Đề tài Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển bàn máy công nhệ cao

dịch chuyển kiểu số / gia số cần có thước đo nhiều rãnh. Những vùng soi thấu hoặc vùng phản quang trên thang đo tương ứng với giá trị 0 của hệ nhị phân, những vùng không soi thấu hoặc vùng không phản quang trên thang đo tương đương với giá trị 1 của hệ nhị phân. Theo cách đó, thước đo được chia vạch theo mã nhị phân. Trên mỗi rãnh đều có các yếu tố kích quang thích hợp. Do tốn kém nhiều trong chế tạo, phương pháp đo vị trí kiểu số/ tuyệt đối chỉ còn được ứng dụng trong một phạm vi hẹp. Encoder dạng Absolute: Encoder dạng Absolute có ngõ ra là tín hiệu được mã hoá nhị phân. Bên trong Encoder bao gồm một dĩa tròn bên trên có khắc các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ theo đường tròn đồng tâm. Tuỳ theo độ phân giải của Encoder mà số đường tròn đồng tâm đó nhiều hay ít. Xét trên một đường vạch tròn, một diode phát quang sẽ phát chùm tia đi xuyên qua các vạch trong suốt và bị chặn lại ở những vạch tối. Bên kia mặt đĩa, song song với diode phát là một diode thu có nhiệm vụ như một cảm biến, ghi nhận các tín hiệu do diode phát đưa tới. Có bao nhiêu đường vạch tròn thì có bấy nhiêu diode thu tín hiệu. Cảm biến quang Hình 25: Cấu tạo đĩa quang trong Encoder tuyệt đối Các tín hiệu đọc được từ diode thu sẽ được đưa ra ngoài dưới dạng tín hiệu điện. Các tín hiệu điện này sẽ có dạng mã nhị phân phản ảnh vị trí của trục quay Encoder. Thông thường để dễ dàng trong chế tạo người ta mã hoá các vạch trong suốt và vạch tối theo mã Gray vì vậy để ứng dụng được trong các hệ thống sử dụng mã Binary thì ta phải có chương trình chuyển đổi từ mã Gray sang mã Binary. Một ưu điểm nưa của mã Gray là ở mỗi vị trí kế nhau thì chỉ có một bit được thay đổi, do đó sai số ở ngõ ra chỉ có thể tối đa là một đơn vị. Còn ở mã Binary thì có thể gây sai số lớn vì khi thay đổi vị trí thì có thể chỉ có một bit có trọng số cao được thay đổi còn các bit trên hàng khác chưa kịp thay đổi. Bảng 2: Bảng chuyển đổi giữa mã binary và gray Thập phân Mã Binary Mã Gray 0 0000 0000 1 0001 0001 2 0010 0011 3 0011 0010 4 0100 0110 5 0101 0111 … … … 15 1111 1000 Encoder loại Incremental: Encoder loại Incremental có ít kênh ngõ ra hơn loại Absolute, vì thế cấu tạo của nó đơn giản hơn. A B Cảm biến quang Hình 26: Cấu tạo đĩa quang trong Incremental Encoder Trên bề mặt dĩa tròn bên trong Encoder có hai đường tròn đồng tâm. Mỗi đường có các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ nhau. Cũng như loại Absolute Encoder, diode phát quang sẽ phát tín hiệu đi xuyên qua vạch trong suốt đến diode thu. Hai diode thu này sẽ chuyển đổi thành tín hiệu điện và đưa ra ngoài. Vị trí các vạch trong suốt của hai đường lệch nhau một góc và dựa vào góc lệch pha giữa hai tín hiệu ra là sớm pha hay trễ pha mà ta xác định chiều quay là thuận hay nghịch. A B A B Quay theo chiều thuận Quay theo chiều nghịch Hình 27: Dạng xung ngõ ra của EnCoder Ưu và khuyết điểm của loại Incremental encoder và Absolute encoder Incremental Encoder do có cấu tạo đơn giản nên giá thành thấp, khi ứng dụng chỉ cần bộ đếm xung là có thể biết được khoảng dịch chuyển. Tuy nhiên Incremental Encoder không thể lưu kết quả khi mất nguồn. Ta khắc phục bằng cách sử dụng bộ lưu điện để lưu trữ kết quả đếm xung do bộ counter đưa ra. Incremental Encoder thích hợp cho khoảng dịch chuyển lớn. Absolute Encoder cho kết quả chính xác vị trí dịch chuyển, ngay cả khi mất nguồn điện khi có nguồn trở lại vẫn cho kết quả chính xác vị trí. Tuy nhiên khoảng cách đo có giới hạn trong một vòng xoay, nếu cần đo khoảng dịch chuyển lớn hơn thì nên dùng thêm bộ đếm hay chuyển sang dùng loại Incremental cho rẻ tiền. Do cấu tạo phức tạp nên cần có phần mềm chuyển đổi tín hiệu mã Gray nhận ở nõ ra được sang giá trị đo lường dịch chuyển (góc quay, chiều dài). II.4. Các dạng dịch chuyển : Các dạng máy công cụ khác nhau, các bề mặt tạo hình khác nhau đòi hỏi những chuyển động tương đối rất khác nhau giữa dao cụ và chi tiết gia công. Các dạng điều khiển số theo đó được phân ra thành: điều khiển dịch chuyển, điều khiển đoạn hay đường thẳng và điều khiển biên dạng phi tuyến. a. Điều khiển dịch chuyển điểm : Ở máy khoan, khoét, cắt ren lỗ… chi tiết gia công phải được định vị tại một điểm cố định trên bàn máy. Trong quá trình định vị, dao không vào cắt, chuyển động trên các trục riêng lẻ này đều không có ràng buộc bởi các quan hệ hàm số, tốc độ của các chuyển động định vị không phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ. Quá trình như vậy cũng xảy ra ở các máy hàn điểm hay máy gấp cạnh lá tôn khi điều khiển dịch động cho các mảnh gá chặn, bàn gấp… Điều khiển số thực hiện quá trình chuyển động này thuộc dạng điều khiển điểm. b. Điều khiển đoạn hay đường thẳng : Trên máy tiện, khi gia công các chi tiết hình trụ đơn giản, hay ở máy phay khi gia công các biên dạng song song với các trục, cần thực hiện các chuyển động với tốc độ cắt gọt lựa chọn khác nhau, nhưng yêu cầu chỉ thực hiện trên từng trục một (vẫn không có ràng buộc bởi các quan hệ hàm số). Điều khiển số thực hiện quá trình chuyển động gia công số thuộc dạng diều khiển đoạn hay đường thẳng. c. Điều khiển biên dạng tuyến tính và phi tuyến trong mặt phẳng hay trong không gian : Nếu giữa điểm bắt đầu một chuyển động và điểm kết thúc nó cần sản sinh một biên dạng có ràng buộc bởi các quan hệ hàm số (tuyến tính hay phi tuyến ), thì điều khiển số thực hiện chuyển động như vậy thuộc dạng điều khiển biên dạng (tuyến tính hay phi tuyến, trong mặt phẳng hay trong không gian). Dạng điều khiển này đòi hỏi phải có các truyền động biệt lập, điều chỉnh được vị trí theo thời gian thực trên mỗi trục toạ độ và đảm bảo quan hệ phụ thuộc hàm số với các chuyển động đồng thời trên các trục khác. Giá trị mong muốn (ứng với một vị trí tức thời trên một trục ) phải được tính toán một cách tuần tự (theo nhịp điều khiển) đúng với ràng buộc hàm số của biên dạng cần gia công. Điều khiển biên dạng như vậy bao gồm cả khả năng điều khiển điểm cũng như điều khiển đoạn hay đường thẳng. Nó được dùng trong các máy tiện, máy phay, các trung tâm gia công (máy công cụ tự động đa chức năng, có quá trình đổi dao tự động, thực hiện được nhiều công nghệ khác nhau như khoan , phay, cắt ren, tiện rộng…), các máy gia công bằng điện cực ăn mòn, dây điện cực và máy cắt bằng tia hồ quang áp cao (plasma)… C. CÁC CHỨC NĂNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC: I.BẢNG ĐIỀU KHIỂN ĐƯỜNG DỊCH CHUYỂN G: Mã G Nhóm Chức năng G00 01 Di chuyển nhanh dao cắt (Không nội suy) G01 Nội suy tuyến tính (nội suy đường thẳng) G02 Nội suy cung tròn CW (cùng chiều kim đồng hồ) G03 Nội suy cung tròn CCW (ngược chiều kim đồng hồ) G04 00 Ngừng di chuyển trong khoảng thời gian G07 Nội suy SIN G09 Kiểm tra ngừng chính xác G10 Đặt giá trị Offset (đặt giá trị Offset điểm Zero làm việc) G17 02 Chọn mặt phẳng XY G18 Chọn mặt phẳng ZX G19 Chọn mặt phẳng YZ G20 06 Tính theo hệ Inch G21 Tính theo hệ Met G22 04 Thiết lập giới hạn vùng chạy dao G23 Hủy bỏ giới hạn chạy dao G27 00 Kiểm tra việc trở về điểm chuẩn (Reference point) G28 Trở về điểm chuẩn G29 Trở lại từ điểm chuẩn G30 Trở về điểm chuẩn thứ 2, 3 và 4 G31 Bỏ qua việc cắt G33 01 Cắt ren G40 07 Hủy việc bù trừ dao cắt G41 Bù trừ dao cắt bên trái G42 Bù trừ dao cắt bên phải G43 08 Chỉnh Offset chiều dài dao chiều dương(+) G44 Chỉnh Offset chiều dài dao chiều âm(-) G49 Hủy bỏ Offset chiều dài dao G45 00 Tăng Offset dao G46 Giảm Offset dao G47 Tăng 2 lần Offset dao G48 Giảm 2 lần Offset dao G50 11 Scaling Off G51 Scaling On G52 00 Đặt hệ toạ độ cục bộ G54 14 Chọn hệ toạ độ làm việc số 1 G55 Chọn hệ toạ độ làm việc số 2 G56 Chọn hệ toạ độ làm việc số 3 G57 Chọn hệ toạ độ làm việc số 4 G58 Chọn hệ toạ độ làm việc số 5 G59 Chọn hệ toạ độ làm việc số 6 G60 00 Di chuyển theo 1 chiều G61 15 Mode kiểm tra ngừng chính xác G62 Tự động bỏ qua góc G64 Mode cắt G65 00 Gọi macro đơn G66 12 Gọi macro modal G67 Huỷ bỏ việc gọi macro modal G68 16 Xoay hệ toạ độ G69 Hủy việc xoay hệ toạ độ G73 09 Khoan sâu G74 Chu trình lưu counter G76 Khoan chính xác G80 Hủy chu trình lưu G81 Khoan làm dấu G82 Khoan counter G83 Khoan sâu G84 Chu trình Tarô G85 Chu trình doa G86 Chu trình tiện lỗ lùi dao nhanh với G00 G87 Chu trình phay hộp hình chữ nhật G88 Chu trình phay hộp hình trụ G89 Chu trình tiện lỗ lùi dao chậm với G01 G90 03 Lập trình tuyệt đối G91 Lập trình gia số G92 00 Lập trình điểm Zero tuyệt đối G94 05 Lượng ăn dao trên phút G95 Lượng ăn dao trên vòng G96 13 Điều khiển tốc độ bề mặt cố định G97 Hủy điều khiển tốc độ bề mặt cố định G98 10 Trở về diểm đầu trong chu kỳ lưu Bảng 3: Bảng điều khiển dịch chuyển G máy CNC II. Ý NGHĨA MỘT SỐ CHỨC NĂNG: II.1.Chọn mặt phẳng: Lệnh này sẽ chọn mặt phẳng để chuẩn bị cho việc thực hiện nội suy cung tròn hay bù dao. G17; Chọn mặt phẳng XY G18; Chọn mặt phẳng ZX G19; Chọn mặt phẳng YZ Ghi chú : Lệnh chọn mặt phẳng không có tác dụng đối với các lệnh di chuyển theo đường thẳng. II.2.Di chuyển nhanh (G00): Ở lệnh này dao cắt được di chuyển với tốc độ nhanh nhất được xác định sẵn trong máy, ta không thể lập trình cho tốc độ này được. Vì lý do đó mà đường chạy dao ở trong lệnh này không phải lúc nào cũng là đường thẳng. Ví dụ: Điểm bắt đầu Y X 15 5 Điểm kết thúc G00 X15 Y5; Hình 28: Dịch chuyển nhanh đến điểm M(15,5) Đầu tiên dao cắt tăng tốc độ di chuyển đến tối đa rồi di chuyển nhanh đến gần điểm đích thì giảm tốc độ lại, sau khi xác định đến đúng vị trí cần đến mới chuyển sang lệnh kế tiếp. II.3.Nội suy tuyến tính (nội suy thẳng) G01: G01 X……….. Y………. Z………… F………… ; Tuỳ theo ta chọn tọa độ tuyệt đối hay gia số mà xác định các giá trị khai báo tọa độ điểm đích X,Y,Z . Lệnh này sẽ di chuyển dao từ điểm đang đứng (điểm khởi đầu) đến điểm được khai báo với vận tốc chạy dao F. Lưu ý: Nếu lượng chạy dao F không được khai báo thì nó được xem như là bằng 0. II.4.Nội suy phi tuyến (nội suy cung tròn) G02, G03: Dữ liệu cần cung cấp Lệnh Ý Nghĩa 1 Chọn mặt phẳng gia công G17 Cung tròn trên mặt phẳng XY G18 Cung tròn trên mặt phẳng ZX G19 Cung tròn trên mặt phẳng YZ 2 Chiều cung tròn G02 Chiều kim đồng hồ CW G03 Ngược chiều kim đồng hồ CCW 3 Điểm đích Mode Absolute G90 X, Y (hay Z) Điểm đích là toạ độ trên hệ trục gia công. Mode Incremental G91 X, Y (hay Z) Lấy khoảng cách từ điểm khởi đầu cung tròn đến điểm đích. 4 Khoảng cách từ điểm khởi đầu cung tròn đến tâm. I, J (hay K) Khoảng cách từ điểm khởi đầu cung tròn đến tâm. Bán kính cung tròn R Bán kính của tâm cung tròn Bảng 4: Bảng nội suy phi tuyến Ghi chú: Lệnh G17 (chọn mặt phẳng XY) sẽ là mặc định sau khi bật nguồn.Điểm đích của cung tròn được xác định bởi 2 toạ độ X, Y (hay Z) và được tính theo tọa độ tuyệt đối hay gia số tuỳ theo việc chọn G90 hay G91. Tâm cung tròn được xác định qua toạ độ I, J (hay K) tương ứng với các trục X, Y (hayZ), và được xác định toạ độ (tuỳ theo tọa độ tuyệt đối hay gia số) so với điểm gốc chọn là điểm bắt đầu cung tròn. Trong trường hợp ta không khai báo tâm cung tròn (I, J hay K) mà khai báo bán kính R thì : Nếu R > 0 : thì cung tròn < 1800 Nếu R 1800 G03 X6.0 Y20.0 R5 G02 X6.0 Y20.0 R5 G02 X6.0 Y20.0 R-5 G03 X6.0 Y20.0 R-5 Hình 29: Ví dụ nội suy cung tròn G02, G03 Trong nội suy cung tròn có thể bỏ qua không cần khai báo một trong các thông số I0.0, J0.0 (hay K0.0) khi đó máy sẽ hiểu thông số đó bằng 0 (khai báo cả 2 thông số bằng không, máy sẽ báo lỗi vì là cung tròn bán kính bằng 0). Nếu không khai báo điểm kết thúc (tức không khai báo X, Y, Z ) mà chỉ khai báo tâm I, J (hay K) thì lệnh G02, hay G03 sễ nội suy theo một vòng tròn khép kín với tâm được khai báo. (VD: “G02 I20 J12;”). Nếu không khai báo điểm kết thúc mà chỉ khai báo bán kính R thì dao sẽ không di chuyển. Nếu khai báo bán kính bằng 0 (tức R0) thì máy sẽ báo lỗi. Nếu trong cùng một lệnh có khai báo cả I, J (hay K) và R thì máy sẽ nội suy cung tròn ưu tiên theo R, còn các thông số, J (hay K) sẽ bị bỏ qua. Nếu khai báo điểm kết thúc không thuộc cung tròn nội suy thì máy sẽ báo lỗi. PHẦN II THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG CHƯƠNG I: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG I.MÔ HÌNH: I.1.Cấu trúc mô hình: Mô hình gồm 3 trục Ox, Oy, Oz: Trục Ox: Gồm 1 motor Dc 24v có bộ giảm tốc (1:100), gắng Encoder 100xung trực tiếp vào trục động cơ; Một Trục vitme vòng 5mm bi với sai số nhỏ 0.001mm; hai thanh trượt để chuẩn đường dich chuyển của vitme. Bàn máy được gắng trực tiếp vào trục Ox. Trục Oy: Gồm 1 motor Dc 24v có bộ giảm tốc (1:100), gắng Encoder 100xung trực tiếp vào trục động cơ; Một Trục vitme bi vòng 5mm với sai số nhỏ 0.001mm; hai thanh trượt để chuẩn đường dich chuyển của vitme. Trục Oz: Gồm cơ cấu dịch chuyển bộ phận khoan và phay lên xuống, cơ cấu gồm hai thanh trượt, một trục vitme vòng 1mm được chuẩn đường dịch chuyển thông qua thanh trượt. Một động cơ DC24V, gắng encoder 100xung vào trục hộp số giảm tốc. Hình 30: Mô hình khoan phay CNC I.2.Cảm biến vị trí ghép với động cơ DC: Ta sử dụng động cơ một chiều 24V kích từ độc lập bằng nam châm vĩnh cửu, công suất nhỏ làm đối tượng điều khiển. Điện trở nội động cơ: 11(Ohm),công suất 50W. Động cơ một chiều sử dụng hộp số giảm tốc, tỉ lệ 1: 100 vòng. Cảm biến vị trí là Encoder 100 xung, Encoder này được ghép đồng trục với trục động cơ DC bằng khớp nối cứng, và hồi tiếp vị trí trục động cơ DC về PLC. Một điều ta phải quan tâm là khớp nối cứng giữa trục động cơ và trục vitme ta cần phải thật chính xác, nhằm giúp động cơ và cảm biến quay đồng trục với nhau để sai số điều khiển sẽ giảm đi nhiều. Hình 31: Động cơ gắng Encoder sử dụng trong mô hình II.SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ: M + - Mạch khuếch đại công suất Cảm biến vị trí Mạch điều khiển (Uđk) Mạch động lực PLC Máy tính Hình 32: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí PLC xuất ra điện áp thay đổi thông qua việc điều xung để điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ thông qua mạch điều khiển và mạch khuếch đại công suất. Giá trị từ cảm biến vị trí được đưa về PLC để xác định vị trí hiện tại của trục động cơ, từ đó hiệu chỉnh và xuất điện áp điều khiển thích hợp. III.MẠCH ĐỘNG LỰC: Mạch khuếch đại công suất dùng để điều khiển chiều quay và tốc độ của động cơ, yêu cầu đặt ra là để động cơ có thể làm việc ở cả 4 phần tư của mặt phẳng đặc tính cơ, nghĩa là động cơ có thể làm việc được ở cả chế độ động cơ và chế độ hãm. Ta sử dụng bộ mạch công suất là bộ chopper, với các công tắc lá Role công suất có cấu hình như sau: Hình 33: Mạch động lực sử dụng cho mô hình III.1.Sơ đồ khối của tác động khâu động lực: Xung PWM từ PLC Tín hiệu đảo chiều từ PLC Khối cách ly Khối đảo tín hiệu Khối cách ly Kích dẫn đóng ngắt role Kích dẫn đóng ngắt role đảo chiều Hình 34: Sơ đồ khối của các khâu động lực Xung PWM xuất ra từ PLC sẽ được cách ly vói phần công suất thông qua Opto để lấy mức tín hiệu 12V đóng mở Role 4 tiếp điểm. Chiều quay của động cơ sẽ được đảo khi có tín hiêu một ngõ ra từ PLC đống mở đảo chiều động cơ. Vận tốc động cơ được điều chỉnh bằng việc điều chế xung ra từ ngõ ra PLC, điện áp trung bình sẽ được cung cấp cho motor hoạt động. VAB VAB1 Vd Vd wt Hình 35: Điện áp trung bình khi điều xung III.2.Chức năng của các khối: III.2.1.Khối cách li điện áp: Với mục đích lấy điện áp cách ly 24V so với PLC là 24V kích dẫn Role công suất. Khối cách ly gồm một Opto PC817. Opto được kích dẫn khi tín hiệu 24V hạn dòng điện trở 4,7k. Điện áp 12V sẽ được lấy đưa vào khối đảo tín hiệu. Sơ đồ biểu diễn dạng điện áp. t 24V t 12V V2 V1 Hình 36: Giản đồ xung khối cách li điện áp III.2.2.Khối đảo tín hiệu: Dòng qua cuộn cảm role sẽ được cho phép thông qua FET IRF540. Tín hiệu lấy từ khối cách ly sẽ được đảo chiều thông qua bộ đảo gồm 2 transistor PNP và NPN mắc song song. Khi FET được kích dẫn, dòng điện sẽ chạy trực tiếp từ nguồn đến cuộn dây qua FET xuống max 0V. Role được bảo vệ dòng ngược thông qua diod dạp dòng công suất vừa 4007. t t 1 0 1 0 Tín hiệu từ PLC Tín hiệu đóng ngắt rơle Hình 37: Giãn đồ xung qua khối công suất IV.MẠCH NHẬN XUNG TỐC ĐỘ CAO TỪ ENCODER: Mạch nguyên lí: Hình 38: Mạch nguyên lí mạch nhận xung Encoder Tín hiệu ra của encoder là 5V. Vì vậy để lấy tín hiệu đưa vào PLC, tín hiệu từ encoder sẽ được chuyển áp thông qua bộ cách ly. Sơ đồ khối chuyển mức: Tín hiệu từ Encoder Bộ cách li điện áp Tín hiệu đưa vào PLC Hình 39: Sơ đồ khối mạch nhận xung Encoder CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ: I.SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID S7-200: I.1.Thuật toán PID số: Luật PID trên miền thời gian (liên tục) được mô tả bởi công thức: Với Kp là hằng số tỉ lệ TC là hằng số thời gian tích phân Td là hằng số thời gian vi phân Xấp xỉ thành phần I: TI = TC / KC Xấp xỉ theo nguyên tắc hình chữ nhật: Xấp xỉ theo nguyên tắc hình thang: Trong đó T là chu kì trích mẫu. Xấp xỉ thành phần D: Khai triển thành chuỗi: Biến đổi Laplace: S.F(s) ≈ F(s) [C0 + C1e-sT + … + Cne-snT] Vi phân xấp xỉ bậc hai: Vi phân xấp xỉ bậc 1: Xấp xỉ luật PID: Theo Takahashi có thể làm giảm bớt biên độ độ lớn điều khiển khi đại lượng chủ đạo ( giá trị đặt ) có đột biến nhanh bằng cách, thay vì ek = wk – xk chỉ sử dụng ek = - xk. Từ đó ta có : Ta có được mô hình điều khiển PID số: KP Kd(1-z-1)-1 Tín hiệu vào Tín hiệu ra Tín hiệu bù Hình 40: Mô hình điều khiển PID số I.2.Làm việc với bộ PID S7-200: Bộ PID S7-200 được nhà sản xuất đưa ra tính toán thuật toán PID và chứa đựng sẵn trong PLC. Bộ PID được tính toán lưu dữ liệu dưới dạng bảng và dữ liệu vào ra được xử lí khi có lệnh như mọi lệnh khác. Dữ liệu dạng bảng được lưu vào 32 byte liên tiếp và theo thứ tự sau: Byte Dữ liệu Định dạng Kiểu Ý nghĩa 0 PVn Số thực Vào Giá trị thực tế (nằm trong khoảng 0.0-1.0) 4 SPn Số thực Vào Giá trị đặt (nằm trong khoảng 0.0-1.0) 8 Mn Số thực Vào/Ra Giá trị ra PID (nằm trong khoảng 0.0-1.0) 12 Kc Só thực Vào Hệ số khuyếch đại 16 Ti Số thực Vào Hằng số thời gian lấy mẫu 20 Ts Số thực Vào Hằng số thời gian tích phân 24 Td Số thực Vào Hằng số thời gian vi phân 28 MX Số thực Vào/ra Tín hiệu ra trước đó 32 PVn-1 Số thực Vào/ra Giá trị thực tế trước đó Giá trị đặt đặt được tính toán và xử lí đưa vào nằm trong khoảng 0.0 đến 1.0. Lúc đó giá trị ra Mn sẽ được xử lí ngược lại đưa ra tín hiệu thực. Các hằng số Kc, Ts, Ti ,Td được ta tính toán dựa vào thuật toán PID. II.TÍNH TOÁN CÁC THÔNG SỐ BỘ PID ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ: Áp dụng với mô hình bàn máy CNC: Giới hạn di chuyển trục Ox là 200mm, tương ứng với số xung: 200*4000 = 800000xung. Tương tự trục Oy là 120mm, Tương ứng 4800000 xung Như vậy ta lấy hệ số chia: 10^7 Giá trị xung đặt hiện tại: K (xung) Giá trị tính toán sai lệnh qua thuật toán PID là Mn. Ta có được mức điện áp tương ứng: là Mn*500. Ứng với động cơ chạy tốc độ điều xung tỉ lệ băm xung 500/2000 Giá trị Mn sẽ được PID PLC tính toán và đưa ra độ sai lệch vị trí thức tế so với hiện tại và xuất ra giá trị thực. Khi sai lệch Mn là 0 thì tương ứng với múc điện áp là 0V. Lúc này vị trí thực tế đã đạt được vị trí đặt. Giá trị sai lệch là lớn nhất 1.0 thì động cơ lúc này hoạt động tối đa. III.TÍNH TOÁN CÁC THAM SỐ Kp, Ki, Kd THEO LÝ THUYẾT CHO ĐỘNG CƠ: III.1.Thiết lập hàm truyền cho động cơ: Mô hình động cơ một chiều: Với L : điện cảm phần ứng, L = 2.5.10-3H R: điện trở phần ứng , R = 5Ohm U: điện áp phần ứng, U=24V E: sức phản điện động Hình 41: Mô hình động cơ một chiều v: tốc độ động cơ Mt : momen tải B: hệ số ma sát J: momen quán tính, J = 3.10-6kgm2/s2 Control Plant D R V + - Hình 42: Sơ đồ hệ thông điều khiển PID Theo định luật Kirchoff ta có phương trình cân bằng điện áp ở mạch điện phần ứng: V(t) = iƯ.Rư + Lưdiư/dt + Eư(t) (1) Với Eư = KΦv(t) là suất phản điện phần ứng Áp dụng định luật Niutơn cho chuyển động quay, ta có phương trình cân bằng momen trên trục động cơ: Md(t) = Mt(t) + Bv(t) + Jdv(t)/dt (2) Md(t) = KΦiư(t) Biến đổi Laplace phương trình (1) và (2) ta được: Uư(s) = Iư(s)Rư + Lư.s.Iư(s) +Eư(s) Eư(s) = KΦ(s) Md(s) = Mt(s) +Bv(s) + J.s.v(s) Md(s)=KΦiư(s) Từ đó ta có: (Ls+R)I(s) = U – Ksv (s) S(Js + B)v(s) = KI(s) Với đại lượng I(s), ta thành lập được hàm truyền: Vì ta dùng PID vị trí: Với K = 0.03, R=5, B = 6.10-6, J = 3.5.10-6, L = 25.10-6 Ta có hàm truyền: III.2.Vẽ đáp ứng điều khiển P: Với Kp =100 Ta vẽ đáp ứng Matlab như sau: J=3.5E-6; b=0.001; K=0.03; R=5; L=25E-6; num=K; den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2) 0]; motor=tf(num,den) Kp=100; contr=Kp; sys_cl=feedback(contr*motor,1); t=0:0.001:0.2; step(sys_cl,t) Hình 43: Đáp ứng P động cơ Nhận xét: Với Kp =100, như vậy thời gian đáp ứng nhanh 0.02s nhưng độ vọt lố còn cao. Ta có thể chọn để điều khiển với vận tốc dịch chuyển nhanh 0.09mm/s đối với mô hình. III.3.Đáp ứng PI: Với Kp = 100, Ki=300 Ta vẽ đáp ứng PI cho động cơ: J=3.5E-6; b=0.001; K=0.03; R=5; L=25E-6; num=K; den=[(J*L) ((J*R)+(L*b)) ((b*R)+K^2) 0]; motor=tf(num,den) Kp=100; Ki=300; contr=tf([Kp Ki],[1 0]); sys_cl=feedback(contr*motor,1); t=0:0.001:0.1; step(sys_cl,t) Đáp ứng PI của động cơ: Hình 44: Đáp ứng PI động cơ Nhận xét: Đáp ứng của động cơ nhanh hơn 0.01s. Đồng thời độ vọt lố nhỏ hơn so với bộ điều khiển P. Kết quả thực nghiệm: Chọn Kp=100, Ki =300 cho bộ điều khiển PI. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ PHẦN MỀM Chúng ta thực hiện thiết kế giao diện giao tiếp PLC và máy tính bằng ngôn ngữ Visual Basic6.0 (VB). Trong môi trường lập trình VB, việc tạo ra một giao diện đồ họa là tương đối đơn giản. VB đã hỗ trợ cho người sử dụng những mô đun đối tượng phổ iến giúp cho công việc của người lập trình trở nên nhẹ nhàng hơn rất nhiều. Việc tạo giao diện chỉ là lựa chọn những đối tượng vẽ vào một giao diện (form) có sẵn cùng với việc thiết lập các thông số cho đối tượng. I.KẾT NỐI BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ MÁY TÍNH: Với bộ điều khiển là PLC S7-200, phần mềm lập trình Microwin 4.0, bộ OPC PC Access sẽ truyền dữ liệu giữa PLC và máy tính. Thông qua OPC, chúng ta có thể kết nối các phần mềm ứng dụng khác như Matlab, Visual Basic, ... Với ngôn ngữ lập trình đơn giản và tốc độ xử lí nhanh. OPC VB và Visual Basic sẽ được chọn thiết kế kết nối bộ điều khiển và máy tính. Cách kết nối OPC VB và PC Access: Bước 1: Cài đặt OPC VB. Nhấn vào file setup OPC VB. Ta cài đặt bộ OPC của VB vào máy tính điều khiển. Bước 2:Khởi tạo biến PC Access Mở giao diện V1.0 PC Access SP1. Kích chuột phải chọn New PLC. Đặt tên là PLC1 Kích chuột phải vào PLC1, chon New Item Đặt tên các biến theo biến và địa chỉ ô nhớ trong chương trình PLC Chọn Save để lưu các biến PC access vào máy tính. Bước 3: Liên kết PC Access và Visual Basic 6.0 Mở giao diện OPC for Visual Basic Chon Edit – Add Item Chọn liên kết S7200.OPCServer-Microwin-PLC Chọn Add All add tất cả biến có trong OPC PC Access vào list OPC Item. Chọn OK Chọn File – Save để lưu biến OPC vào file.csv. Thường ta lưu vào ổ đĩa C:\. Ta chú ý đến đường dẫn đến file.csv này để viết chương trình trong Visual Basic. Bắt buộc tên file phải có phần .csv, Ví dụ: OPC.csv Bước 4: Điền các hoạt động trong file .csv Vào đường dẫn lưu file.csv, kích đúp chuột mở file.csv. Đồng thời kích đúp chuột chọn file demo OPCControlsExample.csv của nhà sản xuất. Phần mềm để chạy chương trình này là Microsoft Ofice Excel Chọn xóa tất cả phần dữ liệu Copy phần Item trong file.csv đã được lưu vào field OPC Item Chọn save lưu file.csv (chọn YES khi lưu) và đóng 2 file.csv lại. Bước 5: Viết chương trình trong Visual Basic Mở giao diện Visual Basic Chọn Project – Components Chọn check vào OPC Control Lúc này tren VB sẽ xuất hiện biểu tượng OPC Control trên thanh công cụ Kích chọn vẽ OPC Control vào vùng giao diện, Ta đặt tên Name: FastOPCControl1 Vào phần Properties- ConfigPath. Ta ghi đường dẫn file.csv đã lưu ở trên. Bước 6: Làm việc với FastOPCControl1 Lấy dữ liệu từ một Item của OPC LabelCONHO.Caption=FastOPCControl1.GetValue("S7200.OPCServer\MicroWin.PLC.START") Viết dữ liệu vào một Item của OPC FastOPCControl1.WriteValue 0,"S7200.OPCServer\MicroWin.PLC.CUNG_D" … II. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VÀ GIẢI THUẬT CÁC HÀM NỘI SUY. II.1.Phương pháp nội suy. Trên máy công cụ điều khiển theo chương trình số, đường tác dụng giữa dụng cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển tọa độ trên nhiều trục. Để sản sinh một biên dạng gia công, giữa các chuyển động trên từng trục tọa độ riêng rẻ phải có một quan hệ hàm số (tuyến tính hoặc phi tuyến). Các điểm tựa phải nằm dày đặc đến mức sao cho biên dạng gia công tạo ra đủ chính xác (không có điểm nào nằm ngoài dung sai cho phép). Giá trị tọa độ vị trí các điểm trung gian được tìm ra trong một cụm chức năng của điều khiển số gọi là bộ nội suy. Nhiệm vụ bộ nội suy: Tìm ra vị trí các điểm trung gian cho phép hình thành biên dạng cho trước trong giới hạn dung sai xác định. Tốc độ đưa ra vị trí các điểm trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao. Đi tới chính xác các điểm kết thúc chương trình. Để xác định giá trị cần về vị trí trên các trục riêng lẻ, người ta ứng dụng các phương pháp nội suy khác