Báo cáo tổng kết đề tài khoa học và công nghệ cấp cơ sở do Đại học Đà Nẵng quản lý: Nghiên cứu chế tạo mô hình bàn máy CNC điều khiển vị trí bằng động cơ thủy lực

1<br /> <br /> 2<br /> <br /> BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> <br /> BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO<br /> <br /> ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG<br /> <br /> ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG<br /> <br /> BÁO CÁO TỔNG KẾT<br /> <br /> BÁO CÁO TỔNG KẾT<br /> <br /> ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ<br /> <br /> ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP CƠ SỞ<br /> <br /> DO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUẢN LÝ<br /> <br /> DO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG QUẢN LÝ<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH BÀN MÁY CNC ĐIỀU<br /> KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC<br /> <br /> Mã số: Đ2013-02-55<br /> <br /> NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH BÀN MÁY CNC ĐIỀU<br /> KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG ĐỘNG CƠ THỦY LỰC<br /> <br /> Mã số: Đ2013-02-55<br /> <br /> Xác nhận của Cơ quan chủ trì đề tài<br /> (ký, họ và tên, đóng dấu)<br /> <br /> Chủ nhiệm đề tài: ThS. Trần Ngọc Hải<br /> <br /> Đà Nẵng, 12/ 2013<br /> Đà Nẵng, 12/ 2013<br /> <br /> Chủ nhiệm đề tài<br /> (ký, họ và tên)<br /> <br /> 1<br /> MỞ ĐẦU<br /> 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI<br /> Máy CNC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và trong các<br /> trường đại học, cao đẳng kỹ thuật. Hiện nay, các máy trên chủ yếu là<br /> nhập ngoại. Trong những năm gần đây có nhiều đề tài nghiên cứu và<br /> dự án sản xuất máy CNC. Tuy nhiên, các nghiên cứu mới chỉ thiên về<br /> nghiên cứu ứng dụng, trên cơ sở tích hợp các phần tử mua từ nước<br /> ngoài. Mặt khác, một số máy được chế tạo hiện nay chủ yếu bàn máy<br /> truyền động và điều khiển bằng động cơ điện một chiều, động cơ<br /> điện AC servo, loại truyền động này phù hợp với những máy có công<br /> suất nhỏ và trung bình. Còn với những máy có công suất lớn và cần<br /> kết cấu gọn thì nhiều hãng nước ngoài đã ứng dụng hệ truyền động<br /> và điều khiển thủy lực. Ở Việt Nam lĩnh vực này còn mới mẻ nên<br /> việc nghiên cứu này là hết sức cần thiết.<br /> 2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI<br /> Mục tiêu của đề tài này là nghiên cứu lý thuyết, khảo sát đáp ứng<br /> vị trí của bàn máy CNC truyền động bằng động cơ thủy lực, chế tạo<br /> mô hình bàn máy CNC truyền động và điều khiển bằng thủy lực,<br /> khảo sát đáp ứng vị trí của bàn máy trên mô hình thực nghiệm nhằm<br /> nâng cao khả năng nghiên cứu chuyên sâu cũng như góp phần nâng<br /> cao chất lượng đào tạo và nghiên cứu khoa học cho sinh viên, học<br /> viên cao học thuộc các chuyên ngành Chế tạo máy và Cơ điện tử.<br /> 3. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC<br /> LĨNH VỰC CỦA ĐỀ TÀI<br /> 3.1. Ngoài nước<br /> <br /> 2<br /> Các công ty sản xuất máy CNC trên thế giới. Tuy nhiên, không có<br /> tài liệu nào được công bố về nghiên cứu động lực học của bàn máy<br /> CNC truyền động và điều khiển hệ thủy lực.<br /> 3.2. Trong nước<br /> Hiện nay, nhiều đề tài nghiên cứu và dự án sản xuất máy CNC như<br /> ở trường Đại học Bách khoa Hà Nội, trường Đại học Bách khoa Tp<br /> HCM, viện máy công cụ (IM),..nhưng bàn máy truyền động và điều<br /> khiển bằng động cơ điện một chiều, động cơ điện AC servo mà chưa<br /> ứng dụng động cơ thủy lực.<br /> Các đề tài liên quan được công bố:<br /> - Đề tài: “Nghiên cứu điều khiển quá trình động lực học cụm<br /> truyền động môtơ thủy lực - vít me bi tạo chuyển động tịnh tiến”, đề<br /> tài cấp Bộ của chủ nhiệm PGS.TS Trần Xuân Tùy, năm 2001;<br /> - Bài báo: “Mô hình toán của hệ điều khiển tự động của môtơ thủy<br /> lực khi sử dụng Proprotional - valve”, của tác giả PGS.TS Trần<br /> Xuân Tùy. Tập san Khoa học và Công nghệ, Đại học Đà Nẵng, năm<br /> 1998;<br /> - Bài báo: “Mô hình điều khiển tốc độ môtơ thủy lực khi sử dụng<br /> van Servo”, của tác giả PGS.TS Trần Xuân Tùy. Tuyển tập các công<br /> trình khoa hoc, Hội nghị khoa học toàn quốc về Cơ kỹ thuật, năm<br /> 2001;<br /> - Bài báo: “Nghiên cứu động lực học của cụm bàn dao máy CNC<br /> truyền động bằng thủy lực, khi tính đến khối lượng của dầu và rôto<br /> của môtơ thủy lực”, của nhóm tác giả Trần Xuân Tùy, Trần Ngọc<br /> Hải. Tuyển tập báo cáo khoa học tại hội nghị toàn quốc lần thứ 4 về Cơ<br /> điện tử, 2008.<br /> 4. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU<br /> 4.1. Đối tượng nghiên cứu<br /> <br /> 3<br /> Cụm bàn máy CNC điều khiển bằng động cơ thủy lực<br /> 4.2. Phạm vi nghiên cứu<br /> Xây dựng mô hình nghiên cứu; Thiết lập mô hình tính toán mô tả<br /> hệ; Lập chương trình tính toán và các kết quả của chương trình mô<br /> phỏng; nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm.<br /> 5. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> 5.1. Cách tiếp cận<br /> Lý thuyết và thực nghiệm<br /> 5.2. Phương pháp nghiên cứu<br /> Đề tài sử dụng các phương pháp mô hình hoá, sử dụng lý thuyết<br /> điều khiển tự động và phương pháp số để giải bài toán động lực học<br /> <br /> 4<br /> Chương 1: TỔNG QUAN<br /> 1.1. NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG<br /> 1.1.1. Khả năng ứng dụng của hệ điều khiển tự động thủy lực<br /> Tự động hóa quá trình sản xuất và tự động hóa quá trình công<br /> nghệ là yêu cầu bức thiết của quá trình chuyển tiếp từ cách mạng<br /> khoa hoc - kỹ thuật sang cách mạng khoa học - công nghệ từ nửa<br /> cuối thế kỷ 20 và tự động hóa công nghệ cao của thế kỷ 21.<br /> Để công nghiệp hóa và hiện đại hóa nền kinh tế Việt Nam trong<br /> tương lai tới thì trình độ công nghệ của sản xuất phải được đánh giá<br /> bằng chỉ tiêu công nghệ tiên tiến và tự động hóa. Chỉ tiêu công nghệ<br /> tiên tiến và tự động hóa được thể hiện qua các dây chuyền sản xuất tự<br /> <br /> trên máy vi tính; khảo sát trên mô hình thực nghiệm và so sánh.<br /> <br /> động như dây chuyền chế biến thực phẩm, các máy tự động gia công<br /> <br /> 6. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU<br /> <br /> sản phẩm nhựa, máy công cụ điều khiển theo chương trình số,...<br /> <br /> - Nghiên cứu lý thuyết về điều khiển tự động thủy lực;<br /> - Xây dựng mô hình bàn máy CNC truyền động bằng động cơ thủy<br /> lực;<br /> <br /> Góp phần vào quá trình đó, kỹ thuật truyền động và điều khiển hệ<br /> thủy lực đã phát triển mạnh ở các nước công nghiệp. Kỹ thuật này<br /> được ứng dụng để truyền động cho những cơ cấu có công suất lớn,<br /> <br /> - Khảo sát đáp ứng vị trí của bàn máy trên máy vi tính;<br /> <br /> thực hiện điều khiển logic cho các thiết bị hoặc dây chuyền thiết bị tự<br /> <br /> - Lắp ráp mô hình thực nghiệm bàn máy CNC truyền động và điều<br /> <br /> động, đặc biệt nhờ khả năng truyền động được vô cấp mà nó được<br /> <br /> khiển bằng thủy lực;<br /> <br /> ứng dụng để điều khiển vô cấp tốc độ, tải trọng và vị trí của cơ cấu<br /> <br /> - Sử dụng ngôn ngữ C và phần mềm Visual Basic để thiết kế giao<br /> <br /> chấp hành. Hiện nay, hệ thủy lực được sử dụng để điều khiển các<br /> <br /> diện, kết nối mô hình thực nghiêm với máy vi tính và khảo sát các<br /> <br /> thiết bị như máy ép điều khiển số, rôbot công nghiệp, máy CNC hoặc<br /> <br /> đáp ứng vị trí của bàn máy CNC trên mô hình thực nghiệm.<br /> <br /> trong các dây chuyền sản xuất tự động.<br /> Ở Việt Nam, kỹ thuật điều khiển tự động thủy lực đã bước đầu<br /> được áp dụng trong những dây chuyền tự động, trong các máy điều<br /> khiển theo chương trình số (CNC). Tuy nhiên, đây là một lĩnh vực<br /> còn rất mới mẻ, cần nghiên cứu phát triển và áp dụng một cách có<br /> hiệu quả, thiết thực hơn.<br /> <br /> 6<br /> <br /> 5<br /> 1.2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG<br /> 1.2.1. Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động<br /> <br /> Chương 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU CỤM BÀN<br /> MÁY CNC ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ BẰNG ĐỘNG CƠ<br /> <br /> 1.2.1.1. Khái niệm chung;<br /> 1.2.1.2. Đáp ứng quá độ<br /> 1.2.1.3. Tín hiệu tác động và phản ứng của hệ<br /> <br /> THỦY LỰC<br /> 2.1. MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU<br /> <br /> 1.2.2. Chất lượng của hệ thống điều khiển tự động<br /> 1.2.2.1 Ổn định của hệ thống điều khiển tự động<br /> 1.2.2.2. Tiêu chuẩn ổn định<br /> <br /> Y<br /> <br /> 1.2.2.3. Sai số điều khiển<br /> <br /> Sóng trượt<br /> <br /> 1.2.2.4. Các chỉ tiêu chất lượng của đáp ứng quá độ<br /> <br /> nt<br /> <br /> Cảm biến đo<br /> góc<br /> Bộ truyền đai răng<br /> <br /> 1.2.2.5. Các phương pháp số thông dụng<br /> <br /> Bàn máy<br /> <br /> 1.2.3. Chức năng và hàm truyền của bộ điều khiển PID<br /> 1.2.4. Bộ điều khiển mờ (Fuzzy)<br /> 1.3. NHẬN XÉT<br /> Giới thiệu tổng quan khả năng ứng dụng của hệ điều khiển tự<br /> <br /> Vít me bi<br /> X<br /> <br /> động thủy lực vào các máy CNC và một số cơ cấu đã được dùng<br /> trong bàn máy CNC.<br /> Tổng hợp cơ sở lý thuyết điều khiển tự động: hàm truyền, lý<br /> <br /> Động cơ thủy lực<br /> <br /> thuyết Laplace, đại số sơ đồ khối, đáp ứng quá độ, tín hiệu tác động,<br /> phản ứng của hệ và chất lượng của hệ thống điều khiển tự động…Lý<br /> thuyết này nhằm phục vụ nghiên cứu lý thuyết động lực học máy và<br /> phương pháp số để lập chương trình tính toán.<br /> <br /> Máy vi tính<br /> <br /> Bộ điều<br /> khiển<br /> D/<br /> A<br /> A/<br /> D<br /> <br /> Van tỷ lệ<br /> <br /> Hình 2.1. Mô hình bàn máy CNC<br /> <br /> Mô hình bàn máy CNC được thể hiện trên hình 2.1 có 2 trục dịch<br /> chuyển X và Y. Tuy nhiên, trong giới hạn của đề tài chỉ nghiên cứu<br /> điều khiển vị trí trục X của cụm bàn máy CNC, truyền động bằng<br /> động cơ thủy lực thể hiện ở hình 2.2. Để điều khiển động cơ thủy lực<br /> <br /> 7<br /> <br /> 8<br /> <br /> ta sử dụng van tỷ lệ. Thiết bị đo vị trí dịch chuyển của bàn máy được<br /> <br /> X<br /> <br /> sử dụng thông qua cảm biến đo góc quay và cảm biến này nhận tín<br /> hiệu vị trí của trục vít me bi thông qua bộ truyền đai răng (phương<br /> pháp đo này hiện cũng được dùng nhiều trong các máy CNC)<br /> λ<br /> <br /> C<br /> <br /> Ω<br /> <br /> D0<br /> m<br /> <br /> Q<br /> <br /> θ<br /> <br /> Q<br /> <br /> x Cảm biến đo<br /> góc quay<br /> <br /> Vít me-đai ốc bi (bước tx)<br /> <br /> Bộ điều khiển<br /> <br /> E<br /> <br /> Bộ điều<br /> khiển<br /> <br /> I<br /> <br /> Cụm van + động cơ<br /> thủy lực<br /> <br /> F<br /> <br /> E<br /> <br /> Ω<br /> <br /> F<br /> <br /> + U<br /> <br /> X<br /> Vít me bi + bàn máy<br /> <br /> Cảm biến đo góc quay<br /> <br /> Hình 2.2. Sơ đồ mạch điều khiển<br /> <br /> 2.2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN<br /> 2.2.1. Mô hình tính toán: Mô hình tính toán được thiết lập trên cơ<br /> sở là hệ tuyến tính, trong đó có tính đến biến dạng đàn hồi của dầu,<br /> tổn thất lưu lượng trong hệ truyền động thủy lực. Ma sát và giá trị<br /> mômen quán tính khối lượng trên trục động cơ thủy lực là các giá trị<br /> thu gọn từ bàn máy và giá trị trên rôto của động cơ thủy lực. Trục vít<br /> me bi được coi là cứng vững tuyệt đối, bộ truyền đai răng coi như<br /> một khâu khuếch đại (do tải rất nhỏ nên gần như không có đàn hồi).<br /> Mô hình phân tích được thể hiện trên hình 2.3.<br /> <br /> b<br /> <br /> J<br /> θ<br /> Động cơ thủy lực<br /> <br /> I<br /> <br /> I<br /> <br /> tx<br /> Van tỷ lệ<br /> <br /> Hình 2.3. Mô hình phân tích động lực học<br /> 2<br /> <br /> x<br /> <br /> Van tỷ lệ<br /> <br /> Ω<br /> Dm<br /> Q<br /> <br /> m<br /> <br /> KC<br /> <br /> U<br /> <br /> λ<br /> <br /> X<br /> <br /> Ω<br /> θ<br /> <br /> fm<br /> <br /> V<br /> 2B<br /> <br /> Q<br /> <br /> tx<br /> <br /> J2<br /> <br /> I<br /> I<br /> <br /> θ<br /> b2<br /> <br /> X<br /> Động cơ thủy lực<br /> p<br /> <br /> fm<br /> <br /> Ω<br /> <br /> p<br /> <br /> m<br /> <br /> 2<br /> t <br /> t<br /> b 2 = f m . x  ; J 2 = m. x  ; b = b1 + b2; J = J1 + J2<br />  <br />  2π <br />  2π <br /> <br /> (2.1)<br /> <br /> Các ký hiệu sử dụng trong mô hình: b1 - Hệ số ma sát nhớt trên trục động<br /> cơ; b2 Hệ số ma sát nhớt quy đổi từ bàn máy về trục vít me bi; fm - Hệ số ma<br /> sát nhớt của bàn máy ; U - Tín hiệu điều khiển; E - Tín hiệu so sánh; F - Tín<br /> hiệu phản hồi; tx - Bước của vít me bi; I - Dòng điện điều khiển van; KV Hệ số khuếch đại của van tỷ lệ; Q - Lưu lượng cung cấp của van tỷ lệ; X Vị trí của bàn máy; B - Mô đun đàn hồi của dầu; J1 - Giá trị mômen quán<br /> tính khối lượng của dầu và rôto của động cơ thủy lực; J2 - Giá trị mômen<br /> quán tính khối lượng quy đổi từ khối lượng bàn máy về trục vít me; λ - Hệ<br /> số tổn thất lưu lượng; p - Áp suất làm việc của động cơ thuỷ lực; Dm - Thể<br /> tích của động cơ thủy lực/rad; D 0 - Thể tích riêng của động cơ thuỷ lực; V m<br /> Thể tích chứa dầu trong buồng công tác; Ω - Vận tốc góc của trục động cơ<br /> thuỷ lực; θ - Góc quay của trục động cơ thuỷ lực.<br /> <br /> 2.2.2. Các phương trình mô tả toán học của hệ<br /> Mối quan hệ giữa chuyển động thẳng và chuyển động quay qua bộ<br /> <br /> truyền vít me bi được xác định theo công thức sau: θ = 2π .X<br /> <br /> (2.2)<br /> <br /> tx<br /> <br /> Trên môtơ thủy lực và van tỷ lệ, ta có:<br /> Phương trình cân bằng lưu lượng trên động cơ thủy lực và van tỷ<br /> <br />