Đồ án Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy cho máy phay CNC

1 LỜI MỞ ĐẦU .........................................................................................................................................................4 CHO SỐ LIỆU: ......................................................................................................................................................5 CHƢƠNG I. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CƠ KHÍ ..............................................................................................6 1.1. CHọN KIểU LắP ĐặT, TÍNH LựC CắT ..................................................................................................................6 1.2. TÍNH TOÁN LựA CHọN TRụC VÍT, ổ BI Đỡ CHO TRụC .........................................................................................6 1.2.1. Điều kiện làm việc và các thông số sẽ được tính chọn .........................................................................6 1.2.2. Tính toán lực dọc trục ..........................................................................................................................7 a. Máy chạy khi không gia công V1=25 m/min ........................................................................................................ 7 b. Máy chạy với vận tốc lớn nhất khi gia công V2=10 m/min .................................................................................. 7 1.3. TÍNH TOÁN TảI TRọNG ....................................................................................................................................8 1.3.1. Tải trọng tĩnh .......................................................................................................................................8 1.3.2. Tải trọng động Ca .................................................................................................................................8 1.4. CHọN KIểU BI [4] ............................................................................................................................................9 1.5. KIểM NGHIệM TRụC VÍT ................................................................................................................................ 10 1.5.1. Tuổi thọ làm việc ................................................................................................................................ 10 1.5.2. Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục ........................................................................................... 10 1.5.3. Tốc độ quay cho phép ........................................................................................................................ 10 1.5.4. Tính toán momen ................................................................................................................................ 11 1.5.5. Tính toán ứng suất tác dụng lên trục vít ............................................................................................ 12 1.5.6. Độ dịch do thay đổi nhiệt độ (mức điều chỉnh 3oC) ........................................................................... 12 1.6. TÍNH CHọN ổ LĂN [6].................................................................................................................................... 12 2. TÍNH TOÁN VÀ CHỌN RAY DẪN HƢỚNG CHO BÀN X VÀ BÀN Y .................................................... 13 2.1. TÍNH CHọN RAY CHO BÀN X: ....................................................................................................................... 13 2.1.1. Các điều kiện đầu: ............................................................................................................................. 13 2.1.2. Tính toán các lực riêng rẽ .................................................................................................................. 13 a. Chuyển động đều, lực hƣớng kính ....................................................................................................................... 13 b. Chuyển động tăng tốc sang trái, lực .................................................................................................................... 14 c. Chuyển động giảm tốc sang trái phụ ................................................................................................................... 14 d. Chuyển động tăng tốc sang phải .......................................................................................................................... 14 e. Chuyển động giảm tốc sang phải ......................................................................................................................... 14 2.1.3. Tính toán tải tương đương ................................................................................................................. 15 a. Khi chuyển động đều ........................................................................................................................................... 15 b. Tăng tốc sang trái ................................................................................................................................................. 15 c. Giảm tốc sang trái ................................................................................................................................................ 15 2.1.4. Tính toán tải trung bình ..................................................................................................................... 15 2.1.5. Tính tuổi thọ danh nghĩa .................................................................................................................... 15 2.2. TÍNH CHọN RAY CHO BÀN Y ........................................................................................................................ 15 2.2.1. Các điều kiện đầu ............................................................................................................................... 15 2.2.2. Kiểm tra hệ số an toàn tĩnh ................................................................................................................ 16 2.2.3. Tính toán tải trung bình Pm ............................................................................................................... 16 2.2.4. Tính tuổi thọ danh nghĩa .................................................................................................................... 16 CHƢƠNG II. TÍNH CHỌN ĐỘNG CƠ SERVO .............................................................................................. 17 2.1. ĐIềU KIệN BAN ĐầU ...................................................................................................................................... 17 2.2. TÍNH TOÁN MOMEN QUY ĐổI ........................................................................................................................ 17 2.2.1. Momen ma sát quy đổi ....................................................................................................................... 17 2.2.2. Momen trọng lực quy đổi ................................................................................................................... 18 2.2.3. Momen cắt quy đổi ............................................................................................................................. 18 2.2.4. Momen tải quy đổi.............................................................................................................................. 19 2.3. TÍNH TOÁN MOMEN QUÁN TÍNH TảI QUY ĐổI Về TRụC ĐộNG CƠ ..................................................................... 19 2 2.3.1. Momen quán tính của bàn máy .......................................................................................................... 20 2.3.2. Momen quán tính của vít me đối với trục quay của chính nó ............................................................ 20 2.3.3. Momen quán tính của khớp nối .......................................................................................................... 21 2.3.4. Momen quán tính quy đổi về trục động cơ ......................................................................................... 22 2.4. LựA CHọN SƠ Bộ ĐộNG CƠ ............................................................................................................................ 22 2.4.1. Tiêu chí lựa chọn động cơ .................................................................................................................. 22 2.4.2. Lựa chọn sơ bộ ................................................................................................................................... 22 2.5. KIểM NGHIệM ĐộNG CƠ ................................................................................................................................ 23 2.5.1. Kiểm nghiệm động cơ dựa vào momen gia tốc ................................................................................. 23 a. Tiêu chí kiểm tra ................................................................................................................................................. 23 b. Kiểm nghiệm....................................................................................................................................................... 23 2.5.2. Kiểm nghiệm dựa momen hiệu dụng .................................................................................................. 24 a. Tiêu chí kiểm tra ................................................................................................................................................. 24 b. Kiểm nghiệm....................................................................................................................................................... 25 2.6. KếT LUậN ..................................................................................................................................................... 25 CHƢƠNG III. ĐIỀU KHIỂN BÀN MÁY CNC BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ............................................ 27 3.1. BÀN X ......................................................................................................................................................... 27 3.1.1. Xây dựng mô hàm truyền của hệ thống .............................................................................................. 27 a. Thông số đầu: ....................................................................................................................................................... 27 b. Phƣơng trình toán học .......................................................................................................................................... 27 3.1.2. Tìm hàm truyền đạt G(s) .................................................................................................................... 29 3.1.3. Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s)........................................................................................ 29 a. Kiểm tra sự ổn định của hệ hở. ............................................................................................................................. 29 b. Kiểm tra sự ổn định của hệ kín ............................................................................................................................ 30 c. Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thƣờng.................................................................................. 31 3.1.4. Thiết kế bộ điều khiển PID ................................................................................................................. 32 a. Những kiến thức cơ sở về bộ điều khiển PID ....................................................................................................... 32 b. Vai trò của các khâu tỉ lệ, tích phân, vi phân ....................................................................................................... 33  Khâu tích phân ..................................................................................................................................... 33 c. Thiết kế PID controller theo phƣơng pháp thực nghiệm (phƣơng pháp Ziegler-Nichols thứ nhất). ..................... 35 3.2. BÀN Y ......................................................................................................................................................... 37 3.2.1. Tìm hàm truyền của bàn Y ................................................................................................................. 37 3.2.2. Kiểm tra tính ổn định của hàm truyền G(s)........................................................................................ 38 a. Sự ổn định của hệ hở. ........................................................................................................................................... 38 b. Sự ổn định của hệ kín. .......................................................................................................................................... 38 c. Kiểm tra đáp ứng của hệ với một số tín hiệu thông thƣờng.................................................................................. 39 3.2.3. Thiết kế bộ điều khiển PID cho bàn Y ................................................................................................ 41 CHƢƠNG IV. MÔ PHỎNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG KHI GIA CÔNG THEO QUỸ ĐẠO CHO TRƢỚC ............................................................................................................................................................................... 42 4.1. TÌM HIểU KHốI CÔNG Cụ SIMMECHANICS TRONG MATLAB. .......................................................................... 42 4.2. MÔ PHỏNG BÀN MÁY CHạY THEO QUỹ ĐạO MONG MUốN ............................................................................... 44 4.2.1. Hai bàn phối hợp với nhau theo quỹ đạo đường thẳng trong tc (s) .................................................... 44 b.Thiết kế quỹ đạo điểm tác động tác động cuối di chuyển theo đƣờng tròn từ A đến B trong tc(s) lấy AB làm đƣờng kính. .............................................................................................................................................................................. 48 CHƢƠNG V. ĐIỀU KHIỂN LIÊN TỤC TRÊN MIỀN THỜI GIAN ............................................................. 51 5.1. GIớI THIệU Về ĐIềU KHIểN LIÊN TụC TRÊN MIềN THờI GIAN ............................................................................ 51 5.2. XÂY DựNG MÔ HÌNH TOÁN HọC ................................................................................................................... 51 5.3. PHÂN TÍCH TÍNH Hệ THốNG .......................................................................................................................... 52 5.4. THIếT Kế Bộ ĐIềU KHIểN ................................................................................................................................ 53 3 5.4.1. Thiết kế bằng phản hồi trạng thái ...................................................................................................... 54 5.4.2. Thiết kế theo nguyên tắc phản hồi tín hiệu ra .................................................................................... 56 SƠ ĐỒ ĐỘNG HỌC BÀN X, Y .......................................................................................................................... 60 PHỤ LỤC .............................................................................................................................................................. 62 KẾT LUẬN ........................................................................................................................................................... 63 4 LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học – kỹ thuật, tự động hóa sản xuất đóng vai trò rất quan trọng trong nền công nghiệp nƣớc ta. Nhận thức đƣợc điều này, trong chiến lƣợc công nghiệp hóa theo hƣớng hiện đại vào năm 2020 cônghệ tự động đƣợc ƣu tiên đầu tƣ và phát triển. Ở nƣớc ta công nghiệp tự động hóa đã đƣợc hình thành từ khá lâu, nhƣng yếu tố quyết định đến sản xuất tự động hóa là kỹ thuật điều khiển. Các máy công cụ điều khiển số NC và CNC đã đƣợc dùng phổ biến tại các nƣớc phát triển từ lâu. Trong những năm gần đây, NC và CNC đã đƣợc nhập vào Việt Nam và phổ biến khá là rộng rãi. Máy công cụ NC và CNC là những hệ thống công nghệ hiện đại, là thành quả của các nghiên cứu lớn và là các thiết bị điển hình cho sản xuất tự động. Với đề tài đƣợc giao: “Thiết kế điều khiển truyền động bàn máy cho máy phay CNC”, mặc dù lần đầu tiên tiếp xúc với đề tài này nhƣng em nhận thấy đây là một đề tài hay và rất thực tế. Quá trình làm và hoàn thành đề tài này đã giúp em tổng hợp đƣợc những kiến thức đã học cũng nhƣ những kiến thức thực tế liên quan đến công việc của em sau này khi đi làm. Đồ án này là sự tiếp nối của đồ án “thiết kế cơ khí”, và tập trung lớn vào việc điều khiển. Vì vậy, phần tính toán cơ khí chỉ trình bày những cái cốt lõi nhất và cần thiết nhất cho việc điều khiển. 5 CHO SỐ LIỆU: Loại máy CNC: Phay.  Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT:  Phay mặt đầu.  Dao có 8 lƣỡi cắt (Z = 8), đƣờng kính D = 80mm.  Tiêu chuẩn quốc gia: JIS.  Vật liệu: SUS440C.  Grade: 4040.  Vận tốc: V = 100 m/ph.  Chiều sâu cắt: t = 0.8 mm.  Lƣợng chạy dao phút: F = 900 mm/ph.  Khối lƣợng lớn nhất của chi tiết: M1 = 300 kg → W1 = 300 kgf. Chi tiết làm bằng thép cacbon có khối lƣợng riêng là 7,85g/𝑐𝑚3.  Chiều cao chi tiết là H=200 mm.  Trọng lƣợng bàn gá: W2x = 140, W2y = 200 kgf.  Chiều dài làm việc: Sx = 650m, Sy = 400mm.  Vận tốc chạy lớn nhất khi không gia công: V1 = 25 m/ph.  Vận tốc chạy lớn nhất khi gia công có lực: V2 = 10 m/ph.  Gia tốc hoạt động lớn nhất của hệ thống: a = 0.5g =5 m/s2.  Thời gian hoạt động: 5 đến 7 năm → Lt = 17520h (=6năm x 365ngày x 8giờ)  Hệ số ma sát trƣợt bề mặt: μ = 0.01.  Tốc độ vòng động cơ: Nmax = 3000 vg/ph.  Độ chính xác vị trí(không tải): ±0.03/1000 mm.  Độ chính xác lặp: ±0.005 mm.  Độ lệch chuyền động: ±0.02 mm. Trƣờng hợp hệ bàn máy – vít me nằm theo phƣơng ngang. 6 CHƢƠNG I. TÍNH TOÁN HỆ THỐNG CƠ KHÍ 1.1. Chọn kiểu lắp đặt, tính lực cắt  Chọn kiểu lắp ổ đỡ Một đầu lắp chặt – một đầu tùy chỉnh: fixed- supported [1]  Bƣớc vít-me  max max max V V l mm N N 1 8,33   Chiều dài bƣớc vít-me phải lớn hơn 8,33 mm. Chọn l=10 mm  Tìm lực cắt chính của máy Fm Để tìm lực cắt chính của máy ta sử dụng công cụ trên website www.coroguide.com. [2]  Lƣợng chạy dao (fz)  Tốc độ quay của động cơ quay dao:  Vn vg ph D 1000 397,89 /     Lƣợng chạy dao vòng:   F S mm vg n 2,3 /   Lƣợng chạy dao răng: S fz 0,29 8   (mm/răng)  Working engagement (ae) và Working engagement start (aei) Chọn thỏa mãn điều kiện: ae + aei = DC = 80 mm. Chọn ae = 60; aei = 20 mm  Từ kết quả tính toán của công cụ, ta có lực cắt chính của máy là: Fm = 𝟐 × 𝑴𝒄 𝑫𝒄 = 𝟐 × 𝟓𝟑 𝟎.𝟎𝟖 = 1325N = 135,10kgf. 1.2. Tính toán lựa chọn trục vít, ổ bi đỡ cho trục 1.2.1. Điều kiện làm việc và các thông số sẽ đƣợc tính chọn  Điều kiện làm việc: Lực chống trƣợt: TrụcX : fx=Fax = μ × (W1 + Wx) = 44 kgf =431,64 N TrụcY : fy=Fay = μ × (W1 +Wx +Wy) = 64 kgf =627,84 N 7 1.2.2. Tính toán lực dọc trục a. Máy chạy khi không gia công V1=25 m/min  Theo trục X: [3]  Tăng tốc (về bên trái): Fa1 = μmx g + mx a + fx = 308,00 kgf.  Chạy đều (về bên trái): Fa2 = μmx g + fx = 88 kgf.  Gia công (về bên trái): Fa3 = Fm + μ(mx g + Fmz) + fx = 143,87 kgf.  Giảm tốc (về bên trái): Fa3 = μmx g – mx a +fx = -211.20 kgf.  Tăng tốc (về bên phải): Fa4 = - μmxg-mxa-fx =-228.80 kgf  Chạy đều (về bên phải): Fa5 =- μmxg-fx = -8.80 kgf  Gia công (về bên phải): Fa5=-Fm- (μmxg + Fmz) –fx =143.87 kgf  Giảm tốc (về bên phải): Fa6= -μmxg+mxa-fx = 211.20 kgf + Lực dọc trục lớn