Giáo trình hệ thống dẫn động chạy dao trong máy CNC phần 2 - Hệ thống servo thủy lực

Tài liệu ebook chuyên sâu về hệ thống điều khiển số trong công nghiệp. Giới thiệu kiến thức từ cơ bản đến nâng cao về PLC, SCADA và ứng dụng thực tế trong tự

• Đề tài: Hệ dẫn động chạy dao trong máy công cụ CNC
• Loại tài liệu: Ebook

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ thống dẫn động chạy dao trong CNC

Hệ thống dẫn động chạy dao là thành phần cốt lõi trong máy công cụ điều khiển số CNC. Hệ thống gồm hai phần cơ bản: thành phần điều khiển và động cơ. Thành phần điều khiển chuyển đổi tín hiệu từ CNC thành tín hiệu điều khiển động cơ. Động cơ biến đổi năng lượng thành chuyển động cơ học phục vụ gia công. Máy CNC sử dụng rộng rãi hai loại động cơ dẫn động: động cơ thủy lực và động cơ điện. Động cơ thủy lực biến đổi năng lượng thủy lực thành chuyển động tịnh tiến hoặc quay. Động cơ điện biến đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học. Các loại động cơ điện phổ biến bao gồm động cơ bước, động cơ một chiều DC và động cơ xoay chiều điều khiển tần số. Hệ dẫn động được phân thành hai dạng chính: điều khiển kín và điều khiển hở. Hệ điều khiển kín sử dụng thiết bị phản hồi như Encoder hoặc Resolver để xác định vị trí và tốc độ bàn máy, từ đó giảm sai lệch giữa tín hiệu yêu cầu và tín hiệu thực tế.

1.1. Cấu trúc hệ dẫn động chạy dao CNC

Hệ dẫn động chạy dao CNC hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi tín hiệu số thành chuyển động vật lý. Bộ điều khiển CNC gửi lệnh số đến thành phần điều khiển. Thành phần này xử lý tín hiệu và truyền đến động cơ phù hợp. Động cơ thực hiện chuyển động cơ học chính xác theo chương trình đã lập trình. Hệ thống phản hồi liên tục giám sát vị trí thực tế. Thiết bị Encoder chuyển đổi vị trí thành tín hiệu số đưa về bộ đếm tiến-lùi. Thiết bị Resolver chuyển đổi vị trí thành tín hiệu tương tự đưa về bộ so sánh. Mạch phản hồi giúp phát hiện và điều chỉnh sai lệch kịp thời.

1.2. Phân loại hệ điều khiển dẫn động

Hệ điều khiển dẫn động CNC được phân loại dựa trên cấu trúc mạch điều khiển. Hệ điều khiển hở không có phần tử phản hồi, động cơ hoạt động theo lệnh đã lập trình mà không kiểm tra kết quả thực tế. Hệ này đơn giản, giá thành thấp nhưng độ chính xác hạn chế. Hệ điều khiển kín luôn có phần tử phản hồi giám sát liên tục. Thiết bị cảm biến đo vị trí, tốc độ bàn máy và sinh tín hiệu đưa về cụm điều khiển. Sai lệch giữa tín hiệu yêu cầu và phản hồi được phát hiện để điều chỉnh. Hệ điều khiển kín đảm bảo độ chính xác cao hơn, phù hợp với gia công yêu cầu dung sai nhỏ.

II. Phân tích ưu nhược điểm động cơ servo thủy lực

Động cơ servo thủy lực được sử dụng rộng rãi trong máy CNC công suất lớn. Hệ thống thủy lực có nhiều ưu điểm nổi bật so với dẫn động bằng động cơ điện. Giá thành hệ thống thủy lực không tỷ lệ thuận với công suất. Công suất lớn nhưng kích thước hệ thống nhỏ gọn. Đặc tính này phù hợp với máy CNC yêu cầu công suất trung bình và lớn. Hệ thống thủy lực có độ cứng cao hơn dẫn động điện. Hệ số khuếch đại mạch cao, đáp ứng tần số tốt hơn. Điều khiển thủy lực cho phép thực hiện làm trơn chuyển động dụng cụ ở dải tốc độ rộng. Hệ thống tự bôi trơn, không cần thiết bị bôi trơn riêng biệt. Khả năng chống quá tải tốt, hoạt động ổn định trong điều kiện tải nặng. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực cũng có nhược điểm cần cân nhắc. Yêu cầu bảo dưỡng định kỳ các chi tiết kín. Rủi ro rò rỉ dầu ảnh hưởng đến môi trường và hiệu suất. Nhiệt độ dầu biến đổi ảnh hưởng đến đặc tính hoạt động của hệ thống.

2.1. Ưu điểm vượt trội của dẫn động thủy lực

Dẫn động servo thủy lực có nhiều ưu điểm kỹ thuật đáng chú ý. Thứ nhất, giá thành hệ thống không tăng tuyến tính với công suất. Điều này giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cho máy CNC công suất lớn. Thứ hai, độ cứng cơ cấu cao hơn so với dẫn động điện. Hệ số khuếch đại mạch lớn giúp đáp ứng tần số tốt hơn. Thứ ba, dải tốc độ điều khiển rộng, cho phép làm trơn chuyển động dụng cụ hiệu quả. Thứ tư, hệ thống tự bôi trơn, giảm yêu cầu thiết bị phụ trợ. Thứ năm, khả năng chống quá tải tốt, bảo vệ hệ thống trong điều kiện tải biến đổi bất thường.

2.2. Nhược điểm và hạn chế của hệ thống thủy lực

Bên cạnh ưu điểm, hệ thống thủy lực có một số hạn chế cần giải quyết. Yêu cầu bảo dưỡng thường xuyên các bộ phận kín như phốt, gioăng. Rủi ro rò rỉ dầu gây ô nhiễm môi trường và giảm hiệu suất hoạt động. Nhiệt độ dầu biến đổi ảnh hưởng đến độ nhớt và đặc tính điều khiển. Hệ thống cần thiết bị lọc dầu để loại bỏ tạp chất, tăng tuổi thọ. Chi phí vận hành cao hơn so với hệ thống điện do tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền tải. Thời gian đáp ứng có thể chậm hơn trong một số điều kiện nhiệt độ khắc nghiệt.

III. Phương pháp điều khiển động cơ bước và servo DC

Động cơ bước và động cơ servo DC là hai loại động cơ điện được sử dụng phổ biến trong hệ dẫn động CNC. Động cơ bước hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm điện, rotor có răng và stator cũng có răng. Khi cấp điện theo thứ tự cho các pha, rotor quay từng bước góc xác định. Góc bước phụ thuộc vào số răng trên rotor và số pha động cơ. Động cơ bước ba pha với rotor 8 răng có góc bước 15 độ. Công thức tính góc bước dựa trên tỷ số giữa góc răng liên tiếp trên rotor và số pha. Động cơ servo DC sử dụng nguyên lý tương tác giữa từ trường cố định và dòng điện phần ứng. Momen trên trục động cơ biến thiên theo hàm sin của góc giữa vectơ từ trường và vectơ dòng điện. Momen đạt giá trị lớn nhất khi vectơ dòng phần ứng vuông góc với từ trường cố định. Để đảm bảo momen luôn tối đa, cần điều khiển quá trình cấp điện cho cuộn dây rotor sao cho vectơ dòng luôn vuông góc với từ trường.

3.1. Nguyên lý hoạt động động cơ bước

Động cơ bước hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm điện với cấu trúc đặc biệt. Cả stato và roto đều có răng đóng vai trò như cực từ. Khi thiết kế, thông số quan trọng là số răng trên stato và roto, tức là bước góc. Góc giữa hai răng liên tiếp trên roto tính bằng 360 độ chia cho số răng roto. Góc bước động cơ bằng góc răng roto chia cho số pha. Động cơ ba pha với roto 8 răng cho góc bước 15 độ. Nếu biết số răng stato và roto, tốc độ bước tính bằng tích của hai đại lượng này. Động cơ bước phù hợp cho ứng dụng yêu cầu vị trí chính xác mà không cần phản hồi liên tục.

3.2. Điều khiển momen động cơ servo DC

Động cơ servo DC có momen trên trục biến thiên theo hàm sin của góc giữa vectơ từ trường cố định và vectơ dòng phần ứng. Khi góc bằng 90 độ, momen đạt giá trị lớn nhất. Khi góc bằng 0 độ, momen nhỏ nhất do vectơ dòng song song với từ trường. Để đảm bảo momen tối đa liên tục, cần điều khiển chuyển mạch cấp điện cho cuộn dây roto. Mục tiêu là giữ vectơ dòng phần ứng luôn vuông góc với từ trường cố định. Với cách điều khiển này, momen động cơ tỷ lệ thuận với dòng cấp cho cuộn dây phần ứng. Tốc độ quay rotor tỷ lệ với sức điện động phản điện sinh ra trong cuộn dây.

IV. Ứng dụng thực tế hệ thống dẫn động CNC công nghiệp

Hệ thống dẫn động chạy dao CNC có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo. Động cơ servo thủy lực phù hợp với máy CNC công suất lớn như máy phay đứng, máy tiện cỡ lớn. Ưu điểm về công suất cao, kích thước nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian lắp đặt. Động cơ bước được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu vị trí chính xác như máy khắc, máy in 3D công nghiệp. Động cơ servo DC đáp ứng tốt yêu cầu về momen và tốc độ biến đổi liên tục. Hệ thống dẫn động kín với cảm biến phản hồi đảm bảo độ chính xác gia công cao. Công thức tính toán các thông số động cơ giúp kỹ sư lựa chọn và thiết kế hệ thống phù hợp.Ứng dụng thực tế đòi hỏi cân nhắc giữa chi phí đầu tư, hiệu suất hoạt động và yêu cầu bảo dưỡng. Mỗi loại dẫn động có ưu điểm riêng, phù hợp với từng nhóm ứng dụng cụ thể trong sản xuất công nghiệp hiện đại.

4.1. Lựa chọn hệ dẫn động cho máy CNC

Việc lựa chọn hệ dẫn động phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố kỹ thuật. Đối với máy CNC công suất lớn, dẫn động servo thủy lực là lựa chọn tối ưu do giá thành không tỷ lệ thuận với công suất. Động cơ bước phù hợp cho ứng dụng vị trí chính xác, chi phí thấp như máy khắc, máy cắt plasma. Động cơ servo DC đáp ứng tốt yêu cầu momen biến đổi liên tục, tốc độ rộng. Cần xem xét yêu cầu về độ chính xác, dải tải trọng, tốc độ làm việc và điều kiện môi trường. Hệ thống phản hồi với Encoder phù hợp cho ứng dụng số hóa, Resolver cho ứng dụng tương tự.

4.2. Xu hướng phát triển hệ dẫn động CNC

Hệ dẫn động CNC đang phát triển theo hướng tích hợp công nghệ mới. Động cơ servo điện ngày càng cải thiện về công suất và hiệu suất, thu hẹp khoảng cách với dẫn động thủy lực. Công nghệ điều khiển số cho phép lập trình linh hoạt, thay đổi thông số dễ dàng. Cảm biến thông minh tích hợp giúp giám sát trạng thái động cơ thời gian thực. Hệ thống điều khiển phân tán giảm tải cho bộ xử lý trung tâm. Xu hướng tiết kiệm năng lượng và giảm bảo dưỡng thúc đẩy nghiên cứu vật liệu mới, thiết kế tối ưu. Tích hợp IoT giúp giám sát từ xa, dự báo bảo dưỡng và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

HE DAN ĐỘNG CHẠY DAO TRONG MÁY CÔNG CỤ CNC 4.1 GIỚI THIỆU Trong máy công cụ điều khiển số hệ dẫn động chạy dao gồm hai thành phần cơ bản: thành phần điều khiển và động cơ. Thành phần điều khiển làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu điều khiển từ CNC thành tín hiệu điều khiển động cơ. Động cơ làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng từ các đạng năng lượng khác nhau thành chuyển động cơ học. Trong máy công cụ điểu khiển số, người ta sử dụng rộng rãi hai loại động cơ dẫn động chạy dao, động cơ thủy lực và động cơ điện. Động cơ thủy lực dùng để biến đổi năng lượng thuỷ lực thành chuyển động cơ học tịnh tiến (xilanh — pittông) hoặc chuyển động quay (động cơ thuỷ lực). Động cơ điện dùng để biến đổi năng lương điện thành chuyển động cơ học. Động cơ điện ding dan động bàn máy là động cơ bước (stepping motor), động cơ một chiều (Direct- Current motor - DC) hoặc động cơ xoay chiều điều khiển tần số. Hệ điểu khiển dẫn động chạy dao có hai đạng, điểu khiển kín và điều khiển hở. Trong hệ điều khiến kín luôn có mật các phần tử phản hồi, các phần tử này dùng để xác định vị trí, tốc độ bàn máy và sinh ra tín hiệu phù hợp đưa trở về cụm điều khiển động cơ nhằm giảm sai lệch giữa tín hiệu yêu cầu và tín hiệu phản hỏi .Trong mạch phần hồi nếu dùng thiết bị chuyển đổi là Encoder (thiết bị chuyển đổi số) trong mạch phản hồi có mật bộ đếm tiến - lùi và bộ chuyển đổi D/A. Trong trường hợp thiết bị 100 chuyển đổi là Resolver (thiết bị chuyển đổi tương tự) trong mạch thay thế bộ đếm tiến - lùi bằng bộ so sánh. Ngoài ra thiết bị chuyển đổi nãng lượng từ năng lượng điện - thuỷ lực thành chuyển động cơ học. Như vậy có thể nói hệ điều khiển đân động bàn máy trong máy công cụ điều khiển số là thiết bị điện, điện - thuỷ lực, điện - khí nén hoặc kết hợp giữa các các dạng năng lượng khác nhau biến đổi thành chuyển động cơ học. 4-2 DONG CO SECVO THUY LUC Máy công cụ diéu khiển số với công suất lớn thường sử dụng hệ thống thủy lực điều khiển secvo làm dan dong chạy dao. Khi sử dụng hệ thống thuỷ lực trong dẫn động chạy đao cho ta thấy nó có những ưu điểm nổi bật mà các dạng dẫn động khác không có được: I- Xét về mặt giá thành cho thấy, giá hệ thống thuỷ lực không tỷ lệ thuận với công suất của hệ thống như trong trường hợp dẫn động bằng động cơ điện. Và nhất là công suất động lớn nhưng kích thước của hệ thống lại nhỏ. Chính đặc điểm nổi bật trên, máy công cụ điểu khiển số yêu cầu công suất lớn và trung bình sử dụng hệ thống đản động secvo thủy lực là phù hợp. 2- Điều khiển thủy lực cứng hơn so với điều khiển điện. Vì vậy đặc tính hệ số khuếch đại mạch cao và đáp ứng tần số tốt hơn. 3- Điều khiển hệ thống thủy lực cho phép thực hiện làm trơn chuyển động dụng cụ ở đải tốc độ rộng, 4- Sử dụng hệ thống thuỷ lực không cần có thiết bị bôi trơn và làm mất bởi vì bản thân hệ thống có thể tự thực hiện chức năng này. Và nhất là nó khả năng điều khiển trong điều kiện trễ 5- Có khả nàng chống quá tải cho hệ thống. 101 Đi kèm với những ưu điểm, hệ thống thuỷ lực có nhược điểm riêng của nó, trước hết hệ thống không thuận lợi trong bảo dưỡng, đòi hỏi đầu phải đám bảo luôn sạch hay nói khác đi là trong hệ thống cần có các thiết bị làm sạch dầu như lọc thô, lọc tỉnh, vì độ sạch của dầu có ảnh hưởng lớn tới độ chính xác và tuổi thọ của hệ thống. Dầu dùng trong hệ thống thủy lực phải đảm bảo không có tác dụng xấu với các chỉ tiết trong hệ thống và con người. Và một nhược điểm thường thấy trong các hệ thống thuỷ lực là ồn và rất nhạy với độ nhớt của đầu. Th hệu đếu kiển| | Khuéch dai CNC secvo Động) 090} — Tom thuy 5 tue Beng thủy lựcco | L_ my ] ryếpphồi phản V me - bị L———nu hồi đầu Hình 4-1 Hệ dẫn động secvo thủy lục một trục trong móy CNC Hình 4-1 trình bày sơ đồ hệ điều khiển secvo thủy lực trong máy công cụ điểu khiển số. Tín hiệu yêu cầu từ MCU đưa tới mạch khuếch dai secvo (mach này sẽ được trình bày ở các mục tiếp theo) nhờ mạch này công suất tín hiệu được khuếch đại lên đủ lớn để điều khiển van secvo. Van secvo điều khiển độ mở mép van phù hợp với tốc độ chuyển động theo yêu cầu của động cơ thuỷ lực. Để biến năng lượng thuỷ lực thành chuyển động cơ học, hệ thống điều khiển van secvo phải có nguồn cung cấp áp lực cho động cơ hoặc xilanh thuỷ lực. Hệ thống nguồn áp lực sẽ được trình bày ở mục tiếp theo.1 Nguồn dầu áp lực Nguồn đầu áp lực dùng để cung cấp dầu cho van secvo và động cơ thủy lực thực hiện chuyển động bàn máy. Hệ thống cung cấp nguồn dầu áp lực gồm các thành phần cơ bản như chỉ ra trên hình 4-2: Đến secvo các trục pe Tex re TrucY —x truc? Hình 4-2 Nguồn ớp lực cho vơn secvo và động cơ thuỷ lục 1- Bơm dùng để tạo ra dầu áp lực. Nó có thế là bơm pitrông hướng kính, hướng trục hoặc bơm bánh rãng. Tuỳ theo áp suất, lưu lượng yêu cầu mà người ta lựa chọn loại bơm cho phù hợp. Đơn vị đo lưu lượng bơm là lít trên phút. 2- Động cơ dién din động bơm là động cơ điện một chiều hoặc động cơ xoay chiều ba pha. Để tự động điều chính lưu lượng dầu và áp suất ra của bơm người ta thường dùng động cơ một chiều điều khiển tốc độ. 3- Thùng chứa đầu phải đủ lớn để chứa đủ lượng dầu cần thiết của hệ thống. Dung tích thùng đầu được tính toán trên cơ sở nhiệt độ dầu làm việc và khả năng làm mát của hệ thống. 4- Lọc dùng để lọc các vật bẩn, phoi thép, cát bụi và các vật cứng khác ra khỏi đâu trước khi đưa dầu tới hệ thống thuỷ lực nhằm nâng cao tudi tho cho hé thống. 103 3- Acquy dâu đôi khi còn gọi là bình tích áp. Nó làm nhiệm vụ ổn định áp suất cho hệ thống có nghĩa là làm lưu lượng ra của bơm thay đổi trong giới hạn cho phép. Tính năng của acquy đầu có thể xem tương đương với phần tử tự trong mạch điện hoặc bánh đà trong hệ thống cơ khí. 6- Van một chiều chỉ cho phép dâu chảy theo một chiều. Van này có chức năng khác nhau tuỳ thuộc vị trí của nó trong hệ thống ví dụ nó kết hợp với van tiết lưu làm bộ giảm chấn rất hiệu quả. Cấu trúc này thường dùng trong các mạch thuỷ lực thực hiện chuyển động bàn máy. Ngoài ra van một chiều đặt trên đường dầu hồi của hệ thống có ý nghĩa là giữ cho hệ thống dầu luôn có áp lực ngay cả khi hệ thống ngừng hoạt động. Như vậy nó sẽ tránh cho hệ thống không bị khí xâm thực khi chuyển từ trạng thái không làm việc sang trạng thái làm việc. 7- Van áp suất dùng để điều chỉnh áp suất dầu của hệ thống và nó cũng là thiết bị bảo đảm an toàn quá áp cho hệ thống.2 Van secvo Van secvo điện - thủy lực dùng để điều khiển lưu lượng dầu cao 4p tới động cơ thủy lực. Van secvo có hai kiểu điều khiển, điểu khiển theo áp suất và điều khiển theo lưu lượng. Đặc tinh quan trọng của van secvo là có khả năng sinh ra tín hiệu: áp suất hoặc lưu lượng mà các đại lượng này tỷ lệ với tín hiệu vào. Thiết bị nhận tín hiệu của van secvo thường sử dụng động cơ nhỏ có độ chính xác cao. Động cơ nối với con trượt điều khiển thông qua vít me - đai ốc hoặc qua bộ truyền bánh răng - đai răng. Tín hiệu từ CNC đưa tới thiết bị nhận tín hiệu của van secvo thường công suất nhỏ. Vì vậy trước khi đưa đến động cơ, tín hiệu cẩn được khuếch đại đến công suất đủ lớn để phù hợp với công suất yêu cầu của động cơ điểu khiển van secvo. Khuếch đại secvo sẽ được trình bày trong các mục tiếp theo. 104 Tốc độ động cơ thuỷ lực được xác định bởi-công suất ra của động cơ và tổng momen yêu cầu của tải. Công suất ra của động cơ thuỷ lực độc lập với công suất vào. Có hai dạng tín hiệu vào van secvo là áp suất và lưu lượng đầu. Ấp suất dầu vào van quyết nh bởi nguồn áp suất có nghĩa là phụ thuộc vào áp suất ra của bơm, để đảm bảo áp suất ra của bơm người ra dùng động cơ một chiểu điều khiển tự động giữ áp suất ra của bơm hoặc dùng hệ thống van ổn áp. Biến điều khiến van secvo là lưu lượng. Lưu lượng cấp cho động cơ được điều khiển nhờ van secvo. Kích thước mép van trượt van secvo tỷ lệ ới mức tín hiệu điện áp đặt lên động cơ điều khiển van secvo. Tín hiệu điều khiển từ cụm CNC được tới động cơ điều khiển van secvo, Lưu lượng đầu ra của van secvo gửi tới động cơ thuỷ lực được tỉnh theo công thức: q=k,U (AL trong đó: q - lưu lượng dầu, //ph; ky - hệ số van secvo //ph. Công suất động cơ tính bang kW pq=T,,@, (4-2) trong đó: P - ấp suất vào, bar; q — lưu lượng đầu vào, //ph; 'T„ - momen xoắn trên trục ra, N/m; œ - tốc độ góc, l/s. 105 Tốc độ quay ổn định của động cơ được tính theo công thức œ=Kq (4-3) ở đây K = T,/p là hệ số động cơ. Momen trên trục động cơ thuỷ lực tính theo áp suất vi phân qua van secvo theo công thức, Ta =K,D„AP, (4-4) trong đó D„= thể tích dầu trong động cơ tính theo m”/ph. Tốc độ quay của động cơ tý lệ với tốc độ đầu. oO, =DKo Q 4-5 (4-5) " trong đó K„ = hệ số động cơ. Hình 4-3 chỉ ra một sơ đồ van secvo điện - thủy lực dạng con trượt với cơ cấu chấp hành là xilanh. Nó gồm: động cơ nhận tín hiệu, xilanh thuỷ lực, van trượi chính, van trượt phán hồi. Trên hình biểu diễn thời điểm đừng của van secvo, có nghĩa là tại thời điểm khảo sát không có dầu chảy qua các mép van trượt Q, R và S. Giả thiết rằng tín hiệu từ CNC dua tới động cơ, roto quay một góc tương ứng với mức điện áp dưa vào.