Luận văn Thạc sĩ: Điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng - Nguyễn Anh Tuấn

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu sâu về cơ cấu dây băng trong điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng. Khám phá ứng dụng và nguyên lý hoạt động hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện
• Đề tài: Điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng

Hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng là một giải pháp kỹ thuật sáng tạo trong lĩnh vực gia công cơ khí. Hệ thống sử dụng dây băng làm phương tiện truyền động chính để di chuyển đầu gia công trên một mặt phẳng hai chiều. Phương pháp này thay thế các cơ cấu truyền động truyền thống như trục vitme đai ốc, cánh tay robot hay dây đay răng. Ưu điểm nổi bật của cơ cấu dây băng bao gồm chi phí chế tạo thấp, khả năng mở rộng vùng làm việc linh hoạt và cấu trúc cơ khí đơn giản. Hệ thống phù hợp với nhiều ứng dụng gia công bề mặt như khắc, vẽ, sơn tự động. Nghiên cứu này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, thuộc ngành Kỹ thuật Điện. Luận văn tập trung xây dựng mô hình toán học và áp dụng phương pháp điều khiển logic mờ để đảm bảo độ chính xác cho hệ thống.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của cơ cấu dây băng

Cơ cấu dây băng hoạt động dựa trên nguyên lý truyền động bằng lực căng của dây. Hệ thống bao gồm hai cặp ròng rọc đặt tại các góc của vùng làm việc. Mỗi cặp ròng rọc được nối với nhau bằng một dây băng liên tục. Động cơ truyền động quay ròng rọc, kéo dây băng di chuyển và đưa đầu gia công đến vị trí mong muốn trên mặt phẳng. Bằng cách điều khiển độc lập hai phương ngang và dọc, đầu gia công có thể di chuyển tự do trong toàn bộ vùng làm việc. Nguyên lý này đảm bảo chuyển động mượt mà và chính xác.

1.2. Các hệ gia công truyền thống và hạn chế của chúng

Các hệ gia công trên mặt phẳng truyền thống chủ yếu sử dụng ba loại cơ cấu. Thứ nhất là cơ cấu trục vitme đai ốc, sử dụng động cơ bước hoặc servo, có độ chính xác cao nhưng giá thành đắt đỏ và đòi hỏi phần mềm CNC chuyên dụng. Thứ hai là cánh tay robot, yêu cầu cơ khí chính xác rất cao, khả năng mở rộng hạn chế và lập trình phức tạp. Thứ ba là cơ cấu dây đay răng, tuy có khả năng mở rộng nhưng giới hạn bởi bán kính dây đay và hệ đỡ. Tất cả các hệ thống này đều bị hạn chế về vùng làm việc và tính cơ động khi cần mở rộng diện tích gia công.

II. Phân tích vấn đề và thách thức trong điều khiển hệ

Điều khiển hệ gia công bằng cơ cấu dây băng đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật quan trọng. Bài toán chính là đảm bảo độ chính xác vị trí của đầu gia công khi di chuyển trên mặt phẳng. Mô hình động học và động lực học của hệ thống có tính phi tuyến do đặc tính đàn hồi của dây băng. Sai số truyền động phát sinh từ độ chùng dây, ma sát ròng rọc và biến dạng cơ cấu. Hệ thống còn chịu ảnh hưởng của nhiễu bên ngoài như tải trọng gia công thay đổi, rung động cơ khí. Phương pháp điều khiển PID truyền thống không đáp ứng tốt yêu cầu trong điều kiện hoạt động thực tế. Các thông số của hệ biến đổi theo thời gian và phụ thuộc vào vị trí làm việc. Do đó, cần một phương pháp điều khiển thông minh có khả năng thích nghi với các điều kiện vận hành khác nhau. Logic mờ được lựa chọn vì khả năng xử lý các mô tả ngôn ngữ và tri thức kinh nghiệm của con người.

2.1. Mô hình toán học và đặc tính phi tuyến của hệ thống

Mô hình toán học của hệ gia công dây băng bao gồm phương trình động học và động lực học. Phương trình động học mô tả mối quan hệ giữa vị trí đầu gia công và góc quay của ròng rọc. Phương trình động lực học biểu diễn lực tác dụng lên hệ thống bao gồm lực căng dây, lực quán tính và lực cản. Đặc tính phi tuyến xuất phát từ mối quan hệ phi tuyến giữa lực căng và biến dạng dây băng. Ngoài ra, ma sát Coulomb tại các ròng rọc cũng tạo thành phần phi tuyến. Việc xây dựng mô hình chính xác đòi hỏi xác định đúng các tham số cơ học của hệ thống như độ cứng dây, hệ số ma sát và quán tính ròng rọc.

2.2. Hạn chế của phương pháp điều khiển tuyến tính truyền thống

Phương pháp điều khiển PID tuyến tính truyền thống gặp nhiều hạn chế khi áp dụng cho hệ gia công dây băng. Thứ nhất, các thông số PID được thiết kế cho một điểm làm việc cụ thể không đảm bảo hiệu suất tốt tại các điểm khác. Thứ hai, hệ thống có tính phi tuyến mạnh khiến bộ điều khiển tuyến tính không thể bù trừ đầy đủ sai số. Thứ ba, độ nhạy cảm với nhiễu và dao động tải trọng là vấn đề lớn. Bộ điều khiển tuyến tính cũng không thể tích hợp tri thức kinh nghiệm của người vận hành. Do đó, cần phương pháp điều khiển phi tuyến có khả năng thích nghi và xử lý thông tin không chính xác một cách hiệu quả.

III. Giải pháp điều khiển logic mờ cho hệ gia công dây băng

Logic mờ được áp dụng làm phương pháp điều khiển chính cho hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng. Phương pháp này dựa trên lý thuyết tập mờ của Lotfi Zadeh, cho phép biểu diễn các khái niệm không chính xác bằng hàm thuộc. Hệ thống điều khiển mờ bao gồm ba thành phần chính: phần mờ hóa, cơ sở luật mờ và phần khử mờ. Phần mờ hóa chuyển đổi tín hiệu đầu vào thực thành các biến ngôn ngữ như Sai số Lớn, Sai số Nhỏ, Sai số Âm. Cơ sở luật mờ chứa các luật IF-THEN được xây dựng từ tri thức kinh nghiệm. Phần khử mờ chuyển đổi kết quả mờ thành giá trị thực để điều khiển động cơ. Phương pháp khử mờ sử dụng là phương pháp trọng tâm. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống điều khiển mờ đạt độ chính xác cao hơn so với điều khiển PID truyền thống.

3.1. Cấu trúc hệ thống điều khiển mờ và xây dựng luật mờ

Cấu trúc hệ thống điều khiển mờ được thiết kế với đầu vào là sai số vị trí và tốc độ biến thiên sai số. Đầu ra là tín hiệu điều khiển cho động cơ truyền động. Các biến ngôn ngữ đầu vào được chia thành nhiều mức như Âm Lớn, Âm Nhỏ, Không, Dương Nhỏ, Dương Lớn. Hàm thuộc sử dụng hình thang và hình tam giác. Cơ sở luật mờ bao gồm khoảng 25 quy tắc được xây dựng dựa trên kinh nghiệm điều khiển. Các luật mờ biểu diễn mối quan hệ giữa trạng thái lỗi và hành động điều khiển tương ứng. Việc thiết lập luật mờ đòi hỏi hiểu biết sâu về đặc tính hoạt động thực tế của hệ thống gia công dây băng.

3.2. Quá trình mờ hóa và khử mờ trong bộ điều khiển

Quá trình mờ hóa chuyển đổi giá trị đầu vào crisp thành mức độ thuộc của các tập mờ. Ví dụ, nếu sai số nhiệt độ là một giá trị cụ thể, mờ hóa xác định mức độ phù hợp với các khái niệm Thấp, Trung bình, Cao. Quá trình này sử dụng hàm liên thuộc đã được thiết lập trước. Sau khi áp dụng cơ sở luật mờ, kết quả thu được là tập mờ đầu ra. Quá trình khử mờ chuyển đổi tập mờ này thành giá trị thực. Phương pháp khử mờ trọng tâm tính toán tâm của vùng dưới đồ thị tập mờ kết quả. Giá trị thực này được sử dụng làm tín hiệu điều khiển cho động cơ bước hoặc servo của hệ thống gia công.

IV. Kết luận và triển vọng ứng dụng hệ gia công dây băng

Luận văn đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng với bộ điều khiển logic mờ. Kết quả cho thấy cơ cấu dây băng là giải pháp hiệu quả về chi phí và tính linh hoạt cho gia công bề mặt. Bộ điều khiển mờ đáp ứng tốt yêu cầu về độ chính xác và khả năng chống nhiễu. Hệ thống có ưu điểm vượt trội về khả năng mở rộng vùng làm việc mà không cần thay đổi kết cấu cơ khí lớn. Chi phí chế tạo thấp hơn đáng kể so với hệ thống CNC thương mại.Ứng dụng tiềm năng bao gồm máy khắc gỗ, máy vẽ kỹ thuật, máy sơn tự động và thiết bị giáo dục đào tạo. Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cho việc ứng dụng công nghệ điều khiển thông minh vào các hệ thống gia công giá rẻ tại Việt Nam.

4.1. Kết quả đạt được và đánh giá hiệu suất hệ thống

Kết quả nghiên cứu đạt được bao gồm mô hình toán học hoàn chỉnh của hệ gia công dây băng. Bộ điều khiển logic mờ được thiết kế và mô phỏng thành công trên phần mềm MATLAB Simulink. Hiệu suất hệ thống được đánh giá qua các tiêu chí: sai số vị trí tĩnh nhỏ hơn ngưỡng cho phép, thời gian đáp ứng nhanh và không có hiện tượng dao động quá mức. So sánh với điều khiển PID, bộ điều khiển mờ cho thấy khả năng thích nghi tốt hơn với thay đổi tải trọng. Hệ thống hoạt động ổn định trong toàn bộ vùng làm việc. Kết quả mô phỏng phù hợp với lý thuyết và đáp ứng yêu cầu đặt ra của đề tài nghiên cứu.

4.2. Triển vọng phát triển và ứng dụng thực tiễn

Triển vọng phát triển của hệ gia công dây băng rất đa dạng và phong phú. Trước hết, hệ thống có thể mở rộng quy mô để gia công các bề mặt lớn hơn phục vụ công nghiệp quảng cáo và trang trí nội thất. Thứ hai, tích hợp thêm trục Z để tạo thành hệ thống gia công ba chiều hoàn chỉnh. Thứ ba, ứng dụng trong lĩnh vực giáo dục đào tạo kỹ thuật tại các trường nghề và đại học. Hệ thống cũng có tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp như máy phun thuốc tự động. Nghiên cứu tiếp theo có thể cải tiến bộ điều khiển bằng cách kết hợp mạng nơ-ron nhân tạo để tăng khả năng học hỏi và thích nghi của hệ thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng Quan https://www. com/watch?v=Yy6A3Mif0QY Đối với đường ray 500mm: X-trục: 300mm; Trục Y: 300mm ;Z-trục: 65mm Đối với đường ray 1000mm:X-trục: 800mm Trục Y: 800mm Z- trục: 65mm Động cơ điều khiển các trục dùng DC bước Hệ truyền động dây đay răng hữu hạn: Hạn chế: có khả năng mở rộng nhưng phải thay đổi phần cứng nhiều.2 Các vấn đề khoa học còn tồn tại. Ở hầu hết các công trình nghiên cứu trên đều sử dụng hệ thống cơ khí nặng nề, muốn di chuyển chúng cần phải cung cấp một năng lượng đủ lớn. Do vậy, cần có động cơ công suất đủ lớn để tạo năng lượng cơ học để cung cấp cho hệ.

Do đó, giá thành sản phẩm khá cao. Vả lại, trong nhiều trường hợp đòi hỏi mở rộng diện tích làm việc thì hệ thống này không đáp ứng được, vì các chi tiết cơ khí là hữu hạn. Như vậy, vấn đề đặt ra cần nghiên cứu để giải quyết hiện nay là tạo ra một hệ truyền động có khả năng: - Giảm trọng tải của hệ thống, - Giảm công suất điện tiêu thụ, - Tăng độ chính xác của hệ thống, - Dễ lập trình điều khiển, - Có khả năng mở rộng diện tích khả dụng và hạn chế thay đổi cấu trúc của hệ thống. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Với các vấn đề tồn tại được nêu trên và yêu cầu thực tiễn ngày càng cao về tính tiết kiệm điện năng, độ chính xác cao, giá thành sản phẩm thấp, có tính cơ động cao. Đòi hỏi cần phải có một công trình nghiên cứu để cho ra hệ thống linh hoạt hơn, tiết kiệm hơn trong hoạt động, chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, có độ chính xác cao hơn, làm việc ổn định trong thời gian dài. Luận văn Trang 5 Nguyễn Anh Tuấn Chương 1 Tổng Quan Là một người làm việc trong môi trường kỹ thuật, tác giả vận dụng các kiến thức hiểu biết của mình cùng với việc nghiên cứu thêm tài liệu sách, báo, internet … thực hiện công trình nghiên cứu góp phần giải quyết căn bản các vấn đề vừa nêu. Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu.

Mục tiêu của công trình nghiên cứu là cho ra một hệ thống cơ điện tử có cơ cấu di chuyển trên mặt phẳng được truyền động bằng dây băng ( dây truyền lực), có khả năng mở rộng diện tích làm việc linh hoạt, ít thay đổi về cấu trúc của hệ. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài. Ở công trình nghiên cứu này, tác giả vận dụng các kiến thức cơ khí cơ bản để thiết kế cơ cấu hệ cơ và tìm giải thuật để điều khiển cơ cấu chấp hành nhằm di chuyển theo đúng quỹ đạo định trước trên mặt phẳng khả dụng theo 2 chiều x và y. Riêng chiều z đề tài này chỉ giới hạn trong hai trạng thái on và off.

Sau khi thành công, tác giả sẽ phát triển trục z để trở thành một máy CNC 3 trục hoàn chỉnh. Phương pháp nghiên cứu. Ở đề tài này tác giả thực hiện nghiên cứu theo các phương pháp: Nghiên cứu kiến thức liên quan thông qua sách vở và internet. Tham khảo các công trình nghiên cứu của các tác giả khác trong và ngoài nước.

Gia công thiết kế mô hình thực nghiệm, phục vụ cho công tác nghiên cứu. Luận văn Trang 6 Nguyễn Anh Tuấn Chương 2 Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế Chương 2 GIỚI THIỆU CƠ CẤU VÀ Ý TƯỞNG THIẾT KẾ 2. Yêu cầu hoạt động của cơ cấu Một hệ thống gia công trên mặt phẳng hoạt động theo một quỹ đạo đã được định trước theo yêu cầu gia công. Một hệ cơ cấu chấp hành được dịch chuyển trên một mặt phẳng có một diện tích khả dụng nào đó.

Yêu cầu đặt ra là cơ cấu hệ cơ gia công di chuyển đến vị trí đã được xác định trước một cách tối ưu và chính xác (kỹ thuật). Khi có yêu cầu gia công cho tiết diện lớn hơn, hệ thống có khả năng mở rộng diện tích khả dụng mà hạn chế thay đổi kết cấu của hệ thống và chương trình (linh hoạt). Trong khi đó giá thành nâng cấp hệ thống là thấp nhất (kinh tế) 2. Các kiểu cơ cấu vận hành trước đây 2.

Di chuyển vật gia công trên bệ đỡ của máy Hình 2.1 Di chuyển vật trên bệ đỡ Loại hình này đòi hỏi độ chính xác cơ khí rất cao và hệ cơ khí có kết cấu to khỏe, vững chắc, nhưng nặng nề. Đặc điểm: vật gia công được đặt cố định trên bệ đỡ, muốn di chuyển vật gia công thì phải di chuyển cả hệ thống bệ đỡ. Do đó, động cơ truyền động cần công suất lớn, tiêu tốn nhiều năng lượng. Loại này thường được sử dụng ở các máy gia công bề mặt như: máy bào chi tiết cơ khí, máy phay, máy mài… 2.

Cố định vật gia công, di chuyển cơ cấu chấp hành Luận văn Trang 8 Nguyễn Anh Tuấn Chương 2 Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế Cơ cấu chấp hành di chuyển trên thanh đỡ theo phương X. Hệ thống thanh đỡ cùng cơ cấu di chuyển theo phương Y (hình 2. Hệ thống được truyền động bằng trục vitme trên cả hai phương X và Y như hình 2. 2 Mô hình di chuyển cơ cấu chấp hành Đặc điểm: việc điều khiển cơ cấu chấp hành bằng trục vitme có ưu điểm là khi trục xoay cơ cấu di chuyển điều, độ chính xác phụ thuộc vào bước răng của vitme.

Tuy nhiên, vitme có chiều dài giới hạn nên việc mở rộng thêm khi có nhu cầu thì rất khó, muốn làm được thì phải thay vitme mới. Vả lại, việc xác định chính xác vị trí của cơ cấu chấp hành thường sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo để truyền động cho trục vitme. Do đó, giá thành của hệ thống không những khá cao mà còn đòi hỏi phần mềm chuyên dụng cho CNC. Loại này thường được sử dụng ở các máy gia công bề mặt như máy khắc gỗ, sơn, máy vẽ… trục Vitme ngang TrụcTrục Vitme dọc Hình 2.3ab Di chuyển cơ cấu chấp hành bằng vitme 2.

Di chuyển cơ cấu chấp hành bằng cánh tay robot Luận văn Trang 9 Nguyễn Anh Tuấn Chương 2 Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế Đặc điểm của cơ cấu: Đòi hỏi cơ khí chính xác rất cao, truyền động bằng động cơ bước hay động cơ servo. Không có khả năng mở rộng, lập trình điều khiển Hình 2. 4 Di chuyển cơ cấu tương đối phức tạp. gia công bằng cánh tay robot 2.

Cấu trúc di chuyển bằng dây đay răng Động cơ truyền động theo phương dọc DâyDâydayđay truytruyềnđđộngng Cơ cấu gia công Dây đay truyền động Động cơ truyền động theo phương ngang Đặc điểm: Hệ sử dụng động cơ bước hay động cơ servo, độ chính xác phụ thuộc vào vòng quay động cơ và bước răng của dây đay. Luận văn Trang 10 Nguyễn Anh Tuấn Chương 2 Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế Hệ có khả năng mở rộng nhưng khả năng mở rộng của hệ có giới hạn bởi bán kính của dây đay và hệ đỡ. Nếu cần mở rộng lớn thì phải thay mới dây đay và bệ đỡ khá tốn kém. Nhìn chung, hầu hết các hệ thống trên đều có những điểm mạnh và điểm yếu riêng trong vùng khả dụng của nó.

Thế nhưng tất cả điều bị hạn chế về giới hạn vùng làm việc, không cơ động khi có nhu cầu diện tích lớn hơn, không khả năng mở rộng linh hoạt. Để khắc phục hạn chế này, tác giả giới thiệu hệ dây băng sau đây: 2. Cấu trúc của cơ cấu dây băng Cơ cấu chấp hành gắn chặt left Mô tơ 2 vào dây Giới hạ n top diện tích khả dụng Mô tơ 1 bottom right Mô tơ truyền Các con Một đường Hệ dây động lăn xoay vẽ minh họa truyền động Hình 2. 5 Mô hình hệ truyền động bằng dây băng Đặc điểm của hệ: Đặc điểm nổi bật ở mô hình này là có khả năng mở rộng rất linh hoạt.

Khi mở rộng, dàng. cần di chuyển vị trí các trụ đỡ của hệ thống và thay thế thanh đỡ rất dễ Mặt khác, hệ sử dụng động cơ DC bình thường và dùng PLC điều khiển nên việc lập trình và thay đổi chương trình khá đơn giản. Hệ sử dụng cảm biến khoảng cách quang học để xác định vị trí nên việc điều khiển và ổn tốc độ động cơ không cần phải chính xác, với nhiều ứng dụng có thể bỏ qua ổn tốc động cơ. Luận văn Trang 11 Nguyễn Anh Tuấn Chương 2 Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế 2.

Quy trình làm việc cơ bản của cơ cấu dây băng Hệ băng tải được truyền động bởi chiều quay của hai mô tơ. C A Khi động cơ quay theo B D chiều như hình 2.6, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành di chuyển Hình 2. 6 Hai động cơ chạy ngược chiều theo chiều từ A đến B. Khi động cơ quay theo A C B chiều như hình 2.7, hệ dây kéo D cơ cấu chấp hành di chuyển theo chiều từ B đến A.

7 Hai động cơ chạy ngược chiều vào Khi động cơ quay theo chiều như hình 2.8, hệ dây kéo cơ cấu chấp C A B hành di chuyển theo chiều từ D đến C. 8 Hai động cơ chạy cùng Khi động cơ quay theo chiều như hình 2.9, hệ dây kéo cơ cấu chấp C hành di chuyển theo chiều từ C đến D. 9 Hai động cơ chạy cùng Luận văn Trang 12 Nguyễn Anh Tuấn Chương 2 Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế ACB CB D A B Hình 2. 10 Một động cơ chạy chiều phải Khi một động cơ quay theo chiều như hình 2.10 A, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư DB; 2.10 B, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư AC; A C B A B D D A B Hình 2.

Một động cơ chạy chiều trái Khi một động cơ quay theo chiều như hình 2.11A, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư AD; 2.11B, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư BC. Chọn phương án cho thanh trượt của cơ cấu dây băng Điểm đặc biệt trong cơ cấu trượt cho hệ là hệ số ma sát là nhỏ nhất có thể. Một số hệ trượt cần được tham khảo như sau: Luận văn Trang 13 Nguyễn Anh Tuấn Chương 2 Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế Hệ ống trượt: Cấu tạo gồm một thanh chịu lực tròn Thanh chịu thẳng hay vuông thẳng, nhẵn bóng có hệ số ma sát thấp và một khối trượt được khoan lỗ chính giữa như hình 2. Khi gắn khối Khối trượt trượt vào thanh chịu lực thì nó sẽ trượt theo Hình 2.