Chương 1: TỔNG QUAN 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay lĩnh vực gia công cơ khí ở Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt là gia công cắt gọt sử dụng các máy tiện, phay CNC. Các yêu cầu về sản phẩm như dung sai, độ đồng tâm, chất lượng bề mặt ngày một cao hơn. Ví dụ gia công trục có kích thước 8+0.001 0 , đầu tiên người ta sử dụng máy tiện và thực hiện gia công theo quy trình tiện thô, tiện bán tinh, tiện tinh nhưng vẫn không đạt được dung sai 0.001mm nguyên nhân chính do các chi tiết máy gia công thường được liên kết với nhau bằng các khớp nối truyền thống: khớp bản lề, khớp tịnh tiến, khớp cầu,… mà điểm hạn chế của các loại khớp này là tồn tại các khe hở giữa các chi tiết của khớp nối, các khe hở này sẽ gây ra sai số truyền động cỡ 10-3mm (micron).
Mặc khác, lực ma sát sinh ra giữa các chi tiết khác nhau của khớp sẽ gây mài mòn làm cho kích thước khe hở này tăng lên theo thời gian từ đó làm giảm chất lượng sản phẩm gia công cũng như hoạt động của máy. Vì vậy thông thường để đạt dung sai 10-3mm người ta thay dao tiện bằng đá mài hoặc phải tháo chi tiết và gắn lại trên máy mài. Khi đó ta đã thay đổi chuẩn gia công dẫn đến những sai lệch về kích thước cũng như độ đồng tâm. Để khắc phục nhược điểm trên nhóm nghiên cứu đưa ra giải pháp sử dụng thêm một bàn ăn dao phụ gắn trên bàn dao chính, bàn dao này tạo ra chuyển động trong nguyên công gia công siêu tinh làm cho chiều sâu cắt sẽ nhỏ lại dưới 10-3mm chi tiết sẽ đạt được dung sai như khi gia công bằng phương pháp mài.
Bàn dao này gồm nguồn dẫn động là cơ cấu chấp hành áp điện Piezo truyền động qua cơ cấu đàn hồi để tạo ra các chuyển động với độ phân giải cỡ 10-3mm. Cơ cấu đàn hồi này với ưu điểm tạo ra chuyển động có độ chính xác cao, chịu tải lớn, ít bị rung động. Hiện nay nhóm nghiên cứu đã thiết kế được các cơ cấu đàn hồi truyền động cho bàn ăn dao đáp ứng được các yêu cầu cắt gọt kim loại, tuy nhiên do đặc tính trễ 1 phi tuyến (Hysteresis) của cơ cấu chấp hành Piezo (Hình 1.1) nên việc điều khiển vòng hở gây ra sai số và mất ổn định hệ thống.1: Đường đặc tuyến trễ phi tuyến của cơ cấu chấp hành Piezo 1. Tổng quan kết quả nghiên cứu liên quan Đã có nhiều đề tài nghiên cứu, các bài báo khoa học của các tác giả ngoài nước về điều khiển vị trí nghiên cứu điều khiển cơ cấu chấp hành piezo để tạo ra chuyển động có độ phân giải cỡ micron thậm chí là nanometer của máy móc, thiết bị thuộc các lĩnh vực: y học, gia công chính xác, lắp ráp chính xác,… Các đề tài tập trung nghiên cứu bù khâu trễ phi tuyến Hysteresis.
Có 2 phương pháp được các tác giả tiếp cận để giải quyết vấn đề trên: (1) Mô hình toán khâu trễ phi tuyến Hysteres (gần đúng) sử dụng các thuật toán cần có mô hình toán chính xác để điều khiển, (2) Sử dụng các mô hình toán loại bỏ khâu trễ sử dụng các thuật toán bù trễ để điều khiển. Các kết quả nghiên cứu nước ngoài Từ những năm 80, 90 thế kỉ XX, có nhiều đề tài điều khiển vị trí cơ cấu chuyển động cỡ micron, nanometer sử dụng cơ ấu chấp hành Piezo. Các tác giả đã sử dụng 2 nhiều lý thuyết điều khiển từ cổ điển đến điều khiển hiện đại để nâng cao độ chính xác vị trí cơ cấu như: Điều khiển cơ cấu gia công siêu chính xác trên máy tiện CNC của D. Wonronko [2] sử dụng giải thuật SMC (Sliding Mode Controller); Martin Byung-Guk Jun [3] dùng PID, điều khiển đặt điểm cực,… Các nghiên cứu này mô hình toán hệ thống, sau đó tìm bộ điều khiển dựa trên mô hình toán, sau đó thực nhiệm kiểm chứng các bộ điều khiển đã tìm được.
Tác giả Brian Jeffrey Kenton [19] áp dụng các giải thuật open-loop smooth inputs, PID feedback, discrete-time repetitive control implemented using FPGA hardware, model-based feedforward control để điều khiển cơ cấu chuyển động Piezo ứng dụng trong kính hiển vi theo 2 chiều. Luận văn thạc sĩ của tác giả Marwan Nafea Minjal [13] sử dụng Matlab Simulink để mô hình hóa hệ thống dự trên mô hình Bouc-Wen, sau đó dùng thuật toán PSO để chỉnh định thông số của bộ điều khiển PID. Đề tài không có mô hình thật mà chỉ tập trung mô phỏng, sau đó so sánh chất lượng bộ điều khiển với các nghiên cứu khác. Một số hãng đã bán ra thị trường cơ cấu chấp hành Piezo các bộ điều khiển cho ví dụ Thorlabs, Piezomechanik, Norliac,… Tuy nhiên loại cơ cấu chấp hành này chỉ mới phổ biến với nhưng chủng loại điều khiển không hồi tiếp (Open-loop control).
Các chủng loại điều khiển có hồi tiếp (Close-loop control) chưa có nhiều, giới hạn về hành trình và lực đẩy, đồng thời có giá thành đắt hơn rất nhiều lần so với các chủng loại không hồi tiếp. Các kết quả nghiên cứu trong nước Hiện nay trong nước đã có các nghiên cứu về cơ cấu chuyển động cỡ micron Piezo: 3 Năm 2008, Tác giả Phạm Huy Hoàng, Trần Văn Thùy [14] đã thiết kế và mô phỏng được hoạt động của cơ cấu đàn hồi\mềm bằng phần mềm ANSYS. Nhóm tác giả Phạm Huy Hoàng, Phạm Huy Tuân, Nguyễn Văn Khiển ứng dụng cơ cấu đàn hồi để chế tạo bàn ăn dao máy tiện CNC [7], [11]. Các đề tài chủ yếu tập trung nghiên cứu thiết kế tối ưu cơ cấu đàn hồi/mềm, chưa áp dụng các giải thuật để điều khiển chính xác vị trí của bàn dao.
Tác giả Đặng Hoàng Chương [12] đã khảo sát rất kỹ lưỡng đặc tính chuyển vị của cơ cấu chấp hành piezo, trong đó quan trọng nhất là hiện tượng trễ phi tuyến hysteresis. Trong đề tài tác giả đã tổng hợp nhiều cách để mô hình hóa được hiện tượng hysteresis như các mô hình: Preisach, Krasnosel’skii-Pokrovskii, Prandtl Ishlinskii, Duhem, Bouc – Wen, Jilec – Atherton,… Tác giả điều khiển góc quay một cơ cấu sử dụng cơ cấu mềm và có cấu chấp hành Piezo với bộ điều khiển PID. Gần đây khoảng 2019 đến nay nhóm tác giả Nguyễn Ngọc Sơn, Trần Minh Chính & Hồ Phạm Huy Anh [15], nhận dạng đặc tính trễ phi tuyến của cơ cấu chấp hành Piezo dùng trí tuệ nhân tạo (mạng nơ rôn và thuật toán tối ưu). Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Chế tạo các mạch điện tử chuyển đổi tín hiệu để thu thập dữ liệu và điều khiển chuyển vị của mô hình cơ cấu bàn dao phụ máy tiện bằng board STM32F407 DISCOVERY.
Khảo sát được đặc tính chuyển vị cỡ micron của cơ cấu bàn dao phụ máy tiện. Thiết kế được điều khiển PID vòng kín cho mô hình bàn dao phụ máy CNC chuyển vị cỡ micron. Nghiên cứu ứng dụng thuật toán NSGA-II trong việc tối ưu hóa bộ điều khiển PID. 4 Điều khiển được mô hình bàn dao phụ máy tiện chuyển vị cỡ micron 1.
Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài 1. Nhiệm vụ đề tài Tìm hiểu nguyên lý hoạt động bàn dao gồm cơ cấu chấp hành Piezo và cơ cấu đàn hồ/mềm. Chọn lựa thiết bị điện như cảm biến, board điều khiển, mạch chuyển đổi tín hiệu,…để điều khiển và giám sát của mô hình bàn dao. Kết nối được các thành phần thiết bị cơ khí, điện trong mô hình để điều khiển chuyển vị bàn dao.
Thực hiện được thí nghiệm khảo sát được đặc tính chuyển vị của cơ cấu chấp hành piezo, cơ cấu đàn hồi/mềm. Nhúng được chương trình giám sát và điều khiển mô hình từ Matlab Simulink lên board mạch số STM32F407DISCOVERY. Thiết kế bộ điều khiển PID bằng thuật toán NSGA-II để điều khiển cơ cấu chấp hành Piezo sai số mỉcron. Tiến hành thử nghiệm trên mô hình để tìm ra bộ điều khiển tối ưu.
Giới hạn đề tài Đề tài tập trung điều khiển vị trí mô hình bàn dao phụ máy tiện, chuyển vị với độ phân giải micron. Bàn dao được kết nối với bàn thí nghiệm để tiến hành thử nghiệm thuật toán điều khiển ở trạng thái không tải (không gia công chi tiết). Phương pháp nghiên cứu: Thu thập, tổng hợp tài liệu, thông tin về các giải thuật điều khiển cơ cấu chấp hành áp điện piezo thông qua các bài báo khoa học, luận văn trong và ngoài nước. Kế thừa kết quả của các nghiên cứu kết hợp với đặc điểm mô hình hiện có để đưa ra phương án điều khiển phù hợp.
5 Thực nghiệm, thu thập dữ liệu so sánh, đánh giá chất lượng các bộ điều khiển, từ đó tìm ra bộ điều khiển tối ưu. 6 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Cơ cấu chấp hành áp điện Piezo 2. Lịch sử ra đời của vật liệu áp điện Piezo Hiệu ứng áp điện được phát hiện ra vào năm 1817 do các nhà vật lý người Pháp sau đó được anh em Jaques và Pierre Curie nghiên cứu chi tiết.
Họ phát hiện ra rằng khi tác động áp lực làm biến dạng một số tinh thể thì tinh thể đó sẽ tích điện. Ngược lại nếu cấp điện áp cho tinh thể, thì tinh thể sẽ biến dạng. (ví dụ: Thạch anh dùng tạo dao động cho vi điều khiển) Tuy nhiên ứng dụng của hiện tượng trên vẫn còn hạn chế. Đến thế chiến thứ 1 năm 1917, Paul Langevin và đồng nghiệp đã phát triển một máy dò tàu ngầm siêu âm.
Trong những thập niên tiếp theo các vật liệu áp điện được tìm ra càng nhiều và các ứng dụng ngày càng rộng rãi ví dụ các máy đo độ nhớt, độ đàn hồi của vật liệu; máy đo lỗ hổng bên trong kim loại hay đất đá. Vào những năm 1930, sự phát triển của tụ gốm dựa trên Bari Titanat (BaTiO3) đã dẫn đến những nền tảng quyết định sự phát triển ứng dụng tính áp điện ví dụ: bộ lọc piezoceramic cho radio và TV, bộ rung Piezo và bộ chuyển đổi âm thanh có thể kết nối trực tiếp với các mạch điện tử, và bộ đánh lửa áp điện, tạo ra tia lửa cho hệ thống đánh lửa động cơ nhỏ và bật lửa gas, bằng cách nén đĩa gốm. Ứng dụng vật liệu áp điện Piezo Do hiệu ứng áp điện nên vật liệu áp điện Piezo có thể được sử dụng là cơ cấu chấp hành hoặc cảm biến. Cảm biến: Microphones Cảm biến áp suất Cảm biến lực … Cơ cấu chấp hành: 7 Động cơ piezo Van Loa Cơ cấu chuyển vị nhỏ ….