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 1 NGHIÊN CỨU MÔĐUN ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY CẮT DÂY TIA LỬA ĐIỆN A STUDY ON THE DRIVE SYSTEM CONTROL MODULE FOR THE WIRE ELECTRICAL DISCHARGES MACHINING MACHINE Lưu Đức Bình, Dương Quốc Bảo Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Gia công cắt dây tia lửa điện ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ những tính năng ưu việt của nó như không có lực cắt, gia công các vật liệu siêu cứng, gia công các contour kín, phức tạp... Để phương pháp này đạt hiệu quả kinh tế cao, ta cần phải tiến hành tối ưu hoá nhằm tìm ra chế độ cắt tối ưu. Tuy nhiên, với các bộ điều khiển của máy sẵn có thì muốn tối ưu hoá cần phải can thiệp vào bộ điều khiển, điều này là không thể. Nhằm mục đích muốn làm chủ công nghệ này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế, chế tạo môđun điều khiển hệ truyền động máy cắt dây tia lửa điện. Bài báo này trình bày một số kết quả bước đầu với mô hình thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính. ABSTRACT Nowadays, electrical discharges machining (EDM) has been widely used thanks to its special properties: forceless cutting, super-hardened material machining, close and complex contour machining. In order to obtain high economic efficiency with this method, we need to optimize intended methods for an optimal cutting schedule. With such an optimization, we need to change the control system. However, it is impossible to do so. For this reason, our study is aimed to design and manufacture a drive system control module of the wire electrical discharges machining machine (WEDM). In this article, some results of a study on a model experiment and simulation on the PC will be discussed. 1. Đặt vấn đề Gia công tia lửa điện được tìm ra bởi hai nhà khoa học người Nga GS. TS Boris Lazarenko và TS. Natalya Lazarenko vào năm 1943 từ việc nghiên cứu sự ăn mòn của các thiết bị điện. Sau đó, công nghệ gia công này được phát triển mạnh tại các nước công nghiệp phát triển. Đến nay, hầu hết các máy gia công theo nguyên lý này đều đã sử dụng điều khiển CNC nhờ những ứng dụng mạnh mẽ của công nghiệp máy tính. Tại các hãng sản xuất máy gia công tia lửa điện nổi tiếng như Sodick, Agie Charmilles hay các trường đại học, viện nghiên cứu ở các nước công nghiệp phát triển đều nghiên cứu rất mạnh về công nghệ gia công này và các kết quả được công bố tại Hội thảo chuyên đề “International Symposium for ElectroMachining” (ISEM) tổ chức 3 năm một lần. Ở nước ta, việc ứng dụng gia công tia lửa điện cũng mới khoảng hơn mười năm nay và việc nghiên cứu về lĩnh vực này hầu như không đáng kể. Muốn nghiên cứu sâu về ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến chất lượng chi tiết gia công cần phải can thiệp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 2 vào hệ điều khiển của máy, điều này là không thể vì đây là bí quyết của các nhà sản xuất thiết bị. Với mục đích nghiên cứu về lĩnh vực gia công tia lửa điện (gồm có Gia công xung định hình và Cắt dây tia lửa điện), chúng tôi lựa chọn phương pháp gia công cắt dây tia lửa điện để xây dựng mô hình thực nghiệm. Trong bài báo này, chúng tôi trình bày một số kết quả nghiên cứu bước đầu của môđun điều khiển hệ truyền động từ việc mô phỏng trên máy tính và kiểm chứng bằng mô hình thực nghiệm. 2. Nội dung Các chuyển động cần thiết khi gia công trên máy cắt dây tia lửa điện (không cắt côn) gồm hai chuyển động vuông góc nhau X, Y trong mặt phẳng nằm ngang của bàn máy và chuyển động thẳng đứng do dây được cuốn bởi tang dẫn động thực hiện. Do vậy, hệ thống truyền động của máy thực chất là bàn máy mang phôi chuyển động theo hai phương X, Y. Việc điều khiển hệ truyền động cho hai phương X và Y là giống nhau về mặt bản chất, do vậy, bước đầu chúng tôi xây dựng mô hình nghiên cứu thực nghiệm với hệ truyền động cho một phương. Mô hình thực nghiệm chúng tôi xây dựng gồm bàn máy được truyền động bằng vitme – đai ốc bi φ15 bước 6mm từ động cơ điện 1 chiều. Sơ đồ tính toán điều khiển được mô hình hoá như sau: Động cơ phương X Động cơ phương Y Hình 1. Mô hình thực nghiệm hệ thống truyền động máy cắt dây tia lửa điện. Va + R L I e = Ke.Ω1 (Ω1) θ1 (Ω2) θ2 y tx Bàn máy Hình 2. Sơ đồ tính toán mô hình thực nghiệm. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 3 Để điều khiển mô hình, chúng tôi sử dụng Vi điều khiển PIC 18f4550 kết nối với máy tính qua cổng RS232 thông qua phần mềm giao diện điều khiển và mô phỏng bằng Matlab. Trong khuôn khổ bài báo này, chúng tôi chỉ trình bày việc tính toán, sử dụng luật PID để điều khiển cho mô hình thực nghiệm. Công việc này tập trung vào hai phần là tính toán tổng hợp mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ, từ đó đưa ra các tham số cho bộ điều khiển. a. Tính toán tổng hợp mạch vòng dòng điện Để cho việc tính toán bài toán được đơn giản, ta giả thiết hệ thống làm việc ở chế độ dòng điện liên tục, có sức điện động E không ảnh hưởng đến quá trình điều chỉnh của mạch vòng dòng điện. Mô hình đối tượng có mạch vòng dòng điện với bộ điều chỉnh dòng điện RI như hình sau: Với các giả thiết trên, hàm truyền của đối tượng của bộ điều chỉnh dòng điện bây giờ là: ( ) ( )( )( )( )s.T1s.T1s.T1s.T1 R KK sS iudkVo u ICL oi ++++= Ta viết gọn lại như sau: ( ) ( )( )s.T1s.T1 R KK sS uSi u ICL oi ++= Để xác định mô hình bộ điều chỉnh dòng điện, ta áp dụng tiêu chuẩn tối ưu môdul vì có độ quá điều chỉnh nhỏ: ( )Coi C I F1S FR −= với 22C s2s21 1F σσ τ+τ+ = Để bù hằng số thời gian lớn hơn (Tu), ta chọn τσ = TSi nên hàm truyền bộ điều chỉnh RI: MC MI ω E KΦEd ∆URI Uid Hình 3. Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển dòng điện ( )( )s.T1s.T1 K dkVO CL ++ ( )s.T1 R 1 u u + sJ 1 ( )s.T1 K I I + TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 4 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +=+= s.T 11K s.T 11 T.2 R KK T s.T.2 R KK s.T1R u RI u Si u ICL u Si u ICL u I Trong thực nghiệm mô hình ta thay các tham số vào và tìm được: 1304,0 10.36,2.2. 1 2.2,57 10.83,25 T.2 R KK TK 3 3 Si u ICL u RI === − − b. Tính toán tổng hợp mạch vòng tốc độ: Để đơn giản ta tổng hợp mạch vòng tốc độ khi đã tổng hợp được mạch vòng dòng điện, nghĩa là kế thừa các kết quả và các giả thiết ở mục trên (E = 0, MC = 0). Ta có mô hình cho việc xác định bộ điều chỉnh tốc độ Rω như hình sau: Tương tự, khi không tải MC = 0, ta tính được đối tượng Soω của mạch vòng tốc độ: ( )( )Jss.T1s.T2s.T21 K KK S 22 SiSi I o ω ω ω +++ Φ = Đây là hệ vô sai cấp 1, để rút gọn hàm truyền trên, ta bỏ qua 2siT , tích ωT.TSi thay tham số và đặt: TSω = 2TSi + Tω = 2.2,36.10-3 + 0,5.10-3 =5,22.10-3, ta có: ( )Jss.T1 K KK S S I o ω ω ω + Φ = Áp dụng chuẩn tối ưu modul ta có: ( )Co C F1S FR −= ωω với 22C s2s21 1F στ+τ+ = σ Thay thế và rút gọn, với ( ) 1916,02923,1 1.32,0 K R.JT 22 u C ==Φ= , ta được: C us I T RTK2 KKR ωω ω Φ= MC Rω − ω ω U− Uωd EHCD Hình 4. Sơ đồ cấu trúc tổng hợp bộ điều khiển tốc độ 22 SiSi s.T2s.T21 1 ++ IK KΦ Js 1 s.T1 K ω ω + TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 5 Kết quả & bàn luận Với những tham số tính toán nói trên ta thực hiện mô phỏng cũng như việc đưa các tham số này vào mô hình thực nghiệm, sau khi nạp chương trình điều khiển vào PIC 18f4550 và điều khiển bằng máy tính thông qua phần mềm giao diện viết trên Matlab; chúng tôi tiến hành thử nghiệm với kết quả như sau: - Đáp ứng đầu ra của mạch vòng dòng điện (hình 5) Quá trình quá độ điều chỉnh sẽ kết thúc sau thời gian Tqd = 8,4TSi và độ quá điều chỉnh là 4,3%. Thực ra nếu tính đến tác dụng của sức điện động động cơ thì do tính chất cản diệu của nó mà trong nhiều trường hợp không xảy ra quá điều chỉnh dòng điện. - Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ khi Mc = 0 (hình 6) Trên hình 5 ta thấy quá trình thay đổi dòng điện khi có đột biến nhiễu tải. Mạch vòng tốc độ này là vô sai cấp 1 đối với tín hiệu điều khiển và là hữu sai đối với tín hiệu nhiễu. - Đáp ứng đầu ra của mạch vòng tốc độ khi Mc ≠ 0 (hình 7) Ta nhận thấy khi tải bằng tải định mức, sau 3 giây đáp ứng tốc độ quay có sụt giảm đi một ít so với tín hiệu đặt (1498 so với 1500), giá trị sai lệch này không lớn. - Đáp ứng đầu ra của tốc độ trên mô hình thực tế (hình 8) Nếu ta đặt một độ dài tương ứng với số xung (ví dụ 5mm tương ứng với 8000 xung) thì bàn máy đáp ứng tương đối tốt (trong trường hợp phản hồi đọc từ encoder lên là 8006 xung) Sai số tương đối khoảng 1%, hoàn toàn có thể chấp nhận được. Hình 5. Đáp ứng dòng điện của RI Hình 6. Đáp ứng tốc độ của Rω khi Mc = 0 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 6 Tuy đã đạt được một số kết quả bước đầu như trên nhưng vẫn còn một số vấn đề cần hoàn thiện trong những nghiên cứu tiếp theo: vấn đề nội suy khi kết hợp điều khiển cả hai phương X, Y; vấn đề động lực học của quá trình cắt; kết hợp điều khiển cho hai bàn máy trên và dưới khi cắt côn... TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lưu Đức Bình, Thiết kế, chế tạo môđun điều khiển máy cắt dây tia lửa điện, Đề tài nghiên cứu khoa học, Đà Nẵng, 2008 [2] Dương Quốc Bảo, Nghiên cứu chế tạo môđun điều khiển bàn máy CNC sử dụng động cơ điện một chiều, Đề tài nghiên cứu khoa học, Đà Nẵng, 2009 [3] Nguyễn Phùng Quang, Matlab và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội, 2005. [4] George W. Younkin, Industrial Servo Control Systems, New York: Marcel Dekker, 2003. [5] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi, Điều chỉnh tự động truyền động điện, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội 1998. Hình 8. Đáp ứng tốc độ của mô hình Hình 7. Đáp ứng tốc độ của Rω khi Mc ≠ 0