Nghiên cứu môđun điều khiển cho hệ truyền động máy cắt dây tia lửa điện

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br /> <br /> <br /> <br /> NGHIÊN CỨU MÔĐUN ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG<br /> MÁY CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN<br /> A STUDY ON THE DRIVE SYSTEM CONTROL MODULE FOR THE WIRE<br /> ELECTRICAL DISCHARGES MACHINING MACHINE<br /> <br /> Lưu Đức Bình, Dương Quốc Bảo<br /> Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng<br /> <br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Gia công cắt dây tia lửa điện ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ những tính năng<br /> ưu việt của nó như không có lực cắt, gia công các vật liệu siêu cứng, gia công các contour kín,<br /> phức tạp... Để phương pháp này đạt hiệu quả kinh tế cao, ta cần phải tiến hành tối ưu hoá<br /> nhằm tìm ra chế độ cắt tối ưu. Tuy nhiên, với các bộ điều khiển của máy sẵn có thì muốn tối ưu<br /> hoá cần phải can thiệp vào bộ điều khiển, điều này là không thể. Nhằm mục đích muốn làm chủ<br /> công nghệ này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo môđun điều khiển hệ truyền<br /> động máy cắt dây tia lửa điện. Bài báo này trình bày một số kết quả bước đầu với mô hình thực<br /> nghiệm và mô phỏng trên máy tính.<br /> ABSTRACT<br /> Nowadays, electrical discharges machining (EDM) has been widely used thanks to its<br /> special properties: forceless cutting, super-hardened material machining, close and complex<br /> contour machining. In order to obtain high economic efficiency with this method, we need to<br /> optimize intended methods for an optimal cutting schedule. With such an optimization, we need<br /> to change the control system. However, it is impossible to do so. For this reason, our study is<br /> aimed to design and manufacture a drive system control module of the wire electrical<br /> discharges machining machine (WEDM). In this article, some results of a study on a model<br /> experiment and simulation on the PC will be discussed.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Gia công tia lửa điện được tìm ra bởi hai nhà khoa học người Nga GS. TS Boris<br /> Lazarenko và TS. Natalya Lazarenko vào năm 1943 từ việc nghiên cứu sự ăn mòn của<br /> các thiết bị điện. Sau đó, công nghệ gia công này được phát triển mạnh tại các nước<br /> công nghiệp phát triển. Đến nay, hầu hết các máy gia công theo nguyên lý này đều đã sử<br /> dụng điều khiển CNC nhờ những ứng dụng mạnh mẽ của công nghiệp máy tính.<br /> Tại các hãng sản xuất máy gia công tia lửa điện nổi tiếng như Sodick, Agie<br /> Charmilles… hay các trường đại học, viện nghiên cứu ở các nước công nghiệp phát triển<br /> đều nghiên cứu rất mạnh về công nghệ gia công này và các kết quả được công bố tại Hội<br /> thảo chuyên đề “International Symposium for ElectroMachining” (ISEM) tổ chức 3 năm<br /> một lần.<br /> Ở nước ta, việc ứng dụng gia công tia lửa điện cũng mới khoảng hơn mười năm<br /> nay và việc nghiên cứu về lĩnh vực này hầu như không đáng kể. Muốn nghiên cứu sâu về<br /> ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng chi tiết gia công cần phải can thiệp<br /> 1<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br /> <br /> vào hệ điều khiển của máy, điều này là không thể vì đây là bí quyết của các nhà sản xuất<br /> thiết bị.<br /> Với mục đích nghiên cứu về lĩnh vực gia công tia lửa điện (gồm có Gia công xung<br /> định hình và Cắt dây tia lửa điện), chúng tôi lựa chọn phương pháp gia công cắt dây tia<br /> lửa điện để xây dựng mô hình thực nghiệm. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một số<br /> kết quả nghiên cứu bước đầu của môđun điều khiển hệ truyền động từ việc mô phỏng trên<br /> máy tính và kiểm chứng bằng mô hình thực nghiệm.<br /> 2. Nội dung<br /> Các chuyển động cần thiết khi gia công trên máy cắt dây tia lửa điện (không cắt<br /> côn) gồm hai chuyển động vuông góc nhau X, Y trong mặt phẳng nằm ngang của bàn<br /> máy và chuyển động thẳng đứng do dây được cuốn bởi tang dẫn động thực hiện. Do vậy,<br /> hệ thống truyền động của máy thực chất là bàn máy mang phôi chuyển động theo hai<br /> phương X, Y. Việc điều khiển hệ truyền động cho hai phương X và Y là giống nhau về<br /> mặt bản chất, do vậy, bước đầu chúng tôi xây dựng mô hình nghiên cứu thực nghiệm với<br /> hệ truyền động cho một phương.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Động cơ<br /> phương Y<br /> <br /> Động cơ<br /> phương X<br /> Hình 1. Mô hình thực nghiệm hệ thống truyền động máy cắt dây tia lửa điện.<br /> <br /> Mô hình thực nghiệm chúng tôi xây dựng gồm bàn máy được truyền động bằng<br /> vitme – đai ốc bi φ15 bước 6mm từ động cơ điện 1 chiều. Sơ đồ tính toán điều khiển được<br /> mô hình hoá như sau:<br /> <br /> R L y<br /> <br /> I<br /> + Bàn máy<br /> (Ω1) (Ω2) tx<br /> Va<br /> <br /> θ1 θ2<br /> e = Ke.Ω1<br /> Hình 2. Sơ đồ tính toán mô hình thực nghiệm.<br /> <br /> 2<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br /> <br /> Để điều khiển mô hình, chúng tôi sử dụng Vi điều khiển PIC 18f4550 kết nối với<br /> máy tính qua cổng RS232 thông qua phần mềm giao diện điều khiển và mô phỏng bằng<br /> Matlab. Trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi chỉ trình bày việc tính toán, sử dụng luật<br /> PID để điều khiển cho mô hình thực nghiệm. Công việc này tập trung vào hai phần là tính<br /> toán tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ, từ đó đưa ra các tham số cho<br /> bộ điều khiển.<br /> a. Tính toán tổng hợp mạch vòng dòng điện<br /> Để cho việc tính toán bài toán được đơn giản, ta giả thiết hệ thống làm việc ở chế<br /> độ dòng điện liên tục, có sức điện động E không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của<br /> mạch vòng dòng điện.<br /> Mô hình đối tượng có mạch vòng dòng điện với bộ điều chỉnh dòng điện RI như<br /> hình sau:<br /> E<br /> Uid K CL Ed ∆U 1 I M 1 ω<br /> RI Ru KΦ<br /> (1 + TVO .s )(1 + Tdk .s ) (1 + Tu .s ) Js<br /> MC<br /> KI<br /> (1 + TI .s )<br /> Hình 3. Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển dòng điện<br /> <br /> <br /> Với các giả thiết trên, hàm truyền của đối tượng của bộ điều chỉnh dòng điện bây<br /> giờ là:<br /> K CL K I<br /> Ru<br /> Soi (s ) =<br /> (1 + TVo .s )(1 + Tdk .s )(1 + Tu .s )(1 + Ti .s )<br /> Ta viết gọn lại như sau:<br /> K CL K I<br /> Ru<br /> Soi (s ) =<br /> (1 + TSi .s )(1 + Tu .s )<br /> Để xác định mô hình bộ điều chỉnh dòng điện, ta áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdul<br /> vì có độ quá điều chỉnh nhỏ:<br /> FC 1<br /> RI = với FC =<br /> Soi (1 − FC ) 1 + 2τσs + 2τσ2 s 2<br /> Để bù hằng số thời gian lớn hơn (Tu), ta chọn τσ = TSi nên hàm truyền bộ điều<br /> chỉnh RI:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br /> <br /> 1 + Tu .s Tu ⎛ 1 ⎞ ⎛ 1 ⎞<br /> RI = = ⎜⎜1 + ⎟⎟ = K RI ⎜⎜1 + ⎟⎟<br /> K CL K I K CL K I ⎝ T .s ⎠ ⎝ T .s ⎠<br /> 2.TSi .s 2.TSi u u<br /> Ru Ru<br /> Trong thực nghiệm mô hình ta thay các tham số vào và tìm được:<br /> Tu 25,83.10−3<br /> K RI = = = 0,1304<br /> K CL K I 57,2.2 −3<br /> 2.TSi .2.2,36.10<br /> Ru 1<br /> b. Tính toán tổng hợp mạch vòng tốc độ:<br /> Để đơn giản ta tổng hợp mạch vòng tốc độ khi đã tổng hợp được mạch vòng dòng<br /> điện, nghĩa là kế thừa các kết quả và các giả thiết ở mục trên (E = 0, MC = 0). Ta có mô<br /> hình cho việc xác định bộ điều chỉnh tốc độ Rω như hình sau:<br /> E<br /> HCD<br /> Uωd 1 KΦ 1 ω<br /> Rω<br /> 1 + 2TSi .s + 2TSi2 .s 2 KI Js<br /> − Uω − M<br /> C<br /> Kω<br /> 1 + Tω .s<br /> <br /> Hình 4. Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển tốc độ<br /> <br /> Tương tự, khi không tải MC = 0, ta tính được đối tượng Soω của mạch vòng tốc độ:<br /> KΦK ω<br /> KI<br /> Soω =<br /> ( )<br /> 1 + 2TSi .s + 2T .s 2 (1 + Tω .s )Js<br /> 2<br /> Si<br /> <br /> Đây là hệ vô sai cấp 1, để rút gọn hàm truyền trên, ta bỏ qua Tsi2 , tích TSi .Tω thay<br /> tham số và đặt: TSω = 2TSi + Tω = 2.2,36.10-3 + 0,5.10-3 =5,22.10-3, ta có:<br /> KΦK ω<br /> KI<br /> Soω =<br /> (1 + TSω.s )Js<br /> Áp dụng chuẩn tối ưu modul ta có:<br /> FC 1<br /> Rω = với FC =<br /> Soω (1 − FC ) 1 + 2τσs + 2τ2σ s 2<br /> <br /> J.R u 0,32.1<br /> Thay thế và rút gọn, với TC = = = 0,1916 , ta được:<br /> (KΦ ) 1,29232<br /> 2<br /> <br /> <br /> <br /> K I KΦ<br /> Rω = TC<br /> 2K ωTsωR u<br /> <br /> 4<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br /> <br /> Kết quả & bàn luận<br /> Với những tham số tính toán nói trên ta thực hiện mô phỏng cũng như việc đưa<br /> các tham số này vào mô hình thực nghiệm, sau khi nạp chương trình điều khiển vào PIC<br /> 18f4550 và điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềm giao diện viết trên Matlab;<br /> chúng tôi tiến hành thử nghiệm với kết quả như sau:<br /> - Đáp ứng đầu ra của mạch vòng dòng điện (hình 5)<br /> Quá trình quá độ điều chỉnh sẽ kết thúc sau thời gian Tqd = 8,4TSi và độ quá điều<br /> chỉnh là 4,3%. Thực ra nếu tính đến tác dụng của sức điện động động cơ thì do tính chất<br /> cản diệu của nó mà trong nhiều trường hợp không xảy ra quá điều chỉnh dòng điện.<br /> - Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ khi Mc = 0 (hình 6)<br /> Trên hình 5 ta thấy quá trình thay đổi dòng điện khi có đột biến nhiễu tải. Mạch<br /> vòng tốc độ này là vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển và là hữu sai đối với tín hiệu<br /> nhiễu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Đáp ứng dòng điện của RI Hình 6. Đáp ứng tốc độ của Rω khi Mc = 0<br /> <br /> - Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ khi Mc ≠ 0 (hình 7)<br /> Ta nhận thấy khi tải bằng tải định mức, sau 3 giây đáp ứng tốc độ quay có sụt<br /> giảm đi một ít so với tín hiệu đặt (1498 so với 1500), giá trị sai lệch này không lớn.<br /> - Đáp ứng đầu ra của tốc độ trên mô hình thực tế (hình 8)<br /> Nếu ta đặt một độ dài tương ứng với số xung (ví dụ 5mm tương ứng với 8000<br /> xung) thì bàn máy đáp ứng tương đối tốt (trong trường hợp phản hồi đọc từ encoder lên là<br /> 8006 xung) Sai số tương đối khoảng 1%, hoàn toàn có thể chấp nhận được.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 5<br />  TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Đáp ứng tốc độ của Rω khi Mc ≠ 0 Hình 8. Đáp ứng tốc độ của mô hình<br /> <br /> Tuy đã đạt được một số kết quả bước đầu như trên nhưng vẫn còn một số vấn đề<br /> cần hoàn thiện trong những nghiên cứu tiếp theo: vấn đề nội suy khi kết hợp điều khiển cả<br /> hai phương X, Y; vấn đề động lực học của quá trình cắt; kết hợp điều khiển cho hai bàn<br /> máy trên và dưới khi cắt côn...<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> [1] Lưu Đức Bình, Thiết kế, chế tạo môđun điều khiển máy cắt dây tia lửa điện, Đề tài<br /> nghiên cứu khoa học, Đà Nẵng, 2008<br /> [2] Dương Quốc Bảo, Nghiên cứu chế tạo môđun điều khiển bàn máy CNC sử dụng<br /> động cơ điện một chiều, Đề tài nghiên cứu khoa học, Đà Nẵng, 2009<br /> [3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà<br /> xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2005.<br /> [4] George W. Younkin, Industrial Servo Control Systems, New York: Marcel Dekker,<br /> 2003.<br /> [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh<br /> tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 1998.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 6<br />