ISO Electronics Industry Association / International Organization for Standardization). Về mặt thực tế, người sử dụng máy phải biết G/M code. 10 Nguyễn Xuân Thắng 20170903 Hình 1. 4 Ví dụ về thiết lập tham số (parameters) cho máy thông qua MMI (hệ điều khiển FANUC), đưa con trỏ đến tham số cần sửa, nhập giá trị mới và nhấn phím Input Ở một số hệ điều khiển CNC, chức năng lập trình gia công sử dụng chế độ hội thoại giữa người và máy để giúp cho việc soạn thảo chương trình được dễ dàng hơn.

Ví dụ để soạn thảo chương trình gia công khoan lỗ, người lập trình không cần nhớ chi tiết cú pháp của từng câu lệnh trong chu trình khoan. Chương trình hỗ trợ lập trình trong máy sẽ tự động sinh chương trình G-code, người dùng chỉ nhập các thông số cơ bản như vị trí lỗ cần khoan, chiều sâu lỗ v.v…  Chức năng giám sát và cảnh báo (Monitoring and alarm functions) Hệ thống CNC luôn luôn thông báo cho người dùng trạng thái và tình trạng của máy. Chức năng này là rất cần thiết khi máy hoạt động ở tốc độ cao. Trên máy công cụ CNC thường có các đèn báo về mức độ tải của máy, các chuông hoặc đèn báo lỗi về sự cố, báo cáo trạng thái của PLC v.v…  Các dịch vụ và tiện ích khác Ngoài 4 chức năng thiết yếu bên trên, nhiều chức năng tiện ích khác rất hữu dụng đối với người vận hành máy.

Ví dụ chức năng DNC (Direct Numerical Control) có nhiệm vụ truyền chương trình gia công soạn thảo bên ngoài máy CNC xuống máy CNC để tiến hành gia công, hoặc chức năng copy các tham số trong máy ra bên ngoài và lưu thành file để lưu trữ khi người dùng cần phục hồi các tham số như ban đầu, hoặc chức năng giao tiếp trao đổi dữ liệu giữa máy tính PC và hệ điều khiển CNC. 11 Nguyễn Xuân Thắng 20170903 1.2 Chức năng NCK (Numerical Control Kernel) Nhìn chung, hệ NC thông dịch dữ liệu nhập, lưu giữ nó trong bộ nhớ, gửi lệnh đến hệ thống dẫn động, và kiểm tra các tín hiệu phản hồi về vị trí hoặc tốc độ của hệ thống dẫn động. Các khối chức năng của NCK và dòng thông tin trong NCK, được xem là bộ phận thiết yếu của hệ CNC, được thể hiện trên hình 5. Chức năng thông dịch, nội suy, điều khiển gia tốc/giảm tốc và điều khiển vị trí là chức năng chính của bộ phận NCK.

 Chức năng thông dịch (interpreter) Đóng vai trò đọc chương trình gia công (partprogram), thông dịch các block lệnh dưới dạng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) trong chương trình gia công và lưu giữ chương trình đã được thông dịch đó vào bộ nhớ trong để rồi chuyển sang bộ nội suy (interpolator). Các khối lệnh (blocks) được thực hiện tuần tự, trình thông dịch sẽ đọc và dịch block lệnh kế tiếp khi khối lệnh phía trước đang được thi hành. Vì thế, nếu thời gian thông dịch khối lệnh phía sau dài hơn thời gian thực hiện lệnh thì máy phải chờ cho đến khi khối lệnh được thông dịch xong. Do vậy việc máy phải tạm dừng là không tránh khỏi.

Để tránh trường hợp này, người ta dùng bộ đệm (buffer) để lưu trữ tạm thời dữ liệu thông dịch. Bộ đệm luôn giữ một lượng số các dữ liệu đã được thông dịch đủ để tránh việc máy phải dừng tạm thời khi có trường hợp thời gian thông dịch lệnh lớn hơn thời gian thi hành lệnh. 5 Các khối chức năng của NCK 12 Nguyễn Xuân Thắng 20170903  Nội suy (interpolator) Đóng vai trò đọc các thông tin đã được thông dịch và lưu trữ trong bộ nhớ đệm bên trong, tính toán vị trí, tốc độ trên mỗi đơn vị thời gian của các trục của máy, và lưu trữ kết quả này vào một bộ nhớ đệm khác có tên là FIFO (first in, first out) để điều khiển việc gia tốc và giảm tốc. Nội suy đường thẳng và nội suy đường tròn là hai kiểu nội suy điển hình trong hệ thống NC.

Nội suy parapol, nội suy spline và một số nội suy khác chỉ dùng trong một số máy CNC. Bộ nội suy phát một xung (pulse) ứng với dữ liệu đường tùy vào loại đường được nội suy (thẳng, tròn, prarapol hay spline) và gửi xung đó đến bộ đệm FIFO. Số lượng của xung được quyết định dựa vào vận tốc. Trong một hệ NC, chuyển vị trên mỗi xung quyết định độ chính xác dịch chuyển (không xét sai số cơ khí).

Ví dụ nếu một trục nào đó có thể chuyển động 0.002mm/xung thì độ chính xác của hệ thống NC là 0. Thêm vào đó, hệ thống NC phải tạo ra 25000 xung để dịch chuyển chi tiết một đoạn 50 mm và 8333 xung/giây để dịch chuyển với tốc độ 1 mét/phút.  Gia tốc/giảm tốc sau nội suy Nếu điều khiển vị trí thi hành bằng cách sử dụng dữ liệu tạo ra từ bộ nội suy, máy sẽ bị rung về mặt cơ khí do quán tính khi chi tiết bắt đầu chuyển động hoặc dừng. Để khắc phục hiện tượng đó, việc điều khiển gia tốc và giảm tốc phải được thực hiện trước khi dữ liệu nội suy được gửi đến bộ điều khiển vị trí.

Phương pháp này gọi là gia tốc/giảm tốc sau nội suy. Ngược lại cũng tồn tại phương pháp gia tốc/giảm tốc trước nội suy khi việc điều khiển tốc/giảm tốc được thực hiện trước khi nội suy.3 Khối chức năng PLC Bộ điều khiển logic được dùng để thi hành các điều khiển mang tính tuần tự trong các máy móc và trong công nghiệp.