Nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo nâng cấp máy phay vạn năng 6P13б

Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN SỐ VÀO VIỆC CẢI TẠO NÂNG CẤP MÁY PHAY VẠN NĂNG 6P13Б Đỗ Thị Vụ*, Phạm Đình Tiệp, Ngô Mạnh Tiến Trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ Thuật - ĐH TN TÓM TẮT Điều khiển số với các mạch vòng phản hồi kín đảm bảo cho hệ thống ổn định và đảm bảo các chỉ tiêu về mặt chất lượng động như: độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh...Do đó việc ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo và nâng cấp hệ thống truyền động bàn của các máy phay cũ mang ý nghĩa thực tiễn. Bài báo đã nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số nhằm cải tạo nâng cấp hệ truyền động bàn ăn dao máy phay 6R13Б . Bằng kết quả phân tích và tổng hợp hệ thống số và việc thiết kế xây dựng phần cứng của hệ thống truyền động làm cơ sở cho việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào chuyển đổi những hệ thống truyền động của máy cũ sang hệ thống số mà hệ thống này đang được nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Từ khóa: Hệ thống truyền động số, Máy phay vạn năng, hệ thống T-D, động cơ một chiều, điều khiển lặp.  ĐẶT VẤN ĐỀ bảo sự liên động với truyền động chính khi Trong những năm gần đây việc ứng dụng hệ làm việc tự động. truyền động một chiều T - Đ với các mạch Đối chiếu với các yêu cầu này thì hiện tại vòng phản hồi kín nhằm đảo bảo tốt các chỉ truyền động bàn máy phay 6P13Б chưa đáp tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng ứng được v× m¸y ®· qu¸ cò chủ yếu là dùng được sử dụng phổ biến, nó có khả năng ứng tay gạt cơ khí và các hãm cắt điều khiển đóng cắt điện cho các công tắc vì thế độ chính xác dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ không cao, vì thế việc cải tạo nâng cấp truyền đến công suất lớn. động bàn ăn dao máy phay là cần thiết. Việc đi sâu nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo nâng cấp máy phay Chọn phương án cải tạo và nâng cấp vạn năng ở xưởng Cắt gọt trường Cao đẳng truyền động bàn máy phay Kinh tế - Kỹ thuật có một ý nghĩa thực tiễn. Để cải tạo nâng cấp truyền động bàn máy Máy phay 6P13Б đã được sản xuất và đưa phay ở tại xưởng trường Cao đẳng Kinh tế - vào sử dụng trên 30 năm, hiện nay nó vẫn Kỹ thuật cho đáp ứng với yêu cầu như: phạm đang được sử dụng. Bàn máy có 2 truyền vi điều chỉnh tốc độ rộng, độ ổn định tốc độ động cần quan tâm. cao có thể dùng 2 hệ truyền động mà gần đây người ta sử dụng đó là: - Truyền động chính (quay dao phay) là truyền động quay tròn nhờ động cơ không - Hệ điều khiển vector biến tần động cơ 3 pha. đồng bộ rôto lồng sóc, làm việc với công suất - Hệ thống Thyristor - Động cơ. không đổi, không yêu cầu đảo chiều quay khi Qua phân tích ta thấy cả hai hệ thống đều đáp đang vận hành. ứng được các yêu cầu truyền động bàn máy - Truyền động ăn dao: Truyền động ăn dao phay. Tuy nhiên xét cấu trúc của hệ thống cũ trên máy có yêu cầu phức tạp, yêu cầu về của máy với mục đích để cải tạo và nâng cấp phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, đặc tính cơ thì hệ T-D mang tính khả thi hơn. có độ cứng cao, độ ổn định tốc độ cao. Hệ Thiết kế hệ thống truyền động số cho thống truyền động ăn dao phải đảm bảo độ truyền động bàn ăn dao máy phay tác động nhanh, dừng máy chính xác, đảm  Tel: 0914 430511, Email: dothivu.tec@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 43 Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 Để khảo sát ổn định cụ thể của một hệ thống E0 = - 3,4181 truyền động ta tiến hành tính chọn các thông E1 = 11,8326 số và thay vào các công thức tính toán. E2 = - 13,6669 Sơ đồ khối: E3 = 5,2945 * Xét ổn định mạch vòng dòng điện Từ hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng dòng điện thay số và biến đổi ta được kết quả như sau: G0 = 0,0421 G1 = 0,6383 G2 = 7,4635 G3 = 34,2122 Ta có: 3 2 G0V + G1V + G2V+G3 = 0 Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống truyền động số 0,0421.V3 +0,6383.V2 + 7,4635.V+34,3122= 0 Ổn định mạch vòng dòng điện Xét ổn định cho mạch vòng dòng điện theo * Tổng hợp mạch vòng dòng điện tiêu chuẩn ổn định Routh: Từ sơ đồ cấu trúc của hệ thống ta có sơ đồ Theo tiêu chuẩn Routh, để cho mạch vòng mạch vòng dòng điện dưới đây: dòng điện ổn định thì điều kiện cần và đủ là: E G0 > 0 ; G1 > 0 ; N0 > 0 ; N1 > 0 Ud U T T Ku 1 RI 1 E(s) RI(z) H(s) Tus + 1 Tas + 1 Tcs ( - ) Vậy ta thấy: uphi 0,0421>0; 7,4635>0;5,2073>0; 34,2122>0 Hình 2. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện Vậy khi ta chọn các hệ số KP và Ki cho bộ Áp dụng các định luật về hàm số truyền đạt điều khiển dòng điện và thời gian lượng tử T cho các khối 1,2 ta có: phải đảm bảo điều kiện trên thì mạch vòng T T dòng điện ổn định. U Ku T c s RI(s) R (z) H(s) 2 I T s +1 1+T s +T T s - u c a c Ổn định của mạch vòng tốc độ Up * Tổng hợp mạch vòng tốc độ Hình 3. Sơ đồ cấu trúc rút gọn mạch vòng dòng điện Sau khi tổng hợp mạch vòng dòng điện ta tổng Với các số liệu tính toán như sau: hợp mạch vòng tốc độ theo sơ đồ khối sau: U(Z) n(Z) T = 0,00165 R(z) WKI(Z) WB(Z) Kp =0,25 ; Ki =42 Sau khi thay số và biến đổi ta được kết quả như sau : Hình 4. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện là: Với các số liệu tính toán như sau: W (Z) W (Z)  0 T = 0,00165 KI 1  W (Z) 0 K = 0,25 3 2 p D3 Z  D2 Z  D1Z  D0  3 2 Ki = 42 (1  D3 )Z  (C2  D2 )Z  (C1  D1 )Z  C0  D0 3 2 K=0,0006 RI (Z) D Z  D Z  D Z  D W (Z)   3 2 1 0 KI 3 2 Hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ: U1 (Z) E3 Z  E2 Z  E1Z  E0 Thay số vào ta có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 44 Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 W0 (Z) Ta có : WK (Z)   4 3 2 1 W0 (Z) Q4V + Q3V + Q2V + Q1V + Q0 = 0 4 3 2 K D Z 4  K D Z 3  K D Z 2  K D Z 74,9460.V + 22,7266.V + 2,6741.V +  0 3 0 2 0 1 0 0 0,2130.V + 0,0094 = 0 F Z 4  F Z 3  F Z 2  F Z  F 4 3 2 1 0 Ta xét ổn định cho mạch vòng tốc độ theo n(Z)  tiêu chuẩn Routh. U (Z) Theo tiêu chuẩn Routh, để cho tốc độ ổn định Trong đó: thì điều kiện cần và đủ là: F0 = -E0; F1 = K0D0 + E0 – E1; F2 = K0D1 + Q0 > 0; Q1 > 0; R0 > 0; R1 > 0; S0 > 0 E1 – E2; F3 = K0D2 + E2 – E3; 0,0094>0;0,2130>0; 1,6743>0; 13,1900>0; F4 = K0D3 + E3 74,9460>0 Thay số vào ta được: Vậy khi chọn các hệ số K cho bộ điều khiển tốc độ số và thời gian lượng tử T ta F0 = 3,4181; F1 = - 15,9200; F2 = 27,7740; F3 phải đảm bảo điều kiện trên thì mạch vòng = - 21,5483;F4 = 6,2856 tốc độ ổn định. * Xét ổn định của mạch vòng tốc độ Chất lượng của mạch vòng dòng điện và Từ hàm truyền đạt hệ kín của mạch vòng tốc độ: mạch vòng tốc độ K D Z 4  K D Z 3  K D Z 2  K D Z 0 3 0 2 0 1 0 0 *Mạch vòng dòng điện WK (Z)  4 3 2 F4Z  F3Z  F2Z  F1Z  F0 Ta tiến hành tìm các giá trị KP và Ki của n(Z)  bộ điều khiển dòng điện Ri(Z) ứng với U (Z) từng giá trị thời gian lượng tử T để cho Ta có phương trình đặc tính: mạch vòng dòng điện đảm bảo các yêu cầu chất lượng đề ra. F Z4  F Z3  F Z2  F Z  F  0 4 3 2 1 0 Hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện 4 3 2 6,2856Z – 21,5483Z + 27,7740Z -15,9200Z + 3,4181 = 0 3 2 RI(Z) D3Z  D2Z  D1Z  D0 V 1 W (Z)   Đổi biến Z  Ta có: KI U (Z) E Z3  E Z2  E Z  E V 1 1 3 2 1 0 4 3 2 V  1 V  1 V  1 V  1 F4    F3    F2    F1   F0  0 Ta có phương trình đại số: V 1 V 1 V 1 V 1 3 2 E3Z Y(Z) + E2Z Y(Z) + E1Z0Y(Z) + E0Y(Z) 4 3  (F  F  F  F  F )V  (4F  2F  2F  4F )V 3 2 4 3 2 1 0 4 3 1 0 = D3Z U(Z) + D2Z U(Z) + D1Z0U(Z) + 2  (6F4  2F2  6F0 )V  (4F4  2F3  2F1  4F0 )V D0U(Z)  F4  F3  F2  F1  F0  0 Trong đó: Đặt: Y(Z)  R.I(Z) Q0  F4  F3  F2  F1  F0 Vậy phương trình sai phân ứng với phương trình đại số trên là: Q1  4F4  2F3  2F1  4F0 E3Y(K+3) + E2Y(K+2) + E1Y(K+1) + E0Y(K) Q2  6F4  2F2  6F0 = D3U1(K+3) + D2U1(K+2) + D1U1(K+1) + Q  4F  2F  2F  4F 3 4 3 1 0 D0U1(K+1) + D0U1(K) Q  F  F  F  F  F 4 4 3 2 1 0 Với giả thiết tín hiệu vào Ui 1(t) với t ≥ 0 do đó ta có: Thay số vào ta có: Q0 = 0,0094; Q1 = 0,2130; U1(K+3)  U1(K+2) = U1(K+1)  U1(K+1) 1 Q2 = 2,6741; Q3 = 22,7266;Q4 = 74,9460 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 45 Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 Vậy: Y(K+1)  (-E2 Y[K+2] – E1 Y[K+1] – E0 Y[K] + D3 + D2 + D1 + D0)/E3 Từ phương trình sai phân này lập trình theo ngôn ngữ Pascal ta vẽ được đường cong i(t) ứng với các giá tị KP và KI, ta vẽ các đường cong này trên cùng một hệ trục tọa độ. Chương trình vẽ đường cong này có tên: "Program DDIEN 1” Giá trị số liệu để vẽ đường cong dòng điện i(t) 1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s) + KP1 = 0,25; Ki1 = 25 + KP2 = 0,25; Ki2 = 42 + KP3 = 0,25; Ki3 = 95 2. T = 0,5.TU = 0,002 (s) Hình 5. Đường cong quá độ khi T = 0.00165 + KP1 = 0,25; Ki1 = 23,45 + KP2 = 0,25; Ki2 = 50 + KP3 = 0,25; Ki3 = 102 Từ các đường cong quá độ đối chiếu với các tiêu chuẩn chất lượng ta chọn được các giá trị KP và Ki như sau: 1. T0,5.TU  0,00165 (s) + KP = KP2 = 0,25; Ki  Ki242 2. T  0,5.TU  0,002 (s) + KP  KP2 0,25; Ki  Ki2  50 Hình 6. Đường cong quá độ khi T = 0.0020 Từ đây ta xây dựng chương trình “Program *Mạch vòng tốc độ DIEN 2” ta vẽ được đường cong R.i(t) cũng Cơ sở lý thuyết để xét chất lượng cho mạch như là bảng kết quả của R.I[K] ứng với các vòng tốc độ cũng giống như mạch vòng dòng giá trị KP và Ki đã chọn. điện. Đó là phải tìm giá trị K của bộ điều chỉnh tốc độ R ứng với thời gian lượng tử T và giá trị KP, Ki của bộ điều khiển dòng điện Ri đã chọn ở (a) để cho mạch vòng tốc độ đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng. Để vẽ đường cong n  f(t) ta cũng dùng phương pháp số Tustin. Hàm truyền hệ kín của mạch vòng tốc độ: 4 3 2 K0D3Z  K0D2Z  K0D1Z  K0D0Z n(Z) WK (Z)  4 3 2  F4Z  F3Z  F2Z  F1Z  F0 U (Z) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 46 Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 4 3 2 F4Z Y(Z) + F 3Z Y(Z) + F 2Z Y(Z) + F KP = KP2 = 0,25; Ki = Ki2 = 50 4 3 1ZY(Z)+F0Y(Z) = K0D3Z U (Z) + K0D2Z U K = K2 = 0.00058; (Z) + K D Z2U (Z) + K D Z U (Z) 0 1  0 0  Từ đây dựa vào chương trình “Program Trong đó Y(Z)  n(Z). TOCDO1” ta vẽ được đường cong n(t) cũng Vậy phương tình sai phân ứng với phương như là bảng kết quả của n[K] ứng với các giá trình đại số trên là: trị T, KP, K và Ki đã chọn. F4Y[K+4] + F3Y[K+3] + F2Y[K+2] + F1Y[K+1] + F0Y[K] = K0D3U [K+4] + K0D2U [K+3] + K0D1U [K+2] + K0D0U [K+1] Với giả thiết tín hiệu vào ui=1(t) với t≥0 do đó ta có: U[K+4] = U [K+3] = U [K+2] = U [K+1] Y[K+4] = (-F3Y[K+3] - F2Y[K+2] - F1Y[K+1] - F0Y[K] + K0D3 + K0D2 + K0D1 + K0D0)/F4 Từ phương trình sai phân này lập trình theo Hình 7. Đường cong quá độ khi T = 0.00165 ngôn ngữ Pascal ta vẽ được đường cong n(t) ứng với các giá trị K ta vẽ các đường cong này trên cùng một hệ trục tọa độ. Chương trình vẽ các đường cong có tên là “Program TOCDO 2” Giá trị số liệu để vẽ các đường cong (t) 1. T = 0,5.TU = 0,00165 (s) KP = KP1 = 0,25; Ki = Ki1 = 42 K1 = 0,0006; K2 = 0,01; K3 = 0,00009; 2. T = 0,5.TU = 0,002 (s) Hình 8. Đường cong quá độ khi T = 0.0020 KP = KP1 = 0,25; Ki = Ki1 = 50 KẾT LUẬN K1 = 0,00058; 1. Phân tích và tìm hiểu kỹ thực trạng của K2 = 0,0125; máy phay của trường Cao đẳng Kinh tế Kỹ thuật từ đó đề xuất được phương án K3 = 0,00009; cải tạo, thay thế nâng cấp máy này đó là Từ các đường cong quá độ đối chiếu với các thay thế hệ thống truyền động ăn dao bằng tiêu chuẩn chất lượng ta chọn được các giá trị hệ thống T – D số. KP và Ki như sau: 2. Tiến hành phân tích và tổng hợp hệ thống 1. T = 0,5.T = 0,00165 (s) U truyền động số để đánh giá được chất lượng KP = KP2 = 0,25; Ki = Ki2 = 42 của hệ thống. Cụ thể là: K = K2 = 0.0006; - Mạch vòng dòng điện với thông số: 2. T = 0,5.TU = 0,002 (s) + Với T = 0,5.Tu = 0,00165(s) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 47 Đỗ Thị Vụ và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 86(10): 43 - 48 K = K = 0,25 ; K = K = 42 p p2 i i2 + Với T = 0,5.Tu = 0,002(s) TÀI LIỆU THAM KHẢO Kp = Kp2=0,25 ; Ki= Ki2 = 50 [1] TS.Trần Thọ, PGS.TS.Võ Quang Lạp (2004), Cơ - Và mạch vòng tốc độ với thông số : sở điều khiển tự động truyền động điện, Nhà xuất bản + Với T= 0,5.Tu = 0,00165(s) Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Kp = Kp2 = 0,25 ; Ki = Ki2 = 42 Hải, Dương Văn Nghi (2006) Điều chỉnh tự động K= K2 = 0,0006 truyền động điện, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ + Với T = 0,5.Tu = 0,002(s) thuật, Hà Nội. [3] Võ Quang Lạp, Trần Xuân Minh (1998), Bài Kp = Kp2= 0,25 ; Ki= Ki2 = 50 giảng môn học kỹ thuật biến đổi, Đại học Kỹ thuật K= K2 = 0,00058 công nghiệp, Thái Nguyên. thì hệ ổn định và có chất lượng tốt. [4] Nguyễn Công Hiền (2006), Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng, Đại học Bách khoa, Hà Nội. 3. Trên cơ sở phần tính toán khảo sát của hệ [5] Tạ Duy Liên (1999) Hệ thống điều khiển số cho máy thống truyền động đã tiến hành thiết kế xây công cụ. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. dựng phần cứng của hệ thống truyền động. [6] Vũ Quang Hồi, Nguyễn Văn Chất, Nguyễn Thị hơn, đồng thời phải tiến hành thí nghiệm trên Liên. Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại. mô hình thực. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật KIẾN NGHỊ [7] Lê Văn Doanh, Nguyễn Thế Công, Nguyễn Trung Để đề tài có thể ứng dụng vào sản xuất thì cần Sơn, Cao Văn Thành (1999). Điều khiển số máy điện. có thời gian nghiên cứu 1 cách chi tiết cụ thể Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. Làm được như vậy thì đề án sẽ có tính khả thi ứng dụng vào thực tế. SUMMARY RESEARCH AND APPLY DIGITAL CONTROL IN IMPROVEMENT OF 6P13Б UNIVERSAL MILLING MACHINE Do Thi Vu, Pham Dinh Tiep, Ngo Manh Tien College of Economics and Technology - TNU Control of the closed loop feedback system to ensure stability and guarantee the quality indicators such as: the process control, speed, time to adjust ... Therefore the application control of the renovation and upgrading of the transmission area of the old milling machine practical significance. The article was researched and control applications aimed at improving and upgrading the transmission table 6R13Б feed milling. By analysis and synthesis of digital systems design and build hardware and transmission systems as a basis for continued applied research on switching and transmission systems of the old machine to the numbering system that the system under study and practical application. Key words: digital transmission system, Universal milling machine, T-D system, a DC motor, control-loop.  Tel: 0914 430511, Email: dothivu.tec@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 48