Mô Hình Điều Khiển Hệ Gia Công Trên Mặt Phẳng Bằng Cơ Cấu Dây Băng

Tài liệu nghiên cứu Điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• 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 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 Về Mô Hình Điều Khiển Hệ Gia Công Dây Băng CNC

Trong bối cảnh Việt Nam đang đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, việc ứng dụng các hệ thống tự động hóa vào sản xuất ngày càng trở nên quan trọng. Các hệ thống này giúp nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm, giảm giá thành và giải phóng sức lao động. Tuy nhiên, việc đầu tư các hệ thống tự động hóa hiện đại đòi hỏi chi phí lớn và nguồn nhân lực có trình độ cao. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp tự động hóa hiệu quả, phù hợp với điều kiện Việt Nam là vô cùng cần thiết. Đề tài mô hình điều khiển hệ gia công bằng cơ cấu dây băng CNC hướng đến mục tiêu này, mang lại một giải pháp tiềm năng cho các ứng dụng gia công mặt phẳng. Theo nghiên cứu, công nghệ CNC có giá trị gia tăng sản phẩm cao, chiếm trên 30% giá của máy công cụ.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Tự Động Hóa Trong Sản Xuất Hiện Đại

Tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng lực cạnh tranh của các doanh nghiệp sản xuất. Nó cho phép sản xuất hàng loạt sản phẩm với chất lượng ổn định, giảm thiểu sai sót và tối ưu hóa quy trình. Việc ứng dụng hệ thống điều khiển tự động giúp giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công, giảm chi phí nhân công và tăng tính linh hoạt trong sản xuất. Các ứng dụng cơ cấu dây băng trong tự động hóa đang ngày càng được quan tâm.

1.2. Giới Thiệu Về Cơ Cấu Dây Băng Trong Hệ Gia Công

Cơ cấu dây băng là một giải pháp truyền động tiềm năng cho các hệ gia công, đặc biệt là trong các ứng dụng yêu cầu di chuyển trên mặt phẳng. Ưu điểm của cơ cấu dây băng bao gồm khả năng mở rộng phạm vi làm việc, cấu trúc đơn giản và chi phí tương đối thấp. Việc nghiên cứu mô hình điều khiển cho hệ gia công sử dụng cơ cấu dây băng là một hướng đi đầy hứa hẹn.

II. Thách Thức Yêu Cầu Điều Khiển Hệ Gia Công Dây Băng CNC

Việc điều khiển hệ gia công bằng cơ cấu dây băng đặt ra nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo độ chính xác và ổn định của hệ thống. Cơ cấu dây băng có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như độ căng của dây, độ trượt và độ rung. Do đó, cần có các thuật toán điều khiển hiệu quả để bù trừ các ảnh hưởng này. Ngoài ra, việc thiết kế hệ thống điều khiển phải đảm bảo tính linh hoạt và khả năng thích ứng với các yêu cầu gia công khác nhau. Theo tài liệu, công nghệ CNC đòi hỏi sự tích hợp của công nghệ máy tính, phần cứng và gia công.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Chính Xác Của Hệ Thống

Độ chính xác của hệ gia công sử dụng cơ cấu dây băng chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm độ căng của dây băng, độ trượt giữa dây băng và puly, độ rung của hệ thống và sai số của các cảm biến. Việc phân tích và bù trừ các yếu tố này là rất quan trọng để đạt được độ chính xác mong muốn. Cần chú trọng đến thiết kế cơ cấu dây băng để giảm thiểu các ảnh hưởng tiêu cực.

2.2. Bài Toán Điều Khiển Chuyển Động Chính Xác Với Dây Băng

Bài toán điều khiển chuyển động chính xác cho hệ gia công bằng cơ cấu dây băng đòi hỏi việc xây dựng các thuật toán điều khiển phức tạp. Các thuật toán này phải có khả năng điều khiển tốc độ và vị trí của hệ thống một cách chính xác, đồng thời bù trừ các sai số và nhiễu. Các phương pháp điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu có thể được áp dụng để giải quyết bài toán này.

2.3. Ổn Định Hệ Thống Khả Năng Chịu Tải Của Cơ Cấu

Đảm bảo sự ổn định của hệ thống điều khiển và khả năng chịu tải của cơ cấu dây băng là những yêu cầu quan trọng. Hệ thống phải có khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khác nhau và chịu được tải trọng gia công. Việc lựa chọn vật liệu và thiết kế kết cấu phù hợp là rất quan trọng để đáp ứng các yêu cầu này. Cần xem xét đến vật liệu chế tạo và kết cấu cơ khí của hệ thống.

III. Phương Pháp Điều Khiển Logic Mờ Cho Hệ Gia Công Dây Băng

Phương pháp điều khiển mờ là một giải pháp tiềm năng cho việc điều khiển hệ gia công bằng cơ cấu dây băng. Điều khiển mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn và không chính xác, đồng thời dễ dàng tích hợp các kinh nghiệm và kiến thức của các chuyên gia. Việc áp dụng điều khiển mờ có thể giúp cải thiện độ chính xác, ổn định và tính linh hoạt của hệ thống. Theo luận văn, phương pháp điều khiển cho hệ dựa trên nền tảng của logic mờ.

3.1. Ưu Điểm Của Điều Khiển Mờ Trong Ứng Dụng Này

Điều khiển mờ có nhiều ưu điểm so với các phương pháp điều khiển truyền thống trong ứng dụng hệ gia công bằng cơ cấu dây băng. Điều khiển mờ có khả năng xử lý các thông tin không chắc chắn và không chính xác, dễ dàng tích hợp các kinh nghiệm và kiến thức của các chuyên gia, và có thể đạt được hiệu suất điều khiển tốt ngay cả khi mô hình hệ thống không hoàn toàn chính xác. Cần tìm hiểu sâu về điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu.

3.2. Xây Dựng Mô Hình Toán Học Thuật Toán Điều Khiển Mờ

Việc xây dựng mô hình toán học và thuật toán điều khiển mờ là bước quan trọng trong việc áp dụng phương pháp điều khiển mờ cho hệ gia công bằng cơ cấu dây băng. Mô hình toán học giúp mô tả hành vi của hệ thống, trong khi thuật toán điều khiển mờ xác định cách điều khiển hệ thống dựa trên các luật mờ và các hàm liên thuộc. Cần chú trọng đến phần mềm mô phỏng để kiểm tra và tối ưu hóa thuật toán.

3.3. Các Bước Triển Khai Hệ Thống Điều Khiển Mờ Thực Tế

Việc triển khai hệ thống điều khiển mờ thực tế đòi hỏi việc lựa chọn phần cứng điều khiển phù hợp, xây dựng giao diện người dùng thân thiện và thực hiện các thử nghiệm và điều chỉnh để đảm bảo hiệu suất điều khiển tốt. Cần chú trọng đến việc lựa chọn cảm biến và bộ điều khiển phù hợp với yêu cầu của hệ thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Kết Quả Nghiên Cứu Mô Hình Điều Khiển

Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng một mô hình điều khiển cho hệ gia công trên mặt phẳng sử dụng cơ cấu dây băng. Mô hình này được thiết kế để có khả năng mở rộng mặt phẳng gia công theo yêu cầu thực tế, đồng thời giảm thiểu sự can thiệp vào chương trình điều khiển. Kết quả cho thấy hệ thống có khả năng dừng chính xác tại các vị trí đặt trước, mở ra tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Theo tóm tắt, hệ gia công đã dừng đúng tại các vị trí đặt trước trong mặt phẳng khả dụng.

4.1. Mô Tả Chi Tiết Mô Hình Thử Nghiệm Thiết Bị Sử Dụng

Mô tả chi tiết về mô hình thử nghiệm, bao gồm cấu trúc cơ cấu dây băng, các thành phần phần cứng điều khiển (ví dụ: động cơ, cảm biến, bộ điều khiển), và các thông số kỹ thuật quan trọng. Cần cung cấp hình ảnh và sơ đồ mạch điện để minh họa rõ hơn về thiết kế cơ cấu dây băng.

4.2. Đánh Giá Độ Chính Xác Ổn Định Của Hệ Thống

Đánh giá độ chính xác và ổn định của hệ thống điều khiển thông qua các thử nghiệm thực tế. Các chỉ số đánh giá có thể bao gồm sai số vị trí, độ lặp lại, thời gian đáp ứng và độ ổn định khi chịu tải. Cần so sánh kết quả với các phương pháp điều khiển khác để đánh giá hiệu quả của phương pháp điều khiển mờ.

4.3. Các Ứng Dụng Tiềm Năng Của Mô Hình Trong Công Nghiệp

Liệt kê các ứng dụng thực tế tiềm năng của mô hình điều khiển trong công nghiệp, ví dụ như gia công mạch in, khắc laser, vẽ tự động, và các ứng dụng khác yêu cầu di chuyển chính xác trên mặt phẳng. Cần phân tích hiệu quả kinh tế và tính khả thi của việc ứng dụng mô hình trong các lĩnh vực này.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Mô Hình Điều Khiển Dây Băng CNC

Nghiên cứu này đã trình bày một mô hình điều khiển hiệu quả cho hệ gia công bằng cơ cấu dây băng sử dụng phương pháp điều khiển mờ. Kết quả cho thấy mô hình có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều hướng phát triển để nâng cao hiệu suất và tính linh hoạt của hệ thống. Theo kết luận, tác giả đã nghiên cứu tìm ra một thiết bị sản xuất có các đặc tính tương đương với thiết bị hiện có nhưng ưu thế hơn về giá đầu tư ban đầu, tính năng cơ động, chương trình điều khiển…

5.1. Tóm Tắt Những Kết Quả Đạt Được Đóng Góp Của Nghiên Cứu

Tóm tắt những kết quả đạt được trong nghiên cứu, bao gồm việc xây dựng mô hình điều khiển, thiết kế cơ cấu dây băng, và đánh giá hiệu suất của hệ thống. Nêu rõ những đóng góp của nghiên cứu so với các công trình nghiên cứu trước đó. Cần nhấn mạnh đến tính ứng dụng và xu hướng phát triển của mô hình.

5.2. Các Hạn Chế Của Mô Hình Giải Pháp Khắc Phục

Chỉ ra các hạn chế của mô hình điều khiển, ví dụ như độ chính xác, tốc độ, khả năng chịu tải, và các yếu tố khác. Đề xuất các giải pháp khắc phục để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Cần xem xét đến bảo trì định kỳ và sửa chữa để đảm bảo tuổi thọ của hệ thống.

5.3. Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Để Hoàn Thiện Hệ Thống

Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo để hoàn thiện hệ thống điều khiển, ví dụ như áp dụng các thuật toán điều khiển thích nghi và điều khiển tối ưu, tích hợp các cảm biến thông minh, và phát triển các ứng dụng mới. Cần chú trọng đến công nghệ chế tạo và vật liệu chế tạo để nâng cao hiệu suất 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 Trục Trục Vitme Vitmedọc 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 tương đối phức tạp. 4 Di chuyển cơ cấu gia công bằng cánh tay robot 2. Cấu trúc di chuyển bằng dây đay răng Động cơ truyền động theo phương dọc Dây Dây đay day truyềnđộng truyền động Dây đay Cơ cấu gia công 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 Mô tơ 2 vào dây left Giới hạn diện tích top khả dụng Mô tơ 1 bottom right Mô tơ truyền động Các con Một đường Hệ dây 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, cần di chuyển vị trí các trụ đỡ của hệ thống và thay thế thanh đỡ rất dễ dàng.

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.

A C B Khi động cơ quay theo chiều D như hình 2.6, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành di chuyển theo chiều từ A đến Hình 2. 6 Hai động cơ chạy ngược chiều B. ra Khi động cơ quay theo chiều A C B như hình 2.7, hệ dây kéo cơ cấu D 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 hành di C A B 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 hành di chuyển C A B 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 A C B A C B D 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; C 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.