Luận văn: Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển số cho máy công nghiệp

Tài liệu nghiên cứu Phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển số công nghiệp mang tính hệ thống, nâng cao năng lực chuyên môn ứng dụng trong giảng dạy

• Tác giả: Nguyễn Văn Thành
• Người hướng dẫn: TS. Bùi Quí Lực
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Cơ Khí - Máy và dụng cụ công nghiệp
• Đề tài: Phân tích đánh giá năng tính hệ thống điều khiển số trong công nghiệp. Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống điều khiển số tương ứng với máy công nghiệp hiện nay
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2005
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Điều Khiển Số Công Nghiệp

Hệ thống điều khiển số (CNC - Computerized Numerical Control) là một trong những công nghệ quan trọng nhất trong ngành công nghiệp hiện đại. Các máy công cụ điều khiển số được sử dụng rộng rãi để gia công các chi tiết phức tạp với độ chính xác cao. Sự phát triển của công nghệ thông tin và kỹ thuật vi điện tử đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng hệ thống điều khiển số trong các linh vực công nghiệp cơ khí, hoá chất, chế biến thực phẩm, dệt may và y tế. Những máy công cụ CNC hiện nay không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn tăng hiệu suất sản xuất đáng kể. Việc nắm vững phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển số là yêu cầu cấp thiết đối với các kỹ sư và chuyên gia công nghiệp.

1.1. Khái Niệm Về Điều Khiển Số

Điều khiển số là quá trình sử dụng các tín hiệu số để điều khiển vị trí, tốc độ và các thông số khác của máy công cụ. Hệ thống này sử dụng máy tính để xử lý dữ liệu và gửi lệnh đến các bộ điều khiển chuyển động. Công nghệ CNC cho phép tự động hoá hoàn toàn quá trình gia công, từ việc đọc dữ liệu đầu vào đến điều khiển trực tiếp vị trí các trục.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Điều Khiển Số

Trong thực tế, hệ thống điều khiển số được áp dụng trong máy phay CNC, máy tiện CNC, máy khoan tự động và nhiều máy công cụ khác. Các ứng dụng này giúp sản xuất các sản phẩm có chất lượng cao, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của thị trường. Việc sử dụng công nghệ điều khiển số đã thay thế phương pháp sản xuất thủ công truyền thống.

II. Phân Tích Các Thành Phần Của Hệ Thống Điều Khiển Số

Phân tích hệ thống điều khiển số đòi hỏi hiểu biết sâu về các thành phần cơ bản tạo nên hệ thống này. Một hệ thống điều khiển số hoàn chỉnh bao gồm các bộ phận chính như bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ lưu trữ chương trình, các cảm biến vị trí, bộ khuếch đại tín hiệu, và các động cơ servo hoặc stepper. Mỗi thành phần đều đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống. Phân tích chi tiết từng thành phần giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động của máy công cụ CNC và có thể tối ưu hoá hiệu suất hoạt động của chúng.

2.1. Bộ Xử Lý Trung Tâm Và Bộ Nhớ

Bộ xử lý trung tâm (CPU) là 'trái tim' của hệ thống điều khiển số, chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu và thực thi các lệnh. Bộ nhớ lưu trữ các chương trình gia công (G-code) và dữ liệu tính toán. Công nghệ xử lý hiện đại cho phép tính toán nhanh chóng, đảm bảo chuyển động mịn mà của các trục máy.

2.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Bộ Khuếch Đại

Cảm biến vị trí (encoders, sensors) đo lường vị trí chính xác của các trục máy. Bộ khuếch đại tín hiệu chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành công suất điện cần thiết. Các thành phần này đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công chi tiết.

III. Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Số Cho Máy Công Nghiệp

Thiết kế hệ thống điều khiển số là một quá trình phức tạp đòi hỏi kiến thức sâu về kỹ thuật điều khiển, điện tử và cơ khí. Khi thiết kế hệ thống điều khiển cho một máy công nghiệp cụ thể, cần phải xem xét các yêu cầu về chính xác, tốc độ, độ tin cậy và khả năng bảo trì. Quy trình thiết kế bao gồm phân tích yêu cầu kỹ thuật, lựa chọn các thành phần phù hợp, mô phỏng và kiểm chứng. Đặc biệt, thiết kế hệ thống điều khiển cho máy phay CNC và máy tiện CNC cần tính đến các chuyển động phức tạp của bàn máy và trục chính để đảm bảo chất lượng gia công.

3.1. Các Bước Thiết Kế Cơ Bản

Thiết kế hệ thống điều khiển bắt đầu từ phân tích kỹ thuật các chuyển động chính của máy công cụ. Tiếp theo là lựa chọn bộ điều khiển, động cơ, và cảm biến thích hợp. Mô phỏng hệ thống giúp xác minh tính đúng đắn của thiết kế trước khi thi công thực tế.

3.2. Tối Ưu Hoá Hiệu Suất Hệ Thống

Sau khi thiết kế hệ thống điều khiển, cần tiến hành các bài kiểm tra thực nghiệm để tối ưu hoá thông số. Điều chỉnh các tham số PID và các tham số khác giúp cải thiện độ chính xác điều khiển và tốc độ phản ứng của hệ thống.

IV. Những Thách Thức Và Triển Vọng Phát Triển

Hiện nay, Việt Nam vẫn còn những hạn chế trong việc sản xuất máy công cụ điều khiển số phức tạp. Mặc dù nhiều doanh nghiệp đã đầu tư hệ thống điều khiển số, nhưng mức độ nắm bắt và khai thác công nghệ còn chưa tối ưu. Chúng ta vẫn thiếu những chuyên gia có khả năng xử lý cả phần cứng lẫn phần mềm của hệ thống điều khiển. Để phát triển được công nghệ điều khiển số trong nước, cần tăng cường đào tạo nhân lực, nghiên cứu khoa học, và hợp tác quốc tế. Triển vọng phát triển của hệ thống điều khiển số tại Việt Nam là rất lớn, đặc biệt trong bối cảnh công nghiệp 4.0 đang phát triển mạnh mẽ.

4.1. Những Hạn Chế Hiện Tại

Hệ thống điều khiển số ở Việt Nam chủ yếu được nhập khẩu từ nước ngoài. Thiếu khả năng sản xuất máy công cụ CNC đặc thù theo yêu cầu địa phương. Nhân lực chuyên gia về phân tích và thiết kế hệ thống điều khiển còn hạn chế.

4.2. Cơ Hội Và Hướng Phát Triển

Công nghiệp 4.0 tạo nhu cầu lớn cho hệ thống điều khiển số tiên tiến hơn. Đầu tư vào đào tạo kỹ sư chuyên về thiết kế hệ thống điều khiển sẽ giúp Việt Nam nâng cao năng lực công nghiệp. Hợp tác với các trường đại học hàng đầu để nghiên cứu công nghệ điều khiển số là hướng đi đúng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực công nghệ thông tin và kỹ thuật vi điện tử, các máy móc thiết bị điều khiển số ngày càng đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các linh vực đời sống xã hội: công nghiệp cơ khí, hoá chất, chế biến thực phẩm, dệt may, y tế, .việc ứng dụng các thiết bị điều khiến số đã tạo ra những sản phẩm có chất l-gng cao đáp ứng những đồi hỏi khắt khe của thị tr- ờng, điều mà tr-đc dây với những máy mốc thông th- dng với bàn tay đơn thuần của ng- ời thợ không thể làm ra đ- ợc. Ý thức đ- ợc điều này, vài năm trở lại đây nhiều đoanh nghiệp Việt Nam đã tích cực đầu I- các thiết bị điều Khiển số cho cơ sở sẵn xuất của mình nhất là các doanh nghiệp có vốn đầu t- n- ớc ngoài. Nhiều tr- ong đại học, cao đẳng cũng đã đ- a vào ch- ong trình giảng dạy các thiết bị điều khiển số. Tuy nhiên, mức độ nắm bắt làm chủ thiết bị của chúng ta còn hạn chế nhiều khi ch- a khai thác hết khả năng công nghệ của thiết bị dẫn tới hiệu quả đấu t- không cao.

Chúng ta ch- a sản xuất ra d-ợc những máy công cụ diều khiển số phức tạp, chứng ta cũng cồn thiếu những chuyên gia có khả năng xử lý phần cứng cũng nh- phẩn mềm của hệ thống điều khiến, điều mã trong những năm tới chúng ta phải nỗ lực phấn đấu Dé tài " Phân tích đánh giá năng tính hệ thống điều khiển số trong công nghiệp. Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống điều khiển số t- ong ứng với máy công nghiệp hiện nay" h- óng vào nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển số cho nấy gia công kim loại tấm mà cụ thể ở đây là hệ thống điều khiển số cho máy đột đập CÍNC phù hợp với điều kiện thực tế và con ng- ði Việt Nam Cấu trúc của luận văn gồm 3 ch- ơng, ch- ơng I giới thiệu tổng quan về CNC, quá trình phát triển của công nghệ CNC trên thế giới và thực trạng tại Việt Nam, các thiết bị CNC. Ch- ong 2 phân tích cấu trúc diều khiển của máy dat dap CNC CP-1250 của hãng Tailift, Đài Loan hiện đang có tai tr- Ing Cao đẳng Công nghiệp II Nội, đánh giá khả năng công nghệ của thiết bị. Ch- ong 3 Thiết kế hệ điểu khiển cho máy đột đập CNC theo điều kiện thực tế của Việt 2.5 Đột biên theo cung tròn với lệnh G88 44 2.6 Đột các lỗ nằm trên đ- ờng tròn với lệnh G26 46 2.7 Đột các lỗ nằm trên d- ờng thẳng nghiêng với lénh G76 aT 2.

Đột các lỗ nằm trên cung trồn với lệnh (ï77 49 2.10 Đột biên với chày chữ nhật G86 32 2.2,11 Đột theo mảng với lệnh G78 (theo h- ổng trục X) 34 2.12 Đột theo mảng với lệnh G79 (theo h- 6ng true Y) 36 2.13 Di chuyển vị trí tay kẹp tự động với lệnh G75 59 2.14 Chức năng đột nhiều chỉ tiết giống nhan trên tấm phôi G98 60 3.3 Phân tích cấu trúc điều khiến của máy đột dập CNC CP-1250 68 3.1 Hệ thống dịch chuyển phối 68 3.2 Hệ thống thay đổi chày cối đột 7 3. Hệ thống diểu khiển ổ quay tự động T4 3.4 Tệ thống điều khiển trục chính 76 Ch- ơng3: Thiết kế hệ thống điều khiển ruáy đội dập CNC 3.L Phân tích hệ điều khiển 83 3.2 Khối giao tiếp RS 232 83 3.4 Khối mạch công suất 84 3.5 Khối cảm biến 84 3.2 Ưu điểm của VB 85 3.3 Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính. 85 3,3 Khối vi điểu khiển 94 MỞ ĐẦU Những năm gần đây với sự phát triển mạnh mẽ của lĩnh vực công nghệ thông tin và kỹ thuật vi điện tử, các máy móc thiết bị điều khiển số ngày càng đ-ợc sử dụng rộng rãi trong các linh vực đời sống xã hội: công nghiệp cơ khí, hoá chất, chế biến thực phẩm, dệt may, y tế, .việc ứng dụng các thiết bị điều khiến số đã tạo ra những sản phẩm có chất l-gng cao đáp ứng những đồi hỏi khắt khe của thị tr- ờng, điều mà tr-đc dây với những máy mốc thông th- dng với bàn tay đơn thuần của ng- ời thợ không thể làm ra đ- ợc. Ý thức đ- ợc điều này, vài năm trở lại đây nhiều đoanh nghiệp Việt Nam đã tích cực đầu I- các thiết bị điều Khiển số cho cơ sở sẵn xuất của mình nhất là các doanh nghiệp có vốn đầu t- n- ớc ngoài.

Nhiều tr- ong đại học, cao đẳng cũng đã đ- a vào ch- ong trình giảng dạy các thiết bị điều khiển số. Tuy nhiên, mức độ nắm bắt làm chủ thiết bị của chúng ta còn hạn chế nhiều khi ch- a khai thác hết khả năng công nghệ của thiết bị dẫn tới hiệu quả đấu t- không cao. Chúng ta ch- a sản xuất ra d-ợc những máy công cụ diều khiển số phức tạp, chứng ta cũng cồn thiếu những chuyên gia có khả năng xử lý phần cứng cũng nh- phẩn mềm của hệ thống điều khiến, điều mã trong những năm tới chúng ta phải nỗ lực phấn đấu Dé tài " Phân tích đánh giá năng tính hệ thống điều khiển số trong công nghiệp. Trên cơ sở đó thiết kế hệ thống điều khiển số t- ong ứng với máy công nghiệp hiện nay" h- óng vào nghiên cứu, thiết kế hệ thống điều khiển số cho nấy gia công kim loại tấm mà cụ thể ở đây là hệ thống điều khiển số cho máy đột đập CÍNC phù hợp với điều kiện thực tế và con ng- ði Việt Nam Cấu trúc của luận văn gồm 3 ch- ơng, ch- ơng I giới thiệu tổng quan về CNC, quá trình phát triển của công nghệ CNC trên thế giới và thực trạng tại Việt Nam, các thiết bị CNC.

Ch- ong 2 phân tích cấu trúc diều khiển của máy dat dap CNC CP-1250 của hãng Tailift, Đài Loan hiện đang có tai tr- Ing Cao đẳng Công nghiệp II Nội, đánh giá khả năng công nghệ của thiết bị. Ch- ong 3 Thiết kế hệ điểu khiển cho máy đột đập CNC theo điều kiện thực tế của Việt qua các giai đoạn : #% Công nghệ thủ công + Công nghệ cơ khí hoá với sự ra dời của ngành chế tạo mầy công cụ #® ‘lit tu động hoá cơ khí sang tự động hoá có sự trợ giúp của máy vi tính (CNC). Sau đây là những 1nốc quan trọng của quá trình phát triển máy cÔng cụ điều khiển s6(CNC= computerized Numerical control), n6 gan liễn với quá trình phái triểu của công nghệ điện tử và tin học. + Năm 1808: JOSEPB NUAC QUARD đã dùng những tấm tôn đục lỗ điều khiển tự động các máy dệt.

+ Năm 1863: MO URNLAUX phát minh “Đàn d- ơng cầm tự động” nổi tiếng thế giới với tên gọi là PIANNOI. Trong đó dùng một băng giấy có chiều rộng 30 em d- ợc dục lỗ theo vị trí t- ơng thích dễ diều khiển luồng khí nén tác động vào các phũn bấm cơ khí. Bang giấy đục lỗ dũng làm vật mang tỉa đã đ- ợc phát minh. JOHNW MAUCHLY va Dr.

JSPRESPER ECKERT da phat minh ra mấy tính điện tử đầu tiên có tên là “ENIAC” cho quân đội Mỹ đ- ợc ứng dụng. + Năm 1948 - 1952 LPARSON và viện công nghệ MIT. (Masachusetts institute of “Iechnology) đã nghiên cứu thiết kể theo hợp đồng của không quân Mỹ (US Al2 một hệ thống điều khiển dành cho máy công cụ. Để điều khiển trực tiếp vị trí của các trục vít me thông qua đữ liệu dầu ra của một máy tính bằng chứng cho khả năng gia công một chỉ tiết T.

PARSON dã đ- a ra 4 luận điểm cơ bản 1- Những vị trí dã d- ợc tính ra trên một biên dạng d- ợc ghi nhớ vào bìa dục lỗ. 2- Các bìa dục lỗ đ- ợc đọc trên rnáy một cách tự động 3- Các vị trí đã đuợc đọc ra phải đ- ợc thông báo một cách liên tục và bổ sung thêm tính toán cho các giá † trung gian.5 Đột biên theo cung tròn với lệnh G88 44 2.6 Đột các lỗ nằm trên đ- ờng tròn với lệnh G26 46 2.7 Đột các lỗ nằm trên d- ờng thẳng nghiêng với lénh G76 aT 2. Đột các lỗ nằm trên cung trồn với lệnh (ï77 49 2.10 Đột biên với chày chữ nhật G86 32 2.2,11 Đột theo mảng với lệnh G78 (theo h- ổng trục X) 34 2.12 Đột theo mảng với lệnh G79 (theo h- 6ng true Y) 36 2.13 Di chuyển vị trí tay kẹp tự động với lệnh G75 59 2.14 Chức năng đột nhiều chỉ tiết giống nhan trên tấm phôi G98 60 3.3 Phân tích cấu trúc điều khiến của máy đột dập CNC CP-1250 68 3.1 Hệ thống dịch chuyển phối 68 3.2 Hệ thống thay đổi chày cối đột 7 3. Hệ thống diểu khiển ổ quay tự động T4 3.4 Tệ thống điều khiển trục chính 76 Ch- ơng3: Thiết kế hệ thống điều khiển ruáy đội dập CNC 3.L Phân tích hệ điều khiển 83 3.2 Khối giao tiếp RS 232 83 3.4 Khối mạch công suất 84 3.5 Khối cảm biến 84 3.2 Ưu điểm của VB 85 3.3 Các kí hiệu trong sơ đồ thuật toán.4 Sơ đồ thuật toán khối máy tính.

85 3,3 Khối vi điểu khiển 94 3.1 Giới thiệu về họ 8051 và chip AT89C5x của hãng ATMIE 94 3.2 Cấu trúc vi điều khiển 8051 96 3.3 Cấu trúc bên trong vi diều khiển 100 3.4 Hoạt dộng '[ïmer của 8051 và các thanh ghi SHR của ‘Timer 101 3.5 Hoạt dộng của POR T nối tiếp trong 8051 105 3.6 Hoạt động ngất của 8051 107 3.7 Giới thiệu về lập trình C++ cho vi điểu khiển 110 3.8 Sơ đồ thiết ke mach MCU 117 3.9 T~u đồ thuật toán khối MCU 118 3.4 Khối giao tiếp với máy tính 120 3.1 Giới thiệu về các giao tiếp 120 3.2 Giới thiệu về cổng COM 121 3.3 Sơ đồ chan clla IC MAX 232 122 3.4 So dé thiét ké mach khdi giao tiép RS232 122 3.5 Khối động cơ và mạch công suất: 122 3.1 Sơ đồ thiết kế mạch công suất cho động cơ trục X và trục ÝY 125 3.1 Sơ đồ mạch công suất cho động cơ Irục X 125 3.2 Sơ đồ mạch công suất động cơ trục Ý 125 3.2 Nguyên lí hoạt động của mạch công suất. 126 KẾT LUẬN 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO 128 3.1 Giới thiệu về họ 8051 và chip AT89C5x của hãng ATMIE 94 3.2 Cấu trúc vi điều khiển 8051 96 3.3 Cấu trúc bên trong vi diều khiển 100 3.4 Hoạt dộng '[ïmer của 8051 và các thanh ghi SHR của ‘Timer 101 3.5 Hoạt dộng của POR T nối tiếp trong 8051 105 3.6 Hoạt động ngất của 8051 107 3.