Ứng dụng điều khiển thích nghi để
nâng cao khả năng công nghệ của máy
công cụ điều khiển số
TÓM TẮT:
Trải qua hơn nửa thế kỷ xuất
hiện và phát triển, máy công
cụ điều khiển số (máy CNC)
đã khẳng định được vị trí
chủ chốt của mình trong các
hệ thống sản xuất hiện đại
(các hệ FMS, CIM).
Nhờ ứng dụng một cách tổng hợp các thành tựu khoa học, công nghệ tiên
tiến trong thiết kế và chế tạo cơ khí, tự động hoá, điện tử, công nghệ thông
tin, kỹ thuật điều khiển CNC đã phát triển vượt bậc. Tuy nhiên, về nguyên
tắc, CNC vẫn không thể tránh khỏi nhược điểm cố hữu của một bộ điều
khiển cứng, theo chương trình, và hiệu quả sử dụng máy CNC không thể
vượt qua được những giới hạn của công nghệ truyền thống.
Ứng dụng điều khiển thích nghi (ĐKTN) là giải pháp tích cực, dựa trên sự
giám sát trực tuyến các thông số đầu ra của quá trình công nghệ và hiệu
chỉnh các thông số đầu vào theo thời gian thực. Các nghiên cứu gần đây trên
thế giới và trong nước chứng tỏ rằng máy CNC có ĐKTN mang lại hiệu quả
kinh tế, kỹ thuật rất cao.
Bài báo trình bày cơ sở khoa học và thực tiễn của việc ứng dụng kỹ thuật
ĐKTN máy CNC, trong đó có các kết quả nghiên cứu tại Khoa Hàng không
Vũ trụ, Học viện KTQS.
1. Xuất xứ của vấn
đề nghiên cứu
1.1. Sự cần thiết
phải ĐKTN
máy CNC
• Nhìn nhận vấn
đề theo quan
điểm công nghệ
Trong quá trình
gia công, lưỡi của dụng cụ cắt tác động lên lớp vật liệu trên bề
mặt của phôi, bứt một phần vật liệu khỏi bề mặt phôi (quá trình
tạo phôi). Lực tác dụng giữa dao và phôi được gọi là "lực cắt".
Lý thuyết cắt gọt truyền thống có 2 đặc điểm:
2.
- Tính toán lực cắt, công suất cắt và chế độ công nghệ chủ yếu
dựa vào lý thuyết đàn hồi và lý thuyết biến dạng dẻo.
3.
- Coi quá trình cắt là quá trình tĩnh. Quan niệm đó dẫn đến sự sử
dụng một giá trị tĩnh, trung bình của lực cắt trong tính toán chế
độ công nghệ. Nhưng trong quá trình cắt thực tế xảy ra đồng thời
các tương tác cơ, lý, hoá giữa dụng cụ cắt, môi trường và phôi.
Các yếu tố này ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, với các quy luật
chưa tường minh. Trong quá trình cắt gọt luôn xảy ra những biến
động không thể nào lường trước được: sự biến động của cơ tính
vật liệu gia công; sự biến động của hình học chi tiết gia công
(hình 1); sự biến động về khả năng cắt của dụng cụ; sự biến động
về độ cứng vững của HTCN; sự biến động do các yếu tố bên
ngoài;...
• Nhìn nhận vấn đề theo quan điểm điều khiển
Để đạt được kết quả gia công mong muốn, quá trình công nghệ cần phải
được điều khiển. Có thể nói lịch sử phát triển của khoa học công nghệ chế
tạo máy gắn liền với lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển quá trình gia
công và điều khiển máy công cụ.
Hình 1: Sự biến động của hình học phôi
Hình 2: Điều khiển quá trình theo công nghệ truyền thống
Hình 3 : Điều khiển quá trình với máy tự động
- Máy công cụ truyền thống được điều khiển bằng tay (hình 2). Thông
số đầu vào của hệ thống là chế độ công nghệ (tốc độ cắt S và lượng
chạy dao F), các thông số đầu ra Y thể hiện phản ứng của hệ thống:
kích thước, độ nhám bề mặt, lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, rung động,
mòn dao,... Chức năng điều khiển hoàn toàn do con người (công nhân)
thực hiện. Với cấu trúc này của hệ thống, quá trình công nghệ nằm
trong vòng điều khiển nên mặc dù không đạt được độ chính xác và độ
nhạy cần thiết (do con người thực hiện), hệ thống có khả năng thích
ứng với biến động của qúa trình. Do các đặc điểm nói trên mà máy
công cụ thông thường được gọi là hệ thống ĐKTN bằng tay (Manual
Adaptive Control).
-
Trên máy tự động (hình 3), việc tính toán các chế độ công nghệ vẫn
do con người thực hiện trước và đưa vào chương trình. Bộ điều khiển
thay con người đưa các thông số công nghệ (S, F) vào máy và điều
khiển máy hoạt động theo các giá trị đã ấn định. CNC là dạng điển
hình của hệ thống điều khiển theo chương trình.
-
Mục tiêu điều khiển tự động trên các máy công cụ hiện nay, kể cả
máy CNC là đảm bảo các cơ cấu công tác hoạt động theo đúng trình
tự và các chế độ công nghệ (S, F) ghi trong chương trình chứ không
phải là các thông số ra (Y) của quá trình. Quá trình công nghệ nằm
ngoài vòng giám sát của bộ điều khiển nên nó không thể nhận biết và
không thể phản ứng trước các biến động xảy ra trong quá trình công
nghệ và những biến động của thông số ra Y. Bộ điều khiển này còn
được gọi là bộ điều khiển tĩnh (Fixed Controller).
Muốn tự động kiểm soát kết quả gia công, bộ điều khiển phải có khả
năng nhận biết những thay đổi của các thông số ra Y hoặc các thông
số môi trường đặc trưng, có khả năng bù trừ hoặc hạn chế biến động
của chúng, nhằm duy trì sự làm việc bình thường hoặc đảm bảo hiệu
quả cao nhất cho quá trình.Hệ thống điều khiển như vậy được gọi là
hệ ĐKTN.
Hình 4: Sơ đồ ĐKTN quá trình công nghệ
Sơ đồ ĐKTN máy công cụ như hình 4. Trong hệ thống này, con người chỉ
phải tính sơ bộ chế độ gia công. Bộ CNC vẫn giữ chức năng nhận và duy trì
thông số công nghệ đã định. Bộ ĐKTN giám sát thông số ra hoặc thông số
môi trường, ra quyết định điều khiển và lệnh cho bộ CNC thực hiện các hiệu
chỉnh cần thiết.
Việc giám sát và hiệu chỉnh chế độ công nghệ được thực hiện trong thời gian
thực, khiến máy công cụ làm việc với chế độ gia công S2, F2 khác với chế
độ gia công tính toán S1, F1, đảm bảo giá trị hợp lý nhất của thông số ra.
Về cấu trúc, sơ đồ ĐKTN tương tự như sơ đồ điều khiển bằng tay, nhưng
ĐKTN do máy móc thực hiện nên đảm bảo được độ chính xác và độ nhạy
cao. Khác về bản chất so với CNC thông thường, ĐKTN mang tính tích cực,
động và thông minh.
• Giải pháp ĐKTN máy công cụ
Những biến động trong quá trình công nghệ có ảnh hưởng xấu đến chất
lượng gia công và tính an toàn của hệ thống. Vấn đề này từ lâu đã trở thành
một trong những vấn đề trọng tâm của công nghệ cắt gọt kim loại, được
nhiều thế hệ các nhà công nghệ tìm cách khắc phục. Vấn đề là giải pháp.
Giải pháp truyền thống theo nguyên tắc phòng ngừa: mọi tính toán, thiết kế
đều nhằm thỏa mãn các điều kiện khó khăn, nặng nề nhất. Trên thực tế, các
điều kiện đó chỉ là giả định hoặc xảy ra trong khoảnh khắc. Trong phần lớn
thời gian, máy làm việc dưới khả năng thiết kế, với năng suất thấp, chi phí
cao. Máy CNC không nằm ngoài tình trạng đó. Ví dụ, khi gia công với chiều
sâu cắt thay đổi (hình 5), lượng chạy dao FCNC được xác định sao cho khi
cắt với chiều sâu cắt lớn nhất (Hmax) mà dao không bị mẻ. Trong phần lớn
thời gian gia công, tuy chiều sâu cắt thực (H) nhỏ hơn Hmax rất nhiều nhưng
hệ điều khiển vẫn duy trì giá trị FCNC
không đổi.
Giải pháp mới - ĐKTN, ngược lại dựa
trên nguyên tắc giám sát và xử lý tình
huống theo thực tế. Ví dụ, nếu bằng cách
nào đó, bộ điều khiển giám sát được chiều
sâu cắt thực và hiệu chỉnh lượng chạy dao
theo quan hệ FAC=f(H) thì hiệu quả gia
công cao hơn rất nhiều.
Như vậy, khác với công nghệ CNC truyền
thống (thiết lập chế độ công nghệ trước
khi gia công (Off-line), theo nguyên tắc
phòng ngừa, bị động), AC là giải pháp
tích cực, thông minh và hiệu chỉnh chế độ
công nghệ ngay trong khi gia công (On-
line).
Các hệ AC cho máy công cụ được phân
làm 3 loại: hệ bù hình học thích nghi
(Geometric Adaptive Compensation -
GAC), hệ ĐKTN tối ưu (Adaptive Control
Optimization - ACO), hệ ĐKTN theo trạng thái giới hạn (Adaptive Control
with Constraints - ACC). Hiện nay ACC là hướng khả thi nhất cho AC máy
công cụ.
1.2. Tình hình nghiên cứu ĐKTN
Bộ AC đầu tiên được thực hiện tại Bendix Research Liboratories từ những
Hình 5: Chế độ cắt trên máy
CNC