Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam, việc ứng dụng các hệ thống tự động hóa trong sản xuất ngày càng trở nên thiết yếu nhằm nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và giảm sức lao động con người. Theo báo cáo của ngành, các thiết bị gia công tự động hiện đại như máy CNC chiếm trên 30% giá trị của máy công cụ, thể hiện vai trò quan trọng trong công nghệ sản xuất. Tuy nhiên, các hệ thống CNC truyền thống thường sử dụng cơ cấu truyền động vitme hoặc dây đay răng với hạn chế về khả năng mở rộng diện tích làm việc, chi phí đầu tư cao và tiêu thụ năng lượng lớn.

Luận văn thạc sĩ của Nguyễn Anh Tuấn tập trung nghiên cứu và phát triển hệ điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng sử dụng cơ cấu dây băng, nhằm khắc phục các nhược điểm của các hệ truyền động truyền thống. Mục tiêu cụ thể là thiết kế một hệ thống cơ điện tử có khả năng mở rộng linh hoạt diện tích làm việc, tiết kiệm năng lượng, giảm trọng tải và chi phí đầu tư, đồng thời đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thiết kế và điều khiển hệ cơ cấu di chuyển trên mặt phẳng hai chiều (x, y), với ứng dụng tại các dây chuyền gia công cơ khí, phun sơn, khoan mạch điện tử tại Việt Nam.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một giải pháp điều khiển mới dựa trên logic mờ, giúp nâng cao tính cơ động, dễ dàng mở rộng diện tích làm việc mà không cần thay đổi nhiều về kết cấu cơ khí. Điều này góp phần thúc đẩy phát triển công nghệ CNC nội địa, giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu thiết bị đắt tiền, đồng thời hỗ trợ nâng cao năng lực sản xuất trong các ngành cơ khí chính xác và tự động hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai nền tảng lý thuyết chính: cơ cấu truyền động dây băng và lý thuyết logic mờ.

  1. Cơ cấu truyền động dây băng: Đây là mô hình truyền động sử dụng hai động cơ DC điều khiển chiều quay và tốc độ để kéo dây băng làm di chuyển cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng. Cơ cấu này có ưu điểm nổi bật là khả năng mở rộng linh hoạt diện tích làm việc bằng cách điều chỉnh vị trí các trụ đỡ và thanh đỡ, đồng thời giảm trọng lượng và công suất tiêu thụ so với các hệ truyền động vitme hay dây đay răng truyền thống.

  2. Logic mờ (Fuzzy Logic): Được phát triển từ lý thuyết tập mờ của L. Zadeh, logic mờ cho phép xử lý các thông tin không chắc chắn, không rõ ràng bằng cách sử dụng các biến ngôn ngữ và hàm liên thuộc. Trong nghiên cứu, logic mờ được áp dụng để xây dựng bộ điều khiển cho hệ truyền động dây băng, bao gồm các bước: mờ hóa tín hiệu đầu vào, xây dựng luật mờ, giải mờ và khử mờ để điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ. Các khái niệm chính gồm tập mờ, biến ngôn ngữ, hàm liên thuộc, phép toán trên tập mờ, luật mờ IF-THEN và bộ điều khiển logic mờ.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện theo các bước sau:

  • Thu thập dữ liệu và nghiên cứu tài liệu: Tổng hợp kiến thức từ sách vở, báo cáo ngành, các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ truyền động CNC và logic mờ.

  • Thiết kế mô hình cơ cấu dây băng: Gia công và lắp đặt mô hình thực nghiệm hệ truyền động dây băng với hai động cơ DC, hệ thống cảm biến khoảng cách quang học SHARP để xác định vị trí cơ cấu chấp hành trên mặt phẳng.

  • Xây dựng bộ điều khiển logic mờ: Định nghĩa các biến ngôn ngữ đầu vào (vị trí x, y, sai số góc lệch), xây dựng hàm liên thuộc dạng tam giác và hình thang, thiết lập tập luật mờ điều khiển chiều quay và tốc độ động cơ, sử dụng ngôn ngữ lập trình PLC S7-200 của Siemens để triển khai thuật toán điều khiển.

  • Phân tích và đánh giá kết quả: Thực hiện các thử nghiệm vận hành mô hình, thu thập dữ liệu vị trí dừng của cơ cấu chấp hành, so sánh với vị trí đặt trước để đánh giá độ chính xác và hiệu quả điều khiển.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được tiến hành trong khoảng thời gian từ năm 2015 đến tháng 4 năm 2016, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh và các cơ sở thực nghiệm tại tỉnh Long An.

Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình thực nghiệm với hai động cơ DC và hệ thống dây băng, phương pháp chọn mẫu là mô hình thiết kế theo yêu cầu kỹ thuật và khả năng mở rộng. Phương pháp phân tích chủ yếu là phân tích định tính kết hợp với số liệu thực nghiệm đo đạc vị trí và tốc độ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Khả năng mở rộng diện tích làm việc linh hoạt: Mô hình cơ cấu dây băng cho phép mở rộng diện tích làm việc bằng cách điều chỉnh vị trí các trụ đỡ và thanh đỡ, không cần thay đổi cấu trúc cơ khí phức tạp. Việc dự trữ dây băng với các rulo di động và lò xo căng dây giúp duy trì lực căng ổn định, đảm bảo hoạt động trơn tru khi mở rộng. Theo ước tính, diện tích làm việc có thể tăng lên nhiều lần so với hệ truyền động vitme truyền thống mà không cần thay đổi phần mềm điều khiển.

  2. Độ chính xác cao trong định vị: Kết quả vận hành mô hình cho thấy hệ gia công dừng đúng tại các vị trí đặt trước trên mặt phẳng với sai số góc lệch nhỏ, dưới 0.1 mm, tương đương hoặc tốt hơn các hệ CNC hiện có. Việc sử dụng cảm biến khoảng cách quang học SHARP giúp xác định vị trí chính xác, kết hợp với bộ điều khiển logic mờ xử lý tín hiệu đầu vào và ra hiệu quả.

  3. Tiết kiệm năng lượng và giảm trọng tải: Hệ thống sử dụng động cơ DC công suất nhỏ hơn so với động cơ servo hoặc động cơ bước trong các hệ truyền động truyền thống, nhờ giảm ma sát cơ học với hệ trượt vòng bi và thanh trượt vuông. Điều này giúp giảm tiêu thụ điện năng và chi phí đầu tư ban đầu.

  4. Tính linh hoạt trong lập trình và điều khiển: Bộ điều khiển logic mờ được xây dựng trên nền tảng PLC S7-200 cho phép dễ dàng thay đổi luật điều khiển và chương trình, giảm thiểu can thiệp phần cứng khi mở rộng hoặc nâng cấp hệ thống. So với các hệ CNC truyền thống, việc chỉnh sửa chương trình ít phức tạp hơn, giúp rút ngắn thời gian bảo trì và nâng cấp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các kết quả tích cực trên xuất phát từ việc kết hợp hiệu quả giữa cơ cấu truyền động dây băng linh hoạt và bộ điều khiển logic mờ có khả năng xử lý thông tin không chắc chắn, phù hợp với các biến đổi thực tế trong quá trình vận hành. So với các nghiên cứu trước đây sử dụng vitme hoặc dây đay răng, hệ dây băng giảm đáng kể chi phí cơ khí và năng lượng tiêu thụ, đồng thời tăng khả năng mở rộng diện tích làm việc.

Kết quả này phù hợp với các báo cáo ngành về xu hướng phát triển máy CNC nhẹ, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng mở rộng. Việc áp dụng logic mờ giúp khắc phục hạn chế của các phương pháp điều khiển truyền thống phụ thuộc mô hình toán học chính xác, vốn khó xây dựng trong môi trường có nhiều nhiễu và biến đổi tải.

Dữ liệu kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ sai số vị trí dừng so với vị trí đặt trước, bảng so sánh công suất tiêu thụ giữa các loại động cơ và biểu đồ thể hiện khả năng mở rộng diện tích làm việc theo số lượng rulo dự trữ dây băng. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng ưu thế của hệ thống trong thực tế ứng dụng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai ứng dụng thực tế trong các dây chuyền gia công cơ khí và điện tử: Khuyến nghị các doanh nghiệp cơ khí, xưởng sản xuất mạch điện tử áp dụng hệ điều khiển dây băng để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí đầu tư và tiêu thụ năng lượng. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do phòng kỹ thuật và đội ngũ vận hành phối hợp.

  2. Phát triển mở rộng trục Z để hoàn thiện máy CNC 3 trục: Tiếp tục nghiên cứu và tích hợp trục Z điều khiển bằng logic mờ để nâng cao tính năng gia công đa chiều, mở rộng ứng dụng trong gia công phức tạp. Dự kiến hoàn thành trong 12-18 tháng, do nhóm nghiên cứu và kỹ sư tự động hóa thực hiện.

  3. Nâng cao độ chính xác và ổn định hệ thống bằng cải tiến cảm biến và thuật toán điều khiển: Đề xuất sử dụng cảm biến khoảng cách có độ phân giải cao hơn và phát triển thuật toán logic mờ kết hợp học máy để tối ưu hóa điều khiển tốc độ và vị trí. Thời gian nghiên cứu 9-12 tháng, do phòng nghiên cứu và phát triển công nghệ đảm nhận.

  4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ cho các cơ sở sản xuất trong nước: Tổ chức các khóa đào tạo về thiết kế, vận hành và bảo trì hệ thống điều khiển dây băng cho cán bộ kỹ thuật tại các trường nghề và doanh nghiệp. Thời gian triển khai 6 tháng, do trường đại học phối hợp với các cơ sở sản xuất thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và nhà thiết kế cơ khí, tự động hóa: Luận văn cung cấp kiến thức về thiết kế cơ cấu truyền động dây băng và ứng dụng logic mờ trong điều khiển, giúp họ phát triển các hệ thống gia công tự động linh hoạt, tiết kiệm năng lượng.

  2. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử và cơ điện tử: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về lý thuyết tập mờ, logic mờ và ứng dụng thực tiễn trong điều khiển tự động, hỗ trợ nghiên cứu và giảng dạy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất cơ khí và điện tử: Các nhà quản lý và kỹ thuật viên có thể áp dụng giải pháp điều khiển dây băng để nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí đầu tư và bảo trì.

  4. Các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ CNC trong nước: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và mô hình thực nghiệm để phát triển các hệ thống CNC nội địa, góp phần làm chủ công nghệ và giảm sự phụ thuộc vào nhập khẩu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ truyền động dây băng có ưu điểm gì so với vitme và dây đay răng?
    Hệ dây băng có khả năng mở rộng diện tích làm việc linh hoạt, trọng lượng nhẹ, tiêu thụ năng lượng thấp hơn và chi phí đầu tư ban đầu thấp. Ví dụ, việc mở rộng chỉ cần điều chỉnh trụ đỡ và dây băng mà không phải thay thế toàn bộ cơ cấu.

  2. Logic mờ được áp dụng như thế nào trong điều khiển hệ thống?
    Logic mờ xử lý các tín hiệu đầu vào không chính xác hoặc có nhiễu bằng cách mờ hóa, áp dụng luật IF-THEN mờ và giải mờ để ra tín hiệu điều khiển động cơ. Điều này giúp hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện thực tế biến động.

  3. Độ chính xác của hệ thống điều khiển dây băng đạt được bao nhiêu?
    Theo kết quả thực nghiệm, hệ thống đạt độ chính xác vị trí dừng dưới 0.1 mm, tương đương với các hệ CNC hiện đại, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật gia công chính xác.

  4. Có thể mở rộng hệ thống này cho gia công 3 trục không?
    Có thể. Luận văn đề xuất phát triển trục Z điều khiển bằng logic mờ để hoàn thiện máy CNC 3 trục, mở rộng ứng dụng trong gia công phức tạp hơn.

  5. Chi phí đầu tư và vận hành hệ thống như thế nào?
    Hệ thống sử dụng động cơ DC công suất nhỏ và PLC phổ biến, chi phí đầu tư thấp hơn nhiều so với động cơ servo và bộ điều khiển CNC chuyên dụng. Vận hành tiết kiệm năng lượng và dễ bảo trì, phù hợp với các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Kết luận

  • Đã thiết kế và xây dựng thành công mô hình hệ gia công trên mặt phẳng sử dụng cơ cấu dây băng với khả năng mở rộng linh hoạt diện tích làm việc.
  • Áp dụng logic mờ trong điều khiển giúp xử lý hiệu quả các tín hiệu không chắc chắn, nâng cao độ chính xác và ổn định vận hành.
  • Hệ thống tiết kiệm năng lượng, giảm trọng tải và chi phí đầu tư so với các hệ truyền động truyền thống.
  • Kết quả thực nghiệm cho thấy độ chính xác vị trí dừng đạt dưới 0.1 mm, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật gia công chính xác.
  • Đề xuất phát triển mở rộng trục Z và nâng cao thuật toán điều khiển để hoàn thiện máy CNC 3 trục, đồng thời khuyến nghị ứng dụng rộng rãi trong sản xuất công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và cơ sở nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu nâng cao tính năng và mở rộng ứng dụng của hệ thống điều khiển dây băng. Để biết thêm chi tiết và hỗ trợ kỹ thuật, liên hệ với nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.