Điều khiển hệ gia công trên mặt phẳng bằng cơ cấu dây băng

TÓM TẮT
Đề tài nghiên cứu này, Tác giả giới thiệu một mơ hình máy cơng cụ CNC hai

chiều dùng phương pháp truyền động khác. Đó là, sử dụng cơ cấu dây băng để điều
khiển hệ gia công di chuyển trên mặt phẳng khả dụng.

Ưu điểm của hệ này là có khả năng mở rộng mặt phẳng khả dụng theo yêu cầu

thực tiển mà các yếu tố về kỹ thuật, vốn đầu tư, thời gian cần nâng cấp là ưu thế
hơn. Ngồi ra, việc chỉnh sửa chương trình cũng ít can thiệp hơn.

Phương pháp điều khiển cho hệ dựa trên nền tảng của logic mờ. Từ các yêu

cầu công nghệ, tác giả xây dựng tập mờ bằng cách định nghĩa các biến ngơn ngữ.
Sau đó, xây dựng các hàm liên thuộc ngã vào và ngã ra kể cả các hàm trung gian.

Bước tiếp theo tìm và cho ra các luật mờ, sau khi đã thực hiện việc mờ hóa các tín
hiệu đầu vào. Dựa trên các luật mờ, tác giả dùng công cụ giải mờ kết hợp với kinh

nghiệm thực tế để rõ hóa các tín hiệu đầu ra và sử dụng ngơn ngữ lập trình PLC S7200 thực hiện xử lý để điều khiển tốc độ và chiều quay của hai động cơ trong cơ cấu

dây băng, làm di chuyển hệ gia cơng đến đúng vị trí xác lập trước do người dùng cài
đặt.

Kết quả vận hành của mơ hình máy công cụ cho thấy hệ gia công đã dừng

đúng tại các vị trí đặt trước trong mặt phẳng khả dụng.

v

ABSTRACT

This research project, the Author introduces a model of bidirectional CNC

machine tools using the other transmission method. That is, using the ribbon
structure to control the processing system move on a flat surface available.

The advantage of this system is capable of to expand useful flat surface at the

request practical, but technical factors, investment, time to upgrade is more
dominant. In addition to editing program interventions is also quite less.

Controlling method for system based on fuzzy logic platform. From the

technological requirements, the Authors build by defining the fuzzy linguistic

variables. Then, build membership functions for input and out including the

secondary functions. The next step to find out the fuzzy rules, after having fuzzy the
input signals. Based on the fuzzy rules, the author uses the defuzzification tools

combined with practical experience to perform the defuzzification of the output
signal, and use S7-200 PLC programming language implementation and control
processor speed degree and direction of rotation of the two motors in the ribbon

structure, they moved the processing system go to right position determined in the
plane, which were installed by the user.

Operating results of the model showed that machine tool machining system

has stopped exactly at the preset position in the plane available.

vi


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN

iv

MỤC LỤC

vi

TĨM TẮT

v

DANH MỤC HÌNH

x

LỜI NĨI ĐẦU

xvii

Chương 1 TỔNG QUAN

1

1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu:

1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

2

5

1.3. Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu.

6

1.5. Phương pháp nghiên cứu.

6

1.4. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài.

6

Chương 2 GIỚI THIỆU CƠ CẤU VÀ Ý TƯỞNG THIẾT KẾ

8

2.2. Các kiểu cơ cấu vận hành trước đây

8

2.2.2. Cố định vật gia công, di chuyển cơ cấu chấp hành

8

2.1. Yêu cầu hoạt động của cơ cấu

2.2.1. Di chuyển vật gia công trên bệ đỡ của máy

2.2.3. Di chuyển cơ cấu chấp hành bằng cánh tay robot

8
8

9

2.2.4. Cấu trúc di chuyển bằng dây đay răng

10

2.3.1. Quy trình làm việc cơ bản của cơ cấu dây băng

12

2.3. Cấu trúc của cơ cấu dây băng

11

2.3.2. Chọn phương án cho thanh trượt của cơ cấu dây băng

13

2.3.3.1. Mở rộng thanh đỡ:

15

2.3.3. Vấn đề mở rộng cho cơ cấu:

vi

15


2.3.3.2. Dự trữ dây băng cho mở rộng

15

Chương 3 LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ

17

3.2. Tập Mờ Và Các Phép Toán Tập Mờ

18

3.2.1.1. Khái niệm tập hợp mờ

18

3.1. Giới Thiệu
3.2.1.

Tập mờ và thông tin không chắc chắn

17

18

3.2.1.2. Tập lát cắt của tập mờ

20

3.2.3.

23

3.2.2.

Biến ngơn ngữ

22

Các phép tính trên trên tập mờ

3.2.3.1. Phép hợp ∪

25

3.2.3.2. Phép giao ∩

25

3.2.3.3. Phép lấy phần bù ~

26

3.2.3.4. Phép tổng và tích đại số của các tập mờ

26

3.2.3.6. Phép dãn

28

3.2.3.5. Phép tập trung hay phép co
3.3. Phép Mờ Hóa

27
29

3.4. Phép Khử Mờ

31

3.4.1. Phương pháp cực đại trung bình

33

3.4.2. Phương pháp cực đại trung bình có trọng số

34

3.5. Quan Hệ Mờ

36

3.4.3. Phương pháp trọng tâm
3.5.1. Khái niệm quan hệ mờ

35

36

3.5.2. Quan hệ mờ và tri thức dạng luật nếu-thì

36

3.6.1. Giới thiệu logic mờ

37

3.6. Logic Mờ

vii

37


3.6.2. Cấu trúc cơ bản

38

3.6.4. Khâu mờ hoá

41

3.7.1.

Các mệnh đề mờ

41

3.7.1.2.

Mệnh đề mờ khơng điều kiện có giới hạn chân lý

42

Mệnh đề điều kiện và giới hạn chân lý

42

3.6.3. Không gian Input - Output

40

3.7. Khâu Giải Mờ
3.7.1.1.
3.7.1.3.
3.7.1.4.
3.7. 2.
3.8.

41

Mệnh đề mờ không điều kiện và không bị giới hạn
Mệnh đề điều kiện khơng giới hạn chân lý
Các phép tốn mệnh đề mờ
Phép Kéo Theo Mờ

41

42

43

43

3.8.1. Phép kéo theo Dienes - Rescher :

43

3.8.2. Phép kéo theo Lukasiewicz

44

3.8.4. Kéo theo Mamdani

44

3.8.3. Phép kéo theo Zadeh

44

3.9.

Luật Mờ

44

3.9.2.

Luật Mờ Và Phép Nội suy Mờ

3.9.2.2.

Luật Modus Ponens hay Modus Tollens

47

Hệ nội suy mờ

50

3.9.1. Cơ Sở Các Luật Mờ

44

3.9.2.1.

46

3.9.3.

3.10.

3.10.1.
3.10.2.
3.11.

45

Định nghĩa luật mờ

Định nghĩa hệ mờ trên cơ sở các luật mờ

49

Kiến trúc cơ bản của hệ nội suy mờ

50

Lý Thuyết Cơ Bản Bộ Điều Khiển Logic Mờ

52

Các bước nội suy mờ

viii

51


3.11.1.

Giới thiệu bộ điều khiển mờ

3.11.3.

Phân loại bộ điều khiển mờ

3.11.2.
3.11.4.
3.11.5.
3.11.6.
3.12.

52

Cấu trúc bộ điều khiển mờ trực tiếp

52

Mờ hóa

55

Giải mờ

Thuật toán nội suy mờ tổng quát

Các Ứng Dụng Khác Của Lơgic Mờ

54

55

60

61

Chương 4 ĐIỀU KHIỂN HỆ GIA CƠNG TRÊN MẶT PHẲNG BẰNG CƠ CẤU
DÂY BĂNG DÙNG LOGIC MỜ

63

4.1.1. Mục tiêu

63

4.1.3. Hệ thống tọa độ phối hợp

64

4.1. Mục Tiêu Và Thiết Kế

63

4.1.2. Thiết kế ứng dụng

63

4.2. Phân tích thuật tốn xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ thống

65

4.2.2.

Xâv dựng hàm liên thuộc

68

4.2.2.2

Xây dựng hàm liên thuộc cho các hệ mờ cho ngã vào x

4.2.1. Định nghĩa biến ngôn ngữ và các thuật ngữ.
4.2.2.1.

Các loại hàm phụ thuộc phổ biến

66

68

70

4.2.2.3. Xây dựng hàm liên thuộc cho các hệ mờ cho ngã vào y

71

4.2.3. Xây dựng các luật mờ.

78

4.2.2.4. Xây dựng điều kiện cho ngã ra trung gian DIR

73

4.2.3.1. Xây dựng luật cho chiều quay của động cơ

78

Điều kiện cho việc thay đổi tốc độ động cơ

81

4.2.3.2. Luật mờ cho tốc độ động cơ

4.2.4. Làm mờ các dữ liệu đầu vào “rõ” thành các giá trị “mờ”
ix

81

88


4.2.5. Đánh giá các luật trong tập luật

90

4.2.6. Giải mờ dữ liệu đầu ra

90

4.3. Giải thuật điều khiển hệ thống
4.4.

4.4.1.

94

Các sơ đồ của hệ thống

101

Sơ đồ nguyên lý

101

4.4.2. Sơ đồ lắp đặt hệ thống

105

4.4.2.1. Sơ đồ lắp đặt hệ thống điều khiển bằng PLC S7-200

105

5.1.

106

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
5.1.1

Kết Quả Đạt Được

Hình ảnh mơ hình nghiên cứu

106

106

5.2. Hạn Chế Và Hướng Phát Triển

107

Tài Liệu Tham Khảo

PHỤ LỤC 1 Giới Thiệu PLC S7-200 Sử Dụng Trong Mơ Hình

PHỤ LỤC 2 Giới Thiệu Về Cảm Biến Khoảng Cách Quang Học SHARP
PHỤ LỤC 3 Chương Trình Điều Khiển Bằng PLC S7-2000
DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Di chuyển vật trên bệ đỡ

Hình 2. 2 Mơ hình di chuyển cơ cấu chấp hành

Hình 2.3ab Di chuyển cơ cấu chấp hành bằng vitme

108

109

112

115
8

9

9

Hình 2. 4 Di chuyển cơ cấu gia công bằng cánh tay robot

10

Hình 2. 6 Hai động cơ chạy ngược chiều ra

12

Hình 2. 5 Mơ hình hệ truyền động bằng dây băng

11

Hình 2. 7 Hai động cơ chạy ngược chiều vào

12

Hình 2. 9 Hai động cơ chạy cùng chiều phải

12

Hình 2. 8 Hai động cơ chạy cùng chiều trái

x

12


Hình 2. 10 Một động cơ chạy chiều phải

13

Hình 2. 12. Hệ ống trượt

14

Hình 2. 11. Một động cơ chạy chiều trái

13

Hình 2. 13 Trong khối trượt có gắn bi chống ma sát

14

Hình 2. 15. Hệ trượt bằng vịng bi

14

Hình 2. 14 Thanh trượt vng

14

Hình 2. 16 Nối đối đầu hai thanh trịn cùng tiết diện bằng răng

15

Hình 3.1 Phép tập trung

28

Hình 2. 17 Bộ dự trữ dây băng cho mở rộng

Hình 3. 2 Các hàm thuộc của biến NHIỆT ĐỘ

15

30

Hình 3. 3 Cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển mờ

38

- THEN

50

Hình 3.4 Cấu trúc cơ bản của hệ nội suy mờ Bộ luật bao gồm một số các luật mờ IF
Hình 3.5 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mờ

53

Hình 3. 7 Phương pháp giải mờ cực đại theo nguyên lý trung bình

58

Hình 3. 6 Phương pháp giải mờ cực đại

57

Hình 3. 8 Phương pháp giải mờ cực đại theo nguyên lý cận phải

58

Hình 3. 10 Phương pháp giải mờ trọng tâm

58

Hình 4. 1 Hệ thống điều khiển mờ

63

Hình 4. 3 Mơ hình xa bàn dịch chuyển của hệ thống

65

Hình 3.9 Phương pháp giải mờ cực đại theo nguyên lý cận trái
Hình 3.11 Hàm thuộc dạng hình thang

Hình 4.2 Đồ thị hệ thống tọa độ phối hợp

Hình 4. 4 Quy định khoảng cách cho hàm giá trị

xi

58
59

64

66


Hình 4.5 Dạng hàm liên thuộc (membership function) phổ biến

68

Hình 4.7 Dạng hình thang phải

69

Hình 4. 9 Hàm liên thuộc ngã vào X

70

Hình 4. 11 Hàm liên thuộc ngã vào Y

71

Hình 4. 13 Chiều chuyển động GT của cơ cấu

73

Hình 4. 15 Chiều chuyển động GR của cơ cấu

73

Hình 4. 6 Dạng hàm tam giác

Hình 4.8 Dạng hình thang trái

69

69

Hình 4. 10 Hàm liên thuộc ngã vào giá trị trục x
Hình 4. 12 Hàm liên thuộc ngã vào giá trị trục x
Hình 4. 14 Chiều chuyển động TG của cơ cấu

70
72

73

Hình 4. 16 Chiều chuyển động RB của cơ cấu

73

Hình 4. 18 Chiều chuyển động LB của cơ cấu

74

Hình 4. 20 Chiều chuyển động Tl của cơ cấu

74

Hình 4. 22 Sai số góc lệch trong q trình di chuyển

76

Hình 4. 24 Các khoảng cách của vị trí tín hiệu vào

89

Hình 4. 17 Chiều chuyển động GT của cơ cấu
Hình 4. 19 Chiều chuyển động GL của cơ cấu
Hình 4. 21 Góc lệch 

Hình 4. 23 Hàm liên thuộc tốc độ

75
74
76

77

Hình 4.25 Sơ đồ cầu H xác định chiều quay động cơ

93

Hình 4. 27. Thuật giải khi x=x0

95

Hình 4. 26. Đọc giá trị đầu vào

Hình 4. 28. Thuật giải khi x>x0

94

96

Hình 4. 29. Thuật giải khi x
97
xii


Hình 4. 30 Thuật giải cho điều khiển tốc độ nhanh

Hình 4. 31 Thuật giải cho điều khiển tố độ trung bình

98

99

Hình 4. 32 Thuật giải cho điều khiển tố độ chậm

100

Hình 4.34 Sơ đồ nguyên lý ngã vào bộ điều khiển hệ thống

102

Hình 4. 36 Sơ đồ mạch động lực

104

Hình 4.33 Sơ đồ nguyên lý ngã ra bộ điều khiển hệ thống
Hình 4.35 Kết nối cảm biến với bộ analog

101
103

Hình 4.37 Sơ đồ lắp đặt mạch điều khiển tổng quát

105

Hình 5.1 Bộ điều khiển trung tâm

106

Hình PL1.2 Modul analog M235

109

Hình PL2.1 Cảm biến sharp 2y0a21

112

Hình PL1. 1 PLC S7-200

109

Hình PL2.2 Giản đồ thời gian của cảm biến sharp

112

Hình PL2. 3 Mối quan hệ giữa khoảng cách đo và điện áp đầu ra của 2YOA21 113
Hình PL2. 4 Mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và số nghịch đảo của khoảng cách 113
Hình PL2. 5 Sơ đồ chân của cảm biến mà ta sử dụng

113

Hình PL2. 7 Quan hệ D/IR

114

Hình PL2. 6 Sơ đồ khối của bộ cảm biến

xiii

114


DANH MỤC BẢNG

Bảng1.1 Bảng thông số Máy CNC khổ cắt lớn
Bảng 3.1 Luật mờ nếu thì

4
45

Bảng 3.2 Bảng nội suy mờ theo mệnh đề

60

Bảng 4.1 Bảng xác định góc di chuyển của cơ cấu

75

Bảng 4.2 Bảng xác định chiều quay và tốc độ động cơ cụ thể

75

Bảng 4.4 Bảng xác định chiều quay tương đối của hai động cơ tổng quát

80

Bảng 4.3 Bảng luật xác định hướng di chuyển của cơ cấu
Bảng 4.5

Tốc độ phụ thuộc vào khoảng cách

Bảng 4.6 Tốc độ phụ thuộc vào góc lệch

và độ sai lệch ∆

Bảng 4.7 Bảng mơ tả đóng mở cho động cơ 1
Bảng 4.8 Bảng mơ tả đóng mở cho động cơ 1

xiv

78

83

84

93
94


LỜI NÓI ĐẦU

Bộ điều khiển CNC, làm việc như một bộ não để sản xuất tự động hóa, có giá

trị gia tăng sản phẩm cao chiếm trên 30% giá của máy cơng cụ. Cơng nghệ CNC nói

chung được coi là một thước đo mức độ công nghệ sản xuất của một quốc gia và
hiện đang dẫn đầu các nước tiên tiến như Mỹ, Nhật Bản và Đức. Công nghệ CNC,

không thể được phát triển với một công nghệ duy nhất mà cần phải tích hợp cơng
nghệ máy tính, cơng nghệ phần cứng, công nghệ gia công,…, và như vậy, thường

được gọi là "Tinh túy của Cơng nghệ cơng nghiệp", địi hỏi một sự hỗ trợ chiến
lược dài hạn, chủ yếu là trên một cấp độ thành phố hay chính phủ.

Mặc dù có vai trị rất quan trọng, tài liệu nói về lĩnh vực điều khiển CNC là

khá hiếm trên toàn thế giới, với một vài công bố trong năm 1970 và một số ít ở

những năm sau đó. Tuy nhiên, những người trước đó chủ yếu là đối phó với các

công nghệ thông thường, trong khi những người sau đối phó với nội dung phân
đoạn cơng nghiệp, chủ yếu tập trung vào phần lập trình và hoạt động máy.

Cơng trình nghiên cứu này được tác giả thực hiện có phối hợp những kiến

thức hiểu biết của mình trong các lĩnh vực giáo dục, nghiên cứu và thực tế. Với tinh
thần tập trung cao độ để tổng hợp các kiến thức về các nguyên tắc và các công nghệ
phát triển của các bộ điều khiển CNC.

Cơng trình nghiên cứu này có thể được sử dụng như một cuốn tài liệu tham

khảo cho các nghiên cứu liên quan đến CNC, kỹ thuật điều khiển tự động trong các
ngành như: cơ khí, cơ khí chính xác và kỹ thuật điều khiển….

Cấu trúc của cơng trình nghiên cứu này được tóm tắt như sau:
Chương 1:Giới thiệu chung

Chương 2: Giới thiệu cơ cấu và ý tưởng thiết kế: mô tả hệ thống cần thiết kế

phục vụ cho đề tài nghiên cứu này.

Chương 3: Nêu lên các kiến thức cơ bản về lý thuyết mờ và các hệ thống mờ,

kiến trúc mềm CNC, bao gồm các ngun tắc của mơ-đun chính máy điều khiển số
xvii


và quá trình thiết kế hệ thống cho các thành phần của hệ thống tổng thể từ quan
điểm của mờ - kiến trúc hệ thống CNC mềm.

Chương 4: Vận dụng các kiến thức mờ, xây dựng các luật mờ điều khiển hệ

thống, viết chương trình trên ngơn ngữ PLC S7-200 của SIEMENS để điều khiển hệ

thống. Trong chương này, thực hiện việc xây dựng và lắp đặt mơ hình phục vụ cho
nghiên cứu.

Chương 5: Trình bày kết quả nghiên cứu và ưu - nhược điểm của hệ thống.

Bên cạnh đó đề ra hướng phát triển hệ thống.

Với kiến thức đã học, kết hợp kinh nghiệm thực tế, tác giả đã nghiên cứu tìm

ra một thiết bị sản xuất có các đặc tính tương đương với thiết bị hiện có nhưng ưu
thế hơn về giá đầu tư ban đầu, tính năng cơ động, chương trình điều khiển…

Với thời gian quy định của luận văn, kiến thức và kinh nghiệm áp dụng cịn

hạn chế sẽ có khơng ít những thiếu sót. Kính mong nhận được nhiều ý kiến của quý

Thầy Cô, Chuyên Gia, cùng các bạn góp ý xây dựng và phát triển để đề tài ngày
càng hoàn chỉnh và đưa vào phục vụ cho sản xuất công nghiệp.

Tác giả đề tài

Nguyễn Anh Tuấn.

xviii

Chương 1

Tổng Quan
Chương 1

TỔNG QUAN
VIỆT NAM hiện là một nước đang phát triển, các thiết bị sản xuất còn lạc

hậu và đang từng bước hiện đại hóa. Với cơng cuộc cơng nghiệp hóa và hiện đại

hóa đất nước của Đảng và Nhà nước ta hiện nay, các dây chuyền sản xuất tự động
ngày càng được sử dụng rộng rãi trong bộ máy sản xuất, chế biến… từ qui mô nhỏ

đến lớn. Các hệ thống tự động ngày càng trở nên quan trọng trong nền sản xuất
quốc dân. Sản phẩm có thể được sản xuất hàng loạt, có chất lượng cao, giá thành hạ
và đặc biệt là giải phóng sức lao động của con người.

Tuy nhiên, việc đầu tư một hệ thống sản xuất tự động hiện đại rất tốn kém

ngân sách và đào tạo con người có đủ tay nghề để vận hành, bảo trì, bảo dưỡng để
cho máy hoạt động ổn định, liên tục thì ln được địi hỏi.

Những lĩnh vực kỹ thuật có ảnh hưởng khơng nhỏ đến nền kinh tế đó là cơ

khí chế tạo, điện-điện tử và điều khiển tự động. Những lĩnh vực này thúc đẩy sản
xuất của cải vật chất cho xã hội.

Trước đây, việc tạo ra một chi tiết hay một sản phẩm phải qua nhiều khâu

riêng lẽ, mỗi khâu làm việc độc lập nhau. Ở mỗi khâu này có độ chính xác khác
nhau, do đó, sản phẩm cho ra thơ và tuổi thọ ngắn, năng suất thấp. Từ khi có sự kết
hợp giữa cơ khí, điện, điện tử và điều khiển bằng máy tính tạo ra các thiết bị sản

xuất tự động, nên sản phẩm ngày càng tinh xảo hơn, tuổi thọ cao hơn thích hợp với
thị hiếu người tiêu dùng hơn. Sự kết hợp này đã cho ra một ngành khoa học kỹ thuật
mới từ đó ngành cơ điện tử ra đời.

Cùng với sự ra đời của ngành cơ điện tử, các cơng ty - xí nghiệp được trang

bị hệ thống cơ điện tử dùng trong sản xuất ngày càng nhiều và dây chuyền ngày
càng hiện đại, sản phẩm được tạo ra có độ chính xác rất cao và đồng bộ, có giá
thành thấp dễ cạnh tranh trên thị trường từ nội địa ra khu vực và thế giới…

Luận văn

Trang 1

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 1

Tổng Quan

Trào lưu phát triển của ngành cơ điện tử, máy công cụ cũng phát triển vượt

bậc. Trước đây, máy cơng cụ làm việc đơn lẽ theo từng tính năng như: tiện, phay,

bào… bán tự động. Hiện nay, các chức năng này điều được tích hợp trong một thiết

bị được điều khiển tự động hoàn toàn bằng phần mềm có sự hổ trợ của máy tính

như là máy CNC, ROBOT tự hành…. Từ khi ra đời nó làm thay đổi quy trình cơng

nghệ cũ lạc hậu bằng quy trình cơng nghệ mới hiện đại hơn, chính xác hơn, hiệu
quả hơn, năng suất cao hơn…

Tuy nhiên, với mặt bằng khoa học kỹ thuật ở VIỆT NAM chưa thể chế tạo ra

các thiết bị như thế, hầu hết các công ty xí nghiệp điều phải nhập từ nước ngồi với
chi phí rất cao từ thiết bị đến chuyển giao công nghệ.

Vấn đề đặt ra cho bộ khoa học kỹ thuật VIỆT NAM là phải nổ lực học hỏi,

tìm tịi, nghiên cứu để nắm bắt cải tiến và hướng đến làm chủ cơng nghệ nhằm thúc
đẩy cơng cuộc hiện đại hóa đất nước theo chiều sâu và bền vững.

Là thành viên trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật tác giả góp phần nhỏ cơng

sức của mình vào nhiệm vụ được đề ra bằng đề tài nghiên cứu:

“Điều Khiển Hệ Gia Công Trên Mặt Phẳng Bằng Cơ Cấu Dây Băng”
1.1. Tổng quan về hướng nghiên cứu:

Hiện nay, việc gia công mặt phẳng chi tiết như vẽ mạch in cho mạch điện tử,

khoan mạch điện tử, sơn bề mặt, gia công mặt phẳng… rất cần những thiết bị có độ

chính xác cao, địi hỏi cơng nghệ ngày càng trở nên chính xác, gọn nhẹ và tiết kiệm
năng lượng.

Trước đây, để thực hiện việc di chuyển cơ cấu chấp hành, trên mặt phẳng

người ta sử dụng cơ cấu cơ khí nặng nề với cấu trúc răng xốy phức tạp và địi hỏi

cơ khí chính xác rất cao, việc định vị cho cơ cấu chấp hành cũng khá phức tạp.
Ngồi ra, chúng cịn phải dùng motor lớn tốn nhiều năng lượng, hạn chế việc tăng

diện tích, muốn mở rộng diện tích làm việc, ngồi việc thay đổi chương trình cịn
thay đổi kết cấu cơ khí phức tạp.

Luận văn

Trang 2

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 1

Tổng Quan

Để khắc phục nhược điểm trên cần phải tìm ra một hệ cơ cấu khác có khả

năng cơ động cao, mở rộng diện tích hoạt động khơng thay đổi nhiều về kết cấu của

hệ, tiết kiệm năng lượng và có độ chính xác cao, sử dụng các thiết bị sẵn có trên thị
trường, dễ tìm, giá thành rẽ.

Từ những ý tưởng trên tác giả tiến hành nghiên cứu đề tài trên theo hướng

băng”.

“Điều khiển cơ cấu chấp hành di chuyển trên mặt phẳng bằng hệ thống dây
Nhiệm vụ và ứng dụng của hệ thống này là di chuyển một cơ cấu chấp hành

như hệ mũi khoan, mũi doa, hệ phun sơn, đầu hút … di chuyển chính xác đến các vị
trí đã thiết kế trên mặt phẳng khả dụng.

1.1.1 Tóm tắt các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước.

Với việc di chuyển hệ chấp hành trên mặt phẳng đã được nhiều cơng trình

nghiên cứu trong và ngồi nước nhưng hầu hết các cơng trình trên đều dừng lại tại
phần cơ khí dùng vitme hay dây đay răng để di chuyển hệ. Tiêu biểu như:


Viện Cơ học và Tin học ứng dụng, “Máy CNC khổ cắt lớn” Viện Hàn

Lâm Khoa Học Và Công Nghệ Việt Nam. Máy được thiết kế dạng mơ đun theo
chiều dài. Vì vậy, chiều dài máy được lắp ghép các module lại với nhau dễ dàng,

truyền động bánh răng, thanh răng trên cả hai đường ray dẫn hướng trên suốt cả

chiều dài máy, điều khiển tốc độ, vị trí bằng động cơ AC servo. Kết cấu dẫn hướng
dạng con lăn trên các mặt phẳng, 2 con lăn kẹp hai bên thanh dẫn hướng hoặc băng
trượt bi giúp định vị chính xác.
Chiều rộng khổ máy

0.5 – 6m

Số lượng mỏ cắt

Tùy chọn

Chiều dài khổ máy

Tùy chọn

Bộ điều khiển tự động chiều cao

Khoảng cách dịch chuyển lên xuống
Tốc độ di chuyển lớn nhất

Luận văn

Trang 3

220mm

30mm/s

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 1

Tổng Quan

Độ chính xác dịch chuyển

0.1mm

Tốc độ di chuyển tối đa trục X,Y

12000mm/phút

Bộ mồi lửa tự động

Độ chính xác theo chiều dài trục
Độ chính xác lặp lại

0.1mm

0.1mm

Cắt thép carbon dùng khí

0-150mm

Cắt thép carbon dùng plasma

0 – 50mm

Thước đo dịch chuyển

Encoder

Loại khí

Acetylen, propane

Bộ điều khiển CNC 2-3 truc

Động cơ servo cho 2 trục X,Y


2Nm. Tốc độ 3000 rpm

Bảng1.1 Bảng thông số Máy CNC khổ cắt lớn

Cơng trình nghiên cứu của nhóm tác giả trường Đại Học Kỹ Thuật

Cơng Nghệ TP Hồ Chí Minh:

http://www. thegioicnc. com/forum/threads/22-thiet-ke-che-tao-may-khac-

go-cnc. html

Hành trình:

- X: 1000mm;

- y: 1800mm;

- Động cơ điều khiển các trục dùng DC Servo

- z: 300mm

- Trục chính (SP1ndle): AC SP1ndle 220V - 10000rpm

- Điều khiển : Mach3 - Bo đệm - Driver servo - động cơ

Hệ truyền động Vitme bi - Thanh trượt bi: trục X bước: 5mm/vòng; trục Y

bước: 6mm/vòng; trục z bước: 2.5.mm/vịng
Hạn chế: khó có thể mở rộng


Cơng trình thực nghiệm của nhóm kỹ sư x-care

https://www. inventables. com/technologies/x-carve
Luận văn

Trang 4

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 1

Tổng Quan

https://www. youtube. com/watch?v=Yy6A3Mif0QY

Đối với đường ray 500mm: X-trục: 300mm; Trục Y: 300mm ;Z-trục: 65mm
Đối với đường ray 1000mm:X-trục: 800mm Trục Y: 800mm Z-trục: 65mm
Động cơ điều khiển các trục dùng DC bước
Hệ truyền động dây đay răng hữu hạn:

Hạn chế: có khả năng mở rộng nhưng phải thay đổi phần cứng nhiều.
1.1.2 Các vấn đề khoa học còn tồn tại.

Ở hầu hết các cơng trình nghiên cứu trên đều sử dụng hệ thống cơ khí nặng

nề, muốn di chuyển chúng cần phải cung cấp một năng lượng đủ lớn. Do vậy, cần
có động cơ cơng suất đủ lớn để tạo năng lượng cơ học để cung cấp cho hệ. Do đó,

giá thành sản phẩm khá cao. Vả lại, trong nhiều trường hợp địi hỏi mở rộng diện
tích làm việc thì hệ thống này khơng đáp ứng được, vì các chi tiết cơ khí là hữu hạn.

Như vậy, vấn đề đặt ra cần nghiên cứu để giải quyết hiện nay là tạo ra một hệ

truyền động có khả năng:

- Giảm trọng tải của hệ thống,

- Giảm công suất điện tiêu thụ,

- Tăng độ chính xác của hệ thống,
- Dễ lập trình điều khiển,

- Có khả năng mở rộng diện tích khả dụng và hạn chế thay đổi cấu trúc của

hệ thống.

1.2. Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.

Với các vấn đề tồn tại được nêu trên và yêu cầu thực tiễn ngày càng cao về

tính tiết kiệm điện năng, độ chính xác cao, giá thành sản phẩm thấp, có tính cơ động

cao. Địi hỏi cần phải có một cơng trình nghiên cứu để cho ra hệ thống linh hoạt

hơn, tiết kiệm hơn trong hoạt động, chi phí đầu tư ban đầu thấp hơn, có độ chính
xác cao hơn, làm việc ổn định trong thời gian dài.

Luận văn

Trang 5

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 1

Tổng Quan

Là một người làm việc trong môi trường kỹ thuật, tác giả vận dụng các kiến

thức hiểu biết của mình cùng với việc nghiên cứu thêm tài liệu sách, báo, internet
… thực hiện cơng trình nghiên cứu góp phần giải quyết căn bản các vấn đề vừa nêu.
1.3. Xác định mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu.

Mục tiêu của cơng trình nghiên cứu là cho ra một hệ thống cơ điện tử có cơ

cấu di chuyển trên mặt phẳng được truyền động bằng dây băng ( dây truyền lực), có
khả năng mở rộng diện tích làm việc linh hoạt, ít thay đổi về cấu trúc của hệ.
1.4. Xác định nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài.

Ở cơng trình nghiên cứu này, tác giả vận dụng các kiến thức cơ khí cơ bản để

thiết kế cơ cấu hệ cơ và tìm giải thuật để điều khiển cơ cấu chấp hành nhằm di
chuyển theo đúng quỹ đạo định trước trên mặt phẳng khả dụng theo 2 chiều x và y.
Riêng chiều z đề tài này chỉ giới hạn trong hai trạng thái on và off.

Sau khi thành công, tác giả sẽ phát triển trục z để trở thành một máy CNC 3

trục hoàn chỉnh.

1.5. Phương pháp nghiên cứu.

Ở đề tài này tác giả thực hiện nghiên cứu theo các phương pháp:




Luận văn

Nghiên cứu kiến thức liên quan thông qua sách vở và internet.

Tham khảo các cơng trình nghiên cứu của các tác giả khác trong
và ngồi nước.

Gia cơng thiết kế mơ hình thực nghiệm, phục vụ cho công tác
nghiên cứu.

Trang 6

Nguyễn Anh Tuấn

Chương 2

Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế
Chương 2

GIỚI THIỆU CƠ CẤU VÀ Ý TƯỞNG THIẾT KẾ

2.1. Yêu cầu hoạt động của cơ cấu

Một hệ thống gia công trên mặt phẳng hoạt động theo một quỹ đạo đã được

định trước theo yêu cầu gia công. Một hệ cơ cấu chấp hành được dịch chuyển trên

một mặt phẳng có một diện tích khả dụng nào đó. u cầu đặt ra là cơ cấu hệ cơ gia
công di chuyển đến vị trí đã được xác định trước một cách tối ưu và chính xác (kỹ
thuật). Khi có u cầu gia cơng cho tiết diện lớn hơn, hệ thống có khả năng mở rộng

diện tích khả dụng mà hạn chế thay đổi kết cấu của hệ thống và chương trình (linh
hoạt). Trong khi đó giá thành nâng cấp hệ thống là thấp nhất (kinh tế)
2.2. Các kiểu cơ cấu vận hành trước đây

2.2.1. Di chuyển vật gia công trên bệ đỡ của máy

Hình 2.1 Di chuyển vật trên bệ đỡ

Loại hình này địi hỏi độ chính xác cơ khí rất cao và hệ cơ khí có kết cấu to

khỏe, vững chắc, nhưng nặng nề.

Đặc điểm: vật gia công được đặt cố định trên bệ đỡ, muốn di chuyển vật gia

cơng thì phải di chuyển cả hệ thống bệ đỡ. Do đó, động cơ truyền động cần công
suất lớn, tiêu tốn nhiều năng lượng.

Loại này thường được sử dụng ở các máy gia cơng bề mặt như: máy bào chi

tiết cơ khí, máy phay, máy mài…

2.2.2. Cố định vật gia công, di chuyển cơ cấu chấp hành

Luận văn

Trang 8

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 2

Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế

Cơ cấu chấp hành di chuyển

trên thanh đỡ theo phương X. Hệ
thống thanh đỡ cùng cơ cấu di
chuyển theo phương Y (hình 2.2).

Hệ thống được truyền động

bằng trục vitme trên cả hai
phương X và Y như hình 2.3.

Đặc điểm: việc điều

Hình 2. 2 Mơ hình di chuyển cơ cấu chấp hành

khiển cơ cấu chấp hành bằng trục vitme có ưu điểm là khi trục xoay cơ cấu di
chuyển điều, độ chính xác phụ thuộc vào bước răng của vitme. Tuy nhiên, vitme có

chiều dài giới hạn nên việc mở rộng thêm khi có nhu cầu thì rất khó, muốn làm
được thì phải thay vitme mới. Vả lại, việc xác định chính xác vị trí của cơ cấu chấp
hành thường sử dụng động cơ bước hoặc động cơ servo để truyền động cho trục

vitme. Do đó, giá thành của hệ thống khơng những khá cao mà còn đòi hỏi phần
mềm chuyên dụng cho CNC.

Loại này thường được sử dụng ở các máy gia công bề mặt như máy khắc gỗ,

sơn, máy vẽ…

trục Vitme ngang

Trục
Trục

Vitme
Vitmedọc
dọc

Hình 2.3ab Di chuyển cơ cấu chấp hành bằng vitme

2.2.3. Di chuyển cơ cấu chấp hành bằng cánh tay robot

Luận văn

Trang 9

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 2

Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế

Đặc điểm của cơ cấu:

Địi hỏi cơ khí chính xác rất

cao, truyền động bằng động cơ
bước hay động cơ servo.

Khơng có khả năng mở rộng,

lập trình điều khiển tương đối
phức tạp.

Hình 2. 4 Di chuyển cơ cấu gia

công bằng cánh tay robot

2.2.4. Cấu trúc di chuyển bằng dây đay răng

Động cơ truyền động
theo phương dọc

Dây
đay
Dây
day
truyềnđộng
động
truyền

Dây đay

Cơ cấu gia công

truyền động
Động cơ truyền động

theo phương ngang
Đặc điểm:

Hệ sử dụng động cơ bước hay động cơ servo, độ chính xác phụ thuộc vào

vịng quay động cơ và bước răng của dây đay.

Luận văn

Trang 10

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 2

Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế

Hệ có khả năng mở rộng nhưng khả năng mở rộng của hệ có giới hạn bởi bán

kính của dây đay và hệ đỡ. Nếu cần mở rộng lớn thì phải thay mới dây đay và bệ đỡ
khá tốn kém.

Nhìn chung, hầu hết các hệ thống trên đều có những điểm mạnh và điểm yếu

riêng trong vùng khả dụng của nó. Thế nhưng tất cả điều bị hạn chế về giới hạn
vùng làm việc, khơng cơ động khi có nhu cầu diện tích lớn hơn, khơng khả năng mở
rộng linh hoạt.

Để khắc phục hạn chế này, tác giả giới thiệu hệ dây băng sau đây:
2.3. Cấu trúc của cơ cấu dây băng
Cơ cấu chấp
hành gắn chặt
vào dây

Mơ tơ 2

left

Giới hạn

diện tích

top

khả dụng

Mô tơ 1

bottom

right
Các con

lăn xoay

Mô tơ truyền
Một đường

vẽ minh họa

động

Hệ dây

truyền động

Hình 2. 5 Mơ hình hệ truyền động bằng dây băng

Đặc điểm của hệ:

Đặc điểm nổi bật ở mô hình này là có khả năng mở rộng rất linh hoạt. Khi

mở rộng, cần di chuyển vị trí các trụ đỡ của hệ thống và thay thế thanh đỡ rất dễ
dàng.

Mặt khác, hệ sử dụng động cơ DC bình thường và dùng PLC điều khiển nên

việc lập trình và thay đổi chương trình khá đơn giản. Hệ sử dụng cảm biến khoảng
cách quang học để xác định vị trí nên việc điều khiển và ổn tốc độ động cơ không
cần phải chính xác, với nhiều ứng dụng có thể bỏ qua ổn tốc động cơ.
Luận văn

Trang 11

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 2

Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế

2.3.1. Quy trình làm việc cơ bản của cơ cấu dây băng
Hệ băng tải được truyền động

bởi chiều quay của hai mơ tơ.

C

A

Khi động cơ quay theo chiều

D

như hình 2.6, hệ dây kéo cơ cấu chấp

hành di chuyển theo chiều từ A đến
B.

ra

Hình 2. 6 Hai động cơ chạy ngược chiều

Khi động cơ quay theo chiều

C

A

như hình 2.7, hệ dây kéo cơ cấu

D

chấp hành di chuyển theo chiều từ
B đến A.

B

B

Hình 2. 7 Hai động cơ chạy ngược chiều vào

Khi động cơ quay theo chiều như

hình 2.8, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành di
chuyển theo chiều từ D đến C.

A

C

B
D

Khi động cơ quay theo chiều như hình

2.9, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành di chuyển
theo chiều từ C đến D.

Hình 2. 8 Hai động cơ chạy cùng
A

C

B

D
Hình 2. 9 Hai động cơ chạy cùng

Luận văn

Trang 12

Nguyễn Anh Tuấn


Chương 2

A

Giới Thiệu Cơ Cấu Và Ý Tưởng Thiết Kế

C B

A

C

D

D
A

B

B

Hình 2. 10 Một động cơ chạy chiều phải

Khi một động cơ quay theo chiều như hình

 2.10 A, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư DB;
 2.10 B, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư AC;

A

C

B

C

A

D

D
A

B

B

Hình 2. 11. Một động cơ chạy chiều trái
Khi một động cơ quay theo chiều như hình

 2.11A, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư AD;
 2.11B, hệ dây kéo cơ cấu chấp hành chuyển động theo hướng phần tư BC.
2.3.2. Chọn phương án cho thanh trượt của cơ cấu dây băng

Điểm đặc biệt trong cơ cấu trượt cho hệ là hệ số ma sát là nhỏ nhất có thể.

Một số hệ trượt cần được tham khảo như sau:

Luận văn

Trang 13

Nguyễn Anh Tuấn