Luận văn thạc sĩ về điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu hcmute điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp hoàn thiện trong lĩnh vực .

• 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

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. Chương 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu
• 1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài. Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài. Phương pháp nghiên cứu
• 2. Chương 2: GIỚI THIỆU CƠ CẤU VÀ Ý TƯỞNG THIẾT KẾ
• 2.1. Yêu cầu hoạt động của cơ cấu
• 2.2. Các kiểu cơ cấu vận hành trước đây
• 2.2.1. Di chuyển vật gia công trên bệ đỡ của máy
• 2.2.2. Cố định vật gia công, di chuyển cơ cấu chấp hành
• 2.2.3. Di chuyển cơ cấu chấp hành bằng cánh tay robot
• 2.2.4. Cấu trúc di chuyển bằng dây đay răng
• 2.3. Cấu trúc của cơ cấu dây băng
• 2.4. Quy trình làm việc cơ bản của cơ cấu dây băng
• 2.5. Chọn phương án cho thanh trượt của cơ cấu dây băng
• 2.6. Vấn đề mở rộng cho cơ cấu
• 2.6.1. Mở rộng thanh đỡ
• 2.6.2. Dự trữ dây băng cho mở rộng
• 3. Chương 3: LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ
• 3.1. Tập Mờ Và Các Phép Toán Tập Mờ
• 3.1.1. Tập mờ và thông tin không chắc chắn
• 3.1.2. Khái niệm tập hợp mờ
• 3.1.3. Tập lát cắt của tập mờ
• 3.1.4. Biến ngôn ngữ
• 3.1.5. Các phép tính trên trên tập mờ
• 3.1.5.1. Phép lấy phần bù ~
• 3.1.5.2. Phép tổng và tích đại số của các tập mờ
• 3.1.5.3. Phép tập trung hay phép co
• 3.2. Phép Khử Mờ
• 3.2.1. Phương pháp cực đại trung bình
• 3.2.2. Phương pháp cực đại trung bình có trọng số
• 3.2.3. Phương pháp trọng tâm
• 3.3. Quan Hệ Mờ
• 3.3.1. Khái niệm quan hệ mờ
• 3.3.2. Quan hệ mờ và tri thức dạng luật nếu-thì
• 3.4. Giới thiệu logic mờ
• 3.4.1. Cấu trúc cơ bản
• 3.4.2. Không gian Input - Output
• 3.4.3. Khâu mờ hoá
• 3.4.4. Khâu Giải Mờ
• 3.4.5. Mệnh đề mờ không điều kiện và không bị giới hạn
• 3.4.6. Mệnh đề mờ không điều kiện có giới hạn chân lý
• 3.4.7. Mệnh đề điều kiện không giới hạn chân lý
• 3.4.8. Mệnh đề điều kiện và giới hạn chân lý
• 3.4.9. Các phép toán mệnh đề mờ
• 3.5. Phép Kéo Theo Mờ
• 3.5.1. Phép kéo theo Dienes - Rescher
• 3.5.2. Phép kéo theo Lukasiewicz
• 3.5.3. Phép kéo theo Zadeh
• 3.5.4. Kéo theo Mamdani
• 3.6. Cơ Sở Các Luật Mờ
• 3.7. Luật Mờ Và Phép Nội suy Mờ
• 3.7.1. Định nghĩa luật mờ
• 3.7.2. Luật Modus Ponens hay Modus Tollens
• 3.7.3. Định nghĩa hệ mờ trên cơ sở các luật mờ
• 3.7.4. Hệ nội suy mờ
• 3.7.4.1. Kiến trúc cơ bản của hệ nội suy mờ
• 3.7.4.2. Các bước nội suy mờ
• 3.8. Lý Thuyết Cơ Bản Bộ Điều Khiển Logic Mờ
• 3.8.1. Giới thiệu bộ điều khiển mờ
• 3.8.2. Cấu trúc bộ điều khiển mờ trực tiếp
• 3.8.3. Phân loại bộ điều khiển mờ
• 3.8.4. Thuật toán nội suy mờ tổng quát
• 3.9. Các Ứng Dụng Khác Của Lôgic Mờ
• 4. Chương 4: ĐIỀU KHIỂN HỆ GIA CÔNG TRÊN MẶT PHẲNG BẰNG CƠ CẤU DÂY BĂNG DÙNG LOGIC MỜ
• 4.1. Mục Tiêu Và Thiết Kế
• 4.1.1. Thiết kế ứng dụng
• 4.1.2. Hệ thống tọa độ phối hợp
• 4.1.3. Phân tích thuật toán xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ thống
• 4.2. Định nghĩa biến ngôn ngữ và các thuật ngữ. Xây dựng hàm liên thuộc
• 4.2.1. Các loại hàm phụ thuộc phổ biến
• 4.2.2. Xây dựng hàm liên thuộc cho các hệ mờ cho ngã vào x
• 4.2.3. Xây dựng hàm liên thuộc cho các hệ mờ cho ngã vào y
• 4.2.4. Xây dựng điều kiện cho ngã ra trung gian DIR
• 4.3. Xây dựng các luật mờ. Xây dựng luật cho chiều quay của động cơ
• 4.3.1. Luật mờ cho tốc độ động cơ
• 4.3.1.1. Điều kiện cho việc thay đổi tốc độ động cơ
• 4.3.2. Làm mờ các dữ liệu đầu vào “rõ” thành các giá trị “mờ”
• 4.3.3. Đánh giá các luật trong tập luật
• 4.3.4. Giải mờ dữ liệu đầu ra
• 4.4. Giải thuật điều khiển hệ thống
• 4.5. Các sơ đồ của hệ thống
• 4.5.1. Sơ đồ lắp đặt hệ thống
• 4.5.2. Sơ đồ lắp đặt hệ thống điều khiển bằng PLC S7-200
• 5. Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Kết Quả Đạt Được
• 5.1.1. Hình ảnh mô hình nghiên cứu
• 5.2. Hạn Chế Và Hướng Phát Triển
• Tài Liệu Tham Khảo
• PHỤ LỤC 1: Giới Thiệu PLC S7-200 Sử Dụng Trong Mô Hình
• PHỤ LỤC 2: Giới Thiệu Về Cảm Biến Khoảng Cách Quang Học SHARP
• PHỤ LỤC 3: Chương Trình Điều Khiển Bằng PLC S7-2000

Tóm tắt

I. Tổng quan về hướng nghiên cứu

Nghiên cứu điều khiển hệ gia công mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ gia công hiện đại. Đặc biệt, trong bối cảnh Việt Nam đang trong quá trình công nghiệp hóa, việc phát triển các thiết bị gia công chính xác và hiệu quả là rất cần thiết. Hệ thống điều khiển này không chỉ giúp nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc áp dụng công nghệ điều khiển tự động trong gia công mặt phẳng cho phép tối ưu hóa quy trình sản xuất, từ đó tạo ra sản phẩm có chất lượng cao hơn. Theo đó, việc nghiên cứu và phát triển các mô hình máy công cụ CNC sử dụng cơ cấu dây băng sẽ mở ra nhiều cơ hội cho ngành công nghiệp chế tạo tại Việt Nam.

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh nền kinh tế toàn cầu hóa, việc nâng cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm Việt Nam là rất quan trọng. Hệ thống điều khiển hiện đại giúp cải thiện chất lượng sản phẩm và giảm thời gian sản xuất. Việc áp dụng công nghệ gia công tiên tiến như cơ cấu dây băng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ chính xác trong quá trình gia công mặt phẳng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ngành công nghiệp như điện tử, cơ khí chính xác, nơi mà yêu cầu về độ chính xác và hiệu suất là rất cao.

II. Giới thiệu cơ cấu và ý tưởng thiết kế

Cơ cấu dây băng được thiết kế nhằm mục đích tối ưu hóa quá trình gia công mặt phẳng. Cấu trúc của cơ cấu dây băng cho phép di chuyển linh hoạt và chính xác trên mặt phẳng, đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng công nghiệp hiện đại. Hệ thống này sử dụng cảm biến trong gia công để theo dõi và điều chỉnh vị trí của vật liệu trong quá trình gia công. Việc sử dụng logic mờ trong điều khiển giúp hệ thống có khả năng xử lý các tín hiệu không chắc chắn, từ đó nâng cao hiệu suất và độ chính xác của quá trình gia công. Mô hình này không chỉ đơn thuần là một thiết bị gia công, mà còn là một hệ thống thông minh có khả năng tự động hóa cao.

2.1 Yêu cầu hoạt động của cơ cấu

Yêu cầu chính của cơ cấu dây băng là khả năng di chuyển chính xác và linh hoạt trên mặt phẳng. Hệ thống cần phải có khả năng điều chỉnh tốc độ và chiều quay của động cơ để đảm bảo quá trình gia công diễn ra một cách mượt mà. Ngoài ra, việc tích hợp các cảm biến để theo dõi vị trí và điều kiện làm việc của hệ thống là rất cần thiết. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất gia công mà còn đảm bảo an toàn cho thiết bị và người vận hành. Hệ thống cũng cần phải dễ dàng bảo trì và nâng cấp để đáp ứng các yêu cầu thay đổi trong sản xuất.

III. Lý thuyết và ứng dụng logic mờ

Logic mờ là một công cụ mạnh mẽ trong việc điều khiển các hệ thống phức tạp như hệ thống điều khiển gia công. Việc áp dụng logic mờ cho phép hệ thống xử lý các tín hiệu không chắc chắn và đưa ra quyết định chính xác hơn trong quá trình gia công mặt phẳng. Các biến ngôn ngữ được định nghĩa rõ ràng giúp xây dựng các hàm liên thuộc, từ đó tạo ra các luật mờ cho hệ thống. Điều này không chỉ giúp cải thiện hiệu suất mà còn giảm thiểu sai số trong quá trình gia công. Hệ thống điều khiển dựa trên logic mờ có khả năng tự học và thích ứng với các điều kiện làm việc khác nhau, từ đó nâng cao tính linh hoạt và hiệu quả của quá trình sản xuất.

3.1 Tập mờ và các phép toán tập mờ

Tập mờ là một khái niệm quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống điều khiển thông minh. Các phép toán trên tập mờ cho phép hệ thống xử lý các thông tin không chắc chắn và đưa ra các quyết định dựa trên các luật mờ đã được xác định. Việc áp dụng các phép toán này trong hệ thống điều khiển giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất của quá trình gia công mặt phẳng. Hệ thống có thể tự động điều chỉnh các tham số điều khiển dựa trên các tín hiệu đầu vào, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất.

IV. Điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng dùng logic mờ

Việc điều khiển hệ gia công mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng sử dụng logic mờ là một bước tiến quan trọng trong công nghệ gia công hiện đại. Hệ thống được thiết kế để tự động hóa quá trình gia công, từ việc di chuyển vật liệu đến việc điều chỉnh tốc độ và chiều quay của động cơ. Các luật mờ được xây dựng dựa trên các biến ngôn ngữ giúp hệ thống có khả năng xử lý các tình huống phức tạp trong quá trình gia công. Kết quả cho thấy hệ thống có thể dừng đúng tại các vị trí đã được xác định trước, chứng tỏ tính chính xác và hiệu quả của mô hình.

4.1 Mục tiêu và thiết kế

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển một hệ thống điều khiển có khả năng tự động hóa quá trình gia công mặt phẳng. Thiết kế hệ thống dựa trên các nguyên tắc của logic mờ, cho phép hệ thống xử lý các tín hiệu không chắc chắn và đưa ra quyết định chính xác. Hệ thống cần phải có khả năng mở rộng và dễ dàng bảo trì, từ đó đáp ứng được các yêu cầu thay đổi trong sản xuất. Việc áp dụng công nghệ gia công tiên tiến sẽ giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, đồng thời giảm thiểu chi phí sản xuất.

Nội dung chính

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.

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.

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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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 Luan van 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.