Nghiên cứu thiết kế chế tạo các bộ điều khiển số (cnc) thông minh và chuyên dụng cho các hệ thống và quá trình phức tạp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.85 MB, 287 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC CÔNG NGHỆ TỰ ĐỘNG HÓA KC.03
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP NHÀ NƯỚC
BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (CNC)
THÔNG MINH VÀ CHUYÊN DỤNG
CHO CÁC HỆ THỐNG VÀ QUÁ TRÌNH PHỨC TẠP
MÃ SỐ KC.03.12
Chủ nhiệm đề tài: TS . Thái Thò Thu Hà
6294
06/02/2006
TP.HCM, tháng 1-2006
DANH SÁCH TÁC GIẢ CỦA ĐỀ TÀI
KH&CN CẤP NHÀ NƯỚC
1. Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các bộ điều khiển số (CNC) thông minh
và chuyên dùng cho các hệ thống và quá trình phức tạp.
Mã số : KC-03-12 .
2. Thuộc chương trình : Chương trình khoa học công nghệ tự động hóa KC. 03
3. Thời gian thực hiện: 10/2001-12/2005.
4. Cơ quan chủ trì: Trường Đại học bách Khoa - Đại học quốc Gia TP.HCM.
5. Bộ chủ quản : Đại học quốc Gia TP.HCM.
6. Danh sách tác giả:
TT
HỌ VÀ TÊN
1. Thái Thò Thu Hà
CHỨC DANH
GVC.Tiến só
CHỮ KÝ
Chủ nhiệm Đề tài
2. Đặng Thành Trung
Thạc só
3. Hồ Minh Đạo
Thạc só
4. Hoàng Lanh
GV.Kỹ sư
5. Đặng Văn Nghìn
6. Nguyễn Minh Tuấn
Phó Giáo sư, Tiến só
Thạc sỹ
7. Phan văn Khánh
Kỹ sư
8. Võ Anh Huy
Kỹ sư
9. Hồ thanh Tâm
Kỹ sư
10. Lý Tấn Huy
Kỹ sư
11. Đặng Ngọc Quy
Kỹ sư
12. Trần Nguyên Duy Phương
13. Trần Tuấn Đạt
14. Nguyễn Văn Giáp
Thạc só
Đang làm tiến só tại Canada
Kỹ sư
Đang làm thạc sỹ tãi Đức
GVC.Tiến só
i
15. Tôn Thiện Phương
Thạc sỹ
16. Từ Diệp Công Thành
Tiến sỹ
17. Bùi Quang Được
Kỹ sư
18. Tô Hoàng Minh
Kỹ sư
Chù nhiệm đề tài
Đang làm tiến só tại Hàn Quốc
Tp.Hồ Chí Minh 26/12/2005
Thủ trường cơ quan chủ trì Đề tài
TS.Thái Thò Thu hà
i
BẢNG CHÚ GIẢI CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NGUYÊN GỐC
CHỮ VIẾT TẮT
-Intelligent Machining Systems
IMS
-Open architecture controller
OAC
- Numerical Control Markup Language
NCML
- Numerical Control
NC
- Adaptive contronl with optimisation
ACO
- Adaptive control with constraints
ACC
- Open System Architecture for Controls within Automation systems OSACA
- Open System Environment for Controllers
OSEC
- Open Modular Architecture Controller
OMAC
- Computer Numerical control
CNC
- Automatic Programming Tool
APT
- Computer- Aided Manufacturing
CAM
- Computer-Aided Design
CAD
- Personal Compute
PC
- National Instruments
NI
- Programmable Logic Controller
PLC
- Application Programming Intreface
API
- Dynamic Link Lidraries
DLL
- Recursive least square
RLS
- Digital Differential Analyse
DDA
- Measurement & Automation Explorer
MAX
- Open Modular Architecture Controller)
OMAC
- Analog to digital converters
A/D
- Digital to analog converters
D/A
xiv
MỤC LỤC
Danh sách những người thực hiện đề tài
i
Giới thiệu tóm tắt đề tài
ii
Mục lục
v
Bảng chú thích các chữ viết tắt
Chương 1:BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC THÔNG MINH
1
1.1 Tổng quan
1
1.1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu
1
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1
1.1.3 Nhận xét
6
1.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu
6
1.2 Cấu trúc của máy phay cnc thông minh
7
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc máy phay CNC thông minh
7
1.2.2 Sơ đồ bộ điều khiển thông minh
10
1.3 Máy phay và phần mềm điều khiển
10
1.3.1 Giới thiệu chung
10
1.3.2 Sơ đồ điều khiển của máy đã thưc hiện
12
1.3.3 Giới thiệu các phần tử của hệ thống
13
1.3.3.1 Giới thiệu phần cơ của máy
13
1.3.3.2 Giới thiệu các motor và driver fanuc
14
1.3.3.3 Giới thiệu biến tần fuji FRENIC 5000G
15
1.3.3.4 Giới thiệu PLC MITSUBISHI FX1S
16
1.3.3.5 Giới thiệu bàn phím và bảng điều khiển
18
1.3.3.6 Giới thiệu PCL-812
20
1.3.3.7 Giới thiệu PXI 7344 ( Hwardwase )
21
1.3.3.8 Một số các đặc tính quan trọng của card 7344
22
1.3.3.9 Kết nối hệ thống điện
25
1.3.4 Phần mềm điều khiển
28
v
1.3.4.1 Giới thiệu chung
28
1.3.4.2 Giao diện và cách giao tiếp
29
1.3.4.3 Phần mềm điều khiển máy cnc
32
1.4 Bộ điều khiển thích nghi quá trình phay
33
1.4.1 Khái niệm về điều khiển thích nghi
33
1.4.2 Các khái niệm về điều khiển thích nghi
35
1.4.2.1 Hệ thống điều khiển bền vững độ khuyếch đại lớn
35
1.4.2.2 Hệ thống thích nghi tự dao động
36
1.4.2.3 Bộ điều khiển thích nghi khuếch đại chọn lọc
36
1.4.2.4 Bộ điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu (Model
Reference adaptive system - MRAS)
37
1.4.2.5 Bộ tự điều chỉnh (Self-tuning Regulators- STRs)
37
1.4.4.6 Điều khiển thích nghi có ràng buộc ACC
38
1.4.4.7 Điều khiển thích nghi tối ưu ACO
38
1.4.3 Xác đònh thông số cho quá trình điều khiển thích nghi
38
1.4.3.1 Lực kế Kistler
41
1.4.3.2 Lực kế dựa trên nguyên tắc đo biến dạng bằng strain gage
41
1.4.3.3 Khái quát về phần mềm DASYLab (Hãng National
Instrument)
44
1.4.4 Thuật toán điều khiển thích nghi quá trình phay
45
1.4.4.1 Động học quá trình phay
45
1.4.4.2 Thuật toán điều khiển thích nghi quá trình phay
48
1.4.4.3 Ứng dụng điều khiển thích nghi quá trình phay
52
1.4.4.4 Phần mềm điều khiển thích nghi
54
1.4.5 Thực nghiệm
1.5 Điều khiển quá trình phay dùng mạng neural
54
59
1.5.1 Giới thiệu
1.5.1.1 Mạng dẫn tiến một lớp
60
1.5.1.2 Mạng dẫn tiến nhiều lớp
61
vi
1.5.1.3 Mạng hồi quy
61
1.5.2 Các hàm f(.) thường dùng
62
1.5.3 Quá trình huấn luyện(Training)
63
1.5.4 Giải Thuật Back-Propagation
64
1.5.5 Thực nghiệm
73
1.5.5.1 Huấn luyện mạng
73
1.5.5.2 Xác đònh trọng số
76
1.5.5.3 Xác đònh mạng Neural cho quá trình điều khiển
76
1.5.5.4 Tiến hành gia công với quá trình điều khiển Neural
77
1.6 Optimal milling
79
1.6.1 Đặt vấn đề
79
1.6.2 Sơ đồ mạch điện
80
1.7 Kết luận
83
Chương 2: MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN CÓ CẤU TRÚC MỞ.
85
2.1 Tổng quan
85
2.1.1 Giới thiệu về bộ điều khiển có cấu trúc mở
85
2.1.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước
90
2.1.3 Nhận xét đánh giá
92
2.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu của đề tài
92
2.2 Phần cứng của mô hình tổng quát
93
2.2.1 Sơ đồ nguyên lý và điều khiển
93
2.2.2 Giới thiệu các thành phần cơ bản của bộ điều khiển
96
2.3 Phần mềm điều khiển
103
2.3.1 Cấu trúc file chương trình CAD/CAM
103
2.3.2 Phần mềm điều khiển
103
2.4 Kết quả nghiên cứu thực nghiệm
104
2.4.1 Mô hình thí nghiệm
104
2.4.2 Mẫu thí nghiệm
105
2.4.3 Các thông số thí nghiệm
106
vii
2.4.4 Kết quả
106
2.5 Kết luận
107
Chương 3: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HEXAPOD
108
3.1 Tổng quan về hexapod
108
3.1.1 Nguyên lý Stewart
108
3.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
110
3.1.3 Nhận xét
114
3.1.4 Mục đích nghiên cứu
114
3.2 Các bài toán khi thiết kế hexapod
3.2.1 Bài toán phân tích vò trí
115
115
3.2.1.1 Xác đònh bậc tự do của cơ cấu
115
3.2.1.2 Hệ toạ độ tương đối ( Xem phụ lục 3.1)
116
3.2.1.3 Mô tả hình học của cơ cấu hexapod( Xem phụ lục 3.2)
116
3.2.2 Phân tích jacobian và lực tónh
116
3.2.2.1 Ma trận jacobian
116
3.2.2.2 Xác đònh ma trận jacobian
117
3.2.2.3 Phân tích lực
118
3.2.3 Bài toán động học của hexapod
121
3.2.3.1 Bài toán động học ngược
122
3.2.3.2 Bài toán động học thuận
123
3.2.3.3 Thuật toán Newton_Rapshon giải gần đúng hệ phương trình
phi tuyến
3.2.4 Phân tích động học và động lực học
124
127
3.2.4.1. Động học
127
3.2.4.2 Động lực học
134
3.3 Phần mềm mô phỏng
138
3.3.1 Chương trình mô phỏng
138
3.3.2 Chương trình vẽ không gian hoạt động
143
viii
3.4 Thiết kế và chế tạohệ thống cơ của hexapod
3.4.1 Thiết kế và tính toán các chi tiết cơ bản của hexapod
147
147
3.4.2 Ứng dụng Ansys để kiểm tra kích thước các phần cơ của hexapod 147
3.5 Thiết kế bộ điều khiển hexapod
3.5.1 Nội suy
3.5.1.1 Các dạng nội suy
151
151
152
3.5.1.2 Các giải thuật nội suy cho các lệnh cơ bản của phay CNC 152
3.5.2 Một số giải thuật lập trình gia công cho hexapod
152
3.5.2.1 Lập trình bằng tay và đọc mã lệnh G code trong trường hợp
phay 2D
3.5.2.2 Giải thuật đọc file cl file
3.5.3 Đọc mã lệnh G codes tương ứng với máy phay 5 trục
3.6 Bộ điều khiển cho hexapod
152
154
155
156
3.6.1 Sơ đồ điều khiển chung
156
3.6.2 Giải thuật điều khiển song song
157
3.6.3 Hệ thống SERVO
170
3.6.4 Mạch điều khiển sensor
175
3.7 Thực nghiệm
178
3.8 Kết luận
182
Chương 4: HỆ THỐNG ĐỊNH LƯNG NHIỀU THÀNH PHẦN
183
4.1 Tổng quan
183
4.1.1 Giới thiệu chung
183
4.1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
183
4.1.3 Nhận xét
185
4.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu
185
4.2 Thiết kế phần cơ của hệ thống đònh lượng tự động
186
ix
4.2.1 Phân tích chọn phương án thiết kế
186
4.2.1.1 Đặc tính vật liệu
186
4.2.1.2 Chọn nguyên lý
186
4.2.2 Lựa chọn loadcell
192
4.2.3 Thiết kế thùng chứa và phễu cấp liệu
194
4.2.3.1 Các dạng dòng chảy vật liệu
194
4.2.3.2 Một số phương án lựa chọn hình dáng thùng chứa
196
4.2.3.3 Thiết kế thùng chứa
197
4.2.3.4 Chọn lựa hình dáng thùng chứa và phễu trung gian
197
4.2.4 Thiết kế cụm đònh lượng thô tinh
199
4.2.5 Thiết kế cụm cân
202
4.2.5.1 Sơ đồ nguyên lý
202
4.2.5.2 Thiết kế phễu chứa
203
4.2.5.3 Thiết kế khung cân
205
4.2.6 Thiết kế hệ thống bảo đảm mức
4.3 Thiết kế bộ điều khiển
206
207
4.3.1 Sơ đồ điều khiển chung của máy
207
4.3.2 Bộ chỉ thò cân AD-4401
208
4.3.3 Các khối chức năng
4.3.4 Các ngõ giao tiếp
211
4.3.5 Các chế độ bù (Compensation) (SQF-03)
211
4.3.6 Mô tả chu trình cân tự động
213
4.4 Lập trình plc melsec fx1s
218
x
4.4.1 Các ngõ vào/ra và mô tả phần cứng
218
4.4.1.1 Các ngõ vào ra
219
4.4.1.2 Mô tả phần cứng
220
4.4.2 Chương trình PLC dạng ladder
221
4.5 Sử dụng mạng rs-485 thiết lập chế độ cân
222
4.5.1 Sơ đồ nối mạng hệ thống
222
4.5.2 Các lệnh truyền cho bộ chỉ thò cân AD_4401
223
4.5.3 Lập trình giao tiếp với máy tính
225
4.5.4 Cài đặt phương thức truyền thông ở PLC
226
4.5.5 Cài đặt trên máy tính để bàn dùng hệ điều hành Windows 9x
227
4.6 Các cách hiệu chỉnh và vận hành
228
4.6.1 Thay đổi độ mở lưỡi gà
228
4.6.2 Thay đổi thông số bộ AD-4401
229
4.6.3 Ca líp
229
4.6.4 Vận hành
231
4.7 Đánh giá kết quả
234
4.8 Kết luận
237
Chương 5: CẢI TIẾN HỆ THỐNG ĐỊNH LƯNG VÍT
238
5.1 Đặt vấn đề
238
5.2 Chọn phương án đònh lượng
238
5.2.1 Các đặc điểm khi đònh lượng bulông-vít-đai ốc
238
5.2.2 Các yêu cầu kỹ thuật
239
5.2.2.1 Năng suất
239
xi
5.2.2.2 Độ chính xác
239
5.2.2.3 Chất lượng sản phẩm
239
5.2.3 Sơ đồ phương án đònh lượng
239
5.2.3.1 Thùng chứa
240
5.2.3.2 Giai đoạn chuyển tiếp
240
5.2.3.3 Xích tải
241
5.2.3.4 Cơ cấu chia phôi
241
5.2.3.5 Máng rung phẳng có bộ phận tạo rung bằng điện từ
241
5.2.3.6 Máng rung xoắn
241
5.3 Nguyên lý hoạt động
241
5.4 Hệ thống điều khiển
243
5.4.1 Yêu cầu đối với hệ thống điều khiển
243
5.4.2 Đặc điểm khi thiết kế hệ thống điều khiển
243
5.4.3 Các cơ cấu chính của hệ thống điều khiển
243
5.4.3.1 Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển
244
5.4.3.2 Các bộ phận chính của hệ thống điều khiển
244
5.4.3.3 Sơ đồ nguyên lý
246
5.5 Thiết kế hệ thống điện
5.5.1 Cơ cấu cần lắc và máng rung chuyển tiếp
247
247
5.5.1.1 Lựa chọn các cảm biến
248
5.5.1.2 Nguyên lý hoạt động
249
5.5.2 Cơ cấu chia phôi, máng rung phẳng và máng rung xoắn
5.5.2.1 Yêu cầu kó thuật
249
249
xii
5.5.2.2 Sơ đồ điều khiển
250
5.5.2.3 Lựa chọn các cảm biến
250
2.5.2.4 Nguyên lý hoạt động
251
5.5.3 Cảm biến khối lượng
251
5.5.3.1 Độ phân giải
251
5.5.3.2 Thời gian đáp ứng
252
5.6 Chương trình điều khiển
253
5.6.1 Sơ đồ điều khiển chung
253
5.6.2 Bộ chuyển đổi A/D
254
5.6.2.1 Nguyên lý của các bộ biến đổi A/D
254
5.6.2.2 Yêu cầu kó thuật của bộ A/D
254
5.6.3 Các đòa chỉ nối kết với PLC
256
5.6.3.1 Đầu vào
256
5.6.3.2 Đầu ra
257
5.6.3.3 Lựa chọn các thanh ghi
257
5.6.4 Màn hình got 930
258
5.6.5 Chương trình điều khiển
260
5.6.5.1 Lưu đồ điều khiển
260
5.6.5.2 Chương trình điều khiển
261
5.7 Thực nghiệm
263
5.8 Kết luận
263
Chương 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
264
xiii
LỜI NÓI ĐẦU
Bộ điều khiển thông minh có ý nghóa quan trọng trong tự động hóa và quá trình
sản xuất hiện đại. Tầm quan trọng này được thể hiện qua một số công trình của
Fritschow, Wright và James. Ngay từ năm 1993, GS Fritschow đã khẳng đònh bộ
điều khiển thông minh trên nền tảng của bộ điều khiển cấu trúc mở sẽ làm thay đổi
ngành công nghiệp chế tạo máy công cụ trong tương lai.
Trong cuốn sách Sản xuất ở thế kỷ 21 , Wright đã nêu xu thế phát triển của chế
tạo máy về máy thông minh và tầm quan trọng của nó.
Trong chiến lược phát triển chế tạo máy ở Châu Âu giai đoạn 2015 – 2020 đã có
những dự án sau đây:
-
Hệ thống cấu trúc mở để điều khiển thông minh máy CNC.
-
Bộ điều khiển cấu trúc mở.
-
Giám sát trực tuyến thông minh và điều khiển thích nghi.
Năm 2002, trong dự báo tương lai của ngành chế tạo máy Jordan James cũng
nhấn mạnh vai trò của bộ điều khiển cấu trúc mở.
Chính vì tính cấp thiết của bộ điều khiển thông minh như vậy cho nên trong
chương trình nghiên cứu trọng điểm của nhà nước về tự động hóa giai đoạn
2001 – 2005 có nhiệm vụ của đề tài KC.03.12 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ
TẠO CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ (CNC) THƠNG MINH VÀ CHUN DỤNG
CHO CÁC HỆ THỐNG VÀ Q TRÌNH PHỨC TẠP.
Sản phẩm nghiên cứu của đề tài KC.03.12 bao gồm:
-
Máy phay CNC 3 trục với bộ điều khiển thông minh.
-
Mô hình điều khiển tổng quát.
-
Mô hình Hexapod.
-
Hệ thống đònh lượng nhiều thành phần.
-
Bộ điều khiển cải tiến hệ thống đònh lượng vít.
Để thực hiện các sản phẩm này, chúng tôi phải triển khai thiết kế chế tạo phần
cứng cũng như xây dựng bộ điều khiển và các chương trình phần mềm điều khiển
ii
các thiết bò tương ứng. Mặt khác, những sản phẩm này cũng khác biệt nhau về công
dụng, cho nên để thực hiện các nhiệm vụ này chúng tôi phải chế tạo thêm phần
cứng cơ khí.
• Trong sản phẩm thứ nhất chúng tôi áp dụng bộ điều khiển số CNC thông
minh thích nghi trên máy phay CNC. Bộ điều khiển thông minh được thể hiện qua
các giải thuật thích nghi và dùng Neural. Tính thông minh được thể hiện qua khả
năng thich nghi của máy trong nhiều trường hợp.
• Cấu trúc mở là một trong nhiều đặc tính thông minh của thiết bò. Vì vậy sản
phẩm thứ 2 của đề tài là mô hình điều khiển tổng quát gồm phần cứng là một máy
phay CNC kích thước nhỏ được tích hợp với bộ điều khiển cấu trúc mở.
• Một dạng phát triển mới của máy cộng cụ CNC là Hexapod khác với máy
công cụ CNC truyền thống, máy công cụ Hexapod phải có bộ điều khiển có khả
năng điều khiển đồng thời sáu chân theo nguyên lý STEWART. Cho nên sản phẩm
thứ ba của đề tài nghiên cứu là mô hình Hexapod.
• Đònh lượng cũng là một trong những công đoạn quan trọng của quá trình sản
xuất thực phẩm ,đường, sữa, bột ngọt, thức ăn gia súc, xi măng ...Trong quá trình
đònh lượng các sản phẩm nhiều thành phần có khối lượng nhỏ, độ chính xác cao
cũng cần thiết bộ điều khiển thông minh. Trong sản phẩm thứ tư của đề tài chúng
tôi tập trung nghiên cứu cả phần cứng lẫn phần điều khiển của hệ thống đònh lượng
nhiều thành phần.
• Một đặc điểm của bu lông, ốc, vít là có ren nên rất khó đònh lượng chính xác.
Sản phẩm thứ năm của đề tài tập trung vào việc nghiên cứu cải tiến hệ thống đònh
lượng vít.
Nhóm nghiên cứu hy vọng qua việc thực hiện đề tài nghiên cứu này có thể đóng
góp một phần về phương pháp luận, các kết quả nghiên cứu có thể phục vụ cho
công tác nghiên cứu, giảng dậy và ứng dụng trong sản xuất.
Nội dung trình bày trong báo cáo được thể hiện ở các chương sau :
Chương 1: Bộ điều khiển máy phay CNC thông minh.
iii
Chương 2: Mô hình điều khiển tổng quát.
Chương 3: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hexapod.
Chương 4: Hệ thống đònh lượng nhiều thành phần.
Chương 5: Cải tiến hệ thống đònh lượng vít.
Chương 6: Kết luận và kiến nghò.
Với những kết quả đạt được, chúng tôi rất mong nhận được những ý kiến đánh
giá, góp ý của hội đồng nghiệm thu các cấp để hoàn thiện tốt hơn nhằm phục vụ
hiệu quả trong sản xuất và đào tạo.
iv
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
CHƯƠNG 1
BỘ ĐIỀU KHIỂN MÁY PHAY CNC THÔNG MINH
1.1 TỔNG QUAN
1.1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu
Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các quá trình sản xuất
phức tạp được thực hiện một cách linh hoạt và chính xác.
Sự phát triển và những thành tựu của công nghiệp thông tin cho phép chúng ta có thể
giám sát trực tuyến hiện trạng của các hệ thống sản xuất và gia công phức tạp. Không
những thế người ta còn điều khiển được các quá trình cũng như hệ thống gia công hoạt
động để đạt được những mục tiêu mong muốn.
Như chúng ta đều rõ vai trò của máy công cụ để chế tạo ra các thiết bò máy móc khác.
Máy phay là một trong những máy công cụ phức tạp về kết cấu cũng như điều khiển,
được áp dụng nhiều trong sản xuất.
Hiện nay máy công cụ CNC ra đời đã đem lại những hiệu quả to lớn. Tuy nhiên với
những bộ điều khiển thông thường thì khó đạt được các chỉ tiêu mong muốn về chất
lượng cũng như năng suất khi mà các yếu tố ngẫu nhiên luôn thay đổi và ảnh hưởng đến
hệ thống gia công. Chính vì lẽ đó mà bộ điều khiển CNC thông minh đang được các nhà
khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu.
Với ưu việt nổi trội của bộ điều khiển CNC thông minh ngoài việc áp dụng cho các
máy công cụ nó còn đang được nghiên cứu để áp dụng vào cho các quá trình sản xuất và
hệ thống gia công phức tạp khác.
Do vậy việc nghiên cứu để thiết kế và chế tạo bộ điều khiển thông minh cho máy
phay CNC là cấp thiết.
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
1
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
Trên thế giới việc nghiên cứu bộ điều khiển thông minh đã được ứng dụng trong nhiều
lónh vực khác nhau, đặc biệt là việc nghiên cứu trong lónh vực ứng dụng trên máy CNC.
Trong quá trình nghiên cứu các tác giả đã đưa ra một số khái niệm về máy thông minh.
Cho đến nay, có khá nhiều đònh nghóa về máy công cụ thông minh. Trong cuốn sách
viết năm 1988, Wright và Bourne đã đưa ra một số ý tưởng và mức độ thông minh cho
máy công cụ. Nacsa J [1, 2, 3, 4] đã tổng quan lại những công trình nghiên cứu liên quan
đến máy công cụ thông minh. Trong các bài báo này đã đưa ra những nhu cầu thương
mại về máy công cụ thông minh theo dự báo của Wright từ năm 1988 và cho đến nay.
Monostoris lại phân loại các máy thông minh thành 3 phần:
¾ Điều khiển giám sát dụng cụ.
¾ Mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của máy.
¾ Điều khiển thích nghi.
Hệ thống gia công thông minh đầu tiên được trình bày bởi K. Mori và Kasashina vào
năm 1993 có tên gọi là thiết bò MEL-MASTER ( Hình 1.1).
Hình 1.1: Hệ thống thiết bò
MEL-MASTER
Máy công cụ thông minh đang được nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Kakino, trường đại
học Kyoto (Nhật Bản), từ dự án đầu tiên về điều khiển số thông minh (INC). Dự án INC
được bắt đầu từ năm 1997 và vẫn đang tiếp tục nghiên cứu.
• Giai đoạn đầu tiên từ năm 1997 ÷ 2000 là nghiên cứu về máy khoan thông minh.
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
2
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
• Giai đoạn thứ hai từ năm 2000 ÷ 2002 là nghiên cứu quá trình ta rô và phay thông
minh.
• Giai đoạn thứ ba từ năm 2002 trở đi là nghiên cứu các quá trình gia công khác.
• Từ năm 1997 nhóm nghiên cứu của Giáo Sư Kakino đã công bố nhiều bài báo về các
máy công cụ thông minh cho các quá trình khoan, ta rô. Nguyên lý điều khiển thông
minh quá trình khoan được thể hiện qua sơ đồ tổng thể hình 1.2.
Hình 1.2: Sơ đồ máy thông minh của dự án INC
Để có thể nghiên cứu các tính chất của bộ điều khiển này cần có các cơ cấu chấp hành
nhiều cấp đặc trưng cho một hệ thống phức tạp trong ngành chế tạo máy. Theo Atsuhi
Matsubara, Soichi IBARAKU và Yoshiaki KaKINO ở trường Kyoto, máy khoan thông
minh được thể hiện ở 3 mức điều khiển sau:
¾ Mức 1 : Điều khiển dòng điện, vận tốc, vò trí.
¾ Mức 2 : Điều khiển lực cắt.
¾ Mức 3: Điều khiển trực tuyến và không trực tuyến.
Ngoài ra theo Yoshiaki Kakino máy thông minh có hai loại: feedback, hoặc
feedforward.
Còn theo Altintas, Đại học British Columbia Canada thì cấu trúc chung phần cứng của
máy thông minh chỉ ra trên hình 1.3.
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
3
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
Lực, rung động, nhiệt độ, được
sensor gắn trên máy nhận biết
3 thành phần
tạo nên
chuyển động
cắt
Microphone
CNC
Monitor
Z
Y
Bộ điều khiển CNC
X
Bộ điều khiển chương trình logic
Module điều khiển thao tác thông
minh (Mạch xử lý tín hiệu số với giao
tiếp qua các cổng A/D và D/A)
Bàn máy
Hình 1.3 : Cấu trúc của hệ thống máy thông minh cuả Altintas
Hệ thống gia công thông minh này có thể đáp ứng các yêu cầu thông minh khác nhau
như: Điều khiển thích nghi, giám sát điều kiện gia công và điều khiển quá trình.
Theo Altintas, trong máy phay thông minh cần phải có:
¾ Phần cứng là một máy phay CNC truyền thống.
¾ Các cảm biến khác nhau để nhận biết về tiếng ồn, rung động, lực cắt,…
¾ Bộ điều khiển giám sát.
¾ Bộ điều khiển CNC.
Hệ thống gia công thông minh do Dharan và Won [5] đề xuất bao gồm một trung tâm
gia công truyền thống được trang bò thêm các cảm biến lực, cảm biến vò trí và bộ điều
khiển thông minh để điều khiển quá trình khoan vật liệu composite.
Ozaki và Sheng nghiên cứu quá trình khoan vật liệu composite trên trung tâm gia công
NAOSSURA MC 510-VSS được tích hợp với các cảm biến lực Kistler 9271A và bộ điều
khiển thông minh.
N.K.Mehta Viện kỹ thuật Roorkee- Ấn độ đưa ra mô hình điều khiển thông minh cho
quá trình tiện (Hình 1.4).
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
4
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
Hình 1.4: Mô hình điều khiển thích nghi khi gia công tiện
Tae Young Kim và Jongwon Kim ( Đại học quốc gia Seoul- Hàn quốc ) nghiên cứu giới
thiệu bộ điều khiển thích nghi lực cắt cho quá trình phay (Hình 1.5).
Hình 1.5: Sơ đồ máy phay CNC ngang có điều khiển thích nghi
Ngoài ra còn rất nhiều các công trình nghiên cứu tại các nước khác như : Thụy Điển,
Trung Quốc v.v..Qua các công trình này chúng tôi nhận thấy hệ thống gia công thông
minh có thể đáp ứng các yêu cầu thông minh khác nhau như: Điều khiển thích nghi,
giám sát và điều khiển quá trình gia công.
Ở trong nước đã có những nghiên cứu về lónh vực máy gia công thông minh ở Viện
máy công cụ IMI, Viện kỹ thuật quân sự. Các công trình nghiên cứu này đã đạt được
những kết quả nhất đònh như giám sát quá trình gia công, điều khiển thích nghi khi
thông số lực cắt vượt quá giá trò cho phép.
Có lẽ mọi tiêu chí về điều khiển thông minh, hệ thống thông minh và bộ điều khiển
thông minh có thể được kiểm đònh bởi hoạt động của hệ thống gia công thông minh, vì
vậy chính bộ điều khiển thông minh sẽ quyết đònh tính thông minh của hệ thống.
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
5
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
1.1.3 Nhận xét
Sau khi nghiên cứu những tài liệu nghiên cứu về hệ thống gia công thông minh chúng
tôi có nhận xét sau đây:
Hệ thống gia công thông minh là hệ thống mà có sử dụng một trong những yếu tố sau
đây:
¾ Có cảm biến.
¾ Các vòng lặp điều khiển.
¾ Cấu trúc mở.
¾ Điều khiển thích nghi.
¾ Điều khiển dùng Neural.
¾ Điều khiển dùng Fuzzy.
¾ Điều khiển giám sát.
Cấu trúc của một hệ thống gia công thông minh bao gồm hệ thống gia công CNC được
điều khiển bởi bộ điều khiển thông minh .
Bộ điều khiển thông minh CNC là bộ phận quan trọng nhất quyết đònh khả năng đạt
mục tiêu của một hệ thống gia công thông minh .
1.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu
Mục đích chính của đề tài là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển CNC thông minh cho
một máy phay.
Tuy nhiên nếu chỉ có bộ điều khiển thì chúng ta không thể nghiên cứu thử nghiệm
cũng như đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển này. Chính vì lẽ đó mục đích tổng thể của
đề tài là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cho máy CNC thông minh, tích hợp và điều
khiển máy phay CNC.
Để đạt được mục tiêu này chúng tôi thấy cần nghiên cứu những nội dung sau đây:
¾ Nghiên cứu tổng quan tài liệu về điều khiển thông minh cũng như hệ thống gia
công thông minh.
¾ Xác đònh cấu trúc của máy phay CNC thông minh.
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
6
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
¾ Nghiên cứu phần cứng máy phay CNC và phần mềm điều khiển.
¾ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều khiển thông minh trên cơ sở điều khiển
thích nghi.
¾ Phân tích lựa chọn chỉ tiêu để điều khiển thích nghi.
¾ Nghiên cứu điều khiển quá trình phay dùng Neural.
¾ Nghiên cứu thực nghiệm điều khiển thích nghi quá trình phay và quá trình. điều
khiển dùng neural.
1.2 CẤU TRÚC CỦA MÁY PHAY CNC THÔNG MINH
1.2.1 Sơ đồ cấu trúc máy phay CNC thông minh
Cấu trúc của máy phay CNC thông minh được mô tả cụ thể trên hình 1.6.
Lực cắt tham chiếu
CNC
FANUC
Lực kế
Card PCL
-812PG
Máy tính 2 + Phần mềm hiển thi
(DASYLab)+ Điều khiển thích nghi
Q trình phay
Điều chỉnh
lượng chạy dao
Card điều
khiển
Flexmotion
PCI - 7344
Luợng chạy dao
Lượng chạy dao
Máy tính 1 + CNC Controller
Hình 1.6: Cấu trúc của máy phay CNC thông minh
Hệ thống bao gồm có các bộ phận sau đây:
¾ Máy phay CNC 3 trục với bộ điều khiển PC-based được xây dựng trên nền card
điều khiển chuyển động PCI-7344: Đây là một máy phay CNC 3 trục hoàn chỉnh,
có đầy đủ các chức năng của các máy CNC thông thường. Ngoài ra phần mềm
điều khiển còn có khả năng nhận tín hiệu hồi tiếp từ máy tính, xử lý tín hiệu lực
cắt và hiệu chỉnh trực tuyến tốc độ chạy dao.
¾ Lực kế đo lực cắt theo 3 phương X,Y,Z.
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
7
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
¾ Phần thu nhận và xử lý tín hiệu cảm biến lực cắt: Phần này có chức năng thu
nhận, lọc, khuyếch đại và xử lý các tín hiệu từ cảm biến lực cắt, tính toán và đưa
ra các giá trò mới của lượng chạy dao. Hoạt động của hệ thống này được mô tả
theo sơ đồ hình 1.7
Hình 1.7 : Sơ đồ máy phay thông minh thực hiện
tại trường ĐH.Bách Khoa.TPHCM
Quá trình lập trình và giám sát có thể thực hiện trên bộ điều khiển cấu trúc mở
(OAC), ở đây chúng tôi thực hiện cấu trúc mở về phần mềm, quá trình lập trình, gia
công, giám sát và điều khiển thích nghi được thực hiện trên máy CNC có cấu trúc OAC
để có thể cùng một lúc chạy chương trình và điều khiển thay đổi thông số công nghệ của
quá trình gia công. Chi tiết được thể hiện ở dạng 3D, sau đó chuyển sang ngôn ngữ
máy.
Lập trình đường chạy dao: Các phần mềm CAM có khả năng tạo ra các đường chạy
dao cho bất kỳ chi tiết nào. Việc chế tạo cần phải phân tích từ các yêu cầu kỹ thuật của
chi tiết, các đường chạy dao, khả năng của máy CNC và quyết đònh các thông số hình
học của dao và các thông số công nghệ của quá trình gia công .
Mô hình hóa hình học và cơ chế cắt: Mô phỏng quá trình gia công của chi tiết và dụng
cụ cắt được thực hiện, lượng chạy dao và tốc độ trục chính. Biết loại dao và các thông số
công nghệ sẽ tính được lực cắt. Giá trò lực cắt phải đảm bảo cho lưỡi cắt và chi tiết không
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
8
Báo cáo tổng kết khoa học kỹ thuật –Đề tài KC-03.12
có hiện tượng quá nhiệt và bò mòn. Giữa lực cắt và lượng chạy dao có mối quan hệ với
nhau.
Bộ điều khiển trung tâm: Máy CNC có cấu trúc OAC, thu thập dữ liệu và phối hợp dữ
liệu cùng với việc chạy dữ liệu xảy ra đồng thời . Ví dụ như: Lực cắt, lượng chạy dao, tốc
độ trục chính được thu thập trong khoảng một miligiây bởi OAC từ các cảm biến khác
nhau trên máy, và lưu trữ lại như là biến trong thời gian thực của máy. Các dữ liệu này
có thể được giữ cho hệ thống điều khiển thích nghi và cho mô hình điều chỉnh.
Chương trình chạy bởi máy CNC bao hàm lượng chạy dao xác đònh thông qua việc
dùng mô hình quá trình. Do vậy chúng ta cố gắng thu nhận lực với giá trò cực đại cho
phép, điều này rất quan trọng để đảm bảo môø hình dự đoán lực là chính xác. Chúng thực
hiện so sánh lực đo được với lực dự đoán trong suốt quá trình gia công. Nếu sự khác nhau
này có thì hệ thống có thể tăng hoặc giảm lượng chạy dao trong thời gian điều khiển thực
hoặc thay đổi lượng chạy dao trong chương trình.
Mô hình điều chỉnh và điều khiển thích nghi: Mô hình điều chỉnh và điều khiển lực là
cần thiết khi việc xác đònh lực cắt là khác nhau đáng kể từ các giá trò lực đo được. Điều
này là do độ không chính xác của mô hình tính toán, độ mòn dụng cụ, sự thay đổi hướng
gia công, thay đổi độ cứng của vật liệu chi tiết và nhiều ảnh hưởng khác có thể gây ra độ
không chính xác. Chúng ta có hai cách để điều chỉnh lực cắt đạt đến giá trò lớn nhất cho
phép là mô hình điều chỉnh và điều khiển thích nghi. Mô hình điều chỉnh là phương pháp
trực tuyến để tính toán và cập nhật lượng chạy dao của quá trình gia công để thay đổi
chúng. Thuật toán bình phương nhỏ nhất trực tuyến để xác đònh hằng số. Dữ liệu lực từ
OAC được thích hợp với các thông số hình học của dao và được sử dụng là đầu vào của
thuật toán xác đònh. Một số mới đã được xác đònh, chương trình lượng chạy dao sẽ tính
toán lại. Chương trình mới sẽ được tải tới OAC để thay đổi chương trình. Mặt khác chú ý
rằng ở đây chỉ điều chỉnh lượng chạy dao của OAC thông qua việc sử dụng thông số
Feedrate Override. Thông số này tồn tại trong cơ sở dữ liệu của OAC và thực hiện cùng
một chức năng như Feedrate Overide pot.
Việc điều khiển thích nghi cung cấp gần như điều khiển lực ngay lập tức. Việc thu
nhận các giá trò lực đo được trực tuyến được so sánh với lực mong muốn và điều chỉnh
Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh
9
