Ứng dụng điều khiển thích nghi để nâng cao khả năng công nghệ của máy công cụ điều khiển số

PGS. TS. Đào Văn Hiệp, Th.S. Trần Văn Khiêm Khoa Hàng không Vũ trụ - Học viện KTQS, 100 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội Email: hdaovan@gmail.com TÓM TẮT: Trải qua hơn nửa thế kỷ xuất hiện và phát triển, máy công cụ điều khiển số (máy CNC) đã khẳng định được vị trí chủ chốt của mình trong các hệ thống sản xuất hiện đại (các hệ FMS, CIM). Nhờ ứng dụng một cách tổng hợp các thành tựu khoa học, công nghệ tiên tiến trong thiết kế và chế tạo cơ khí, tự động hoá, điện tử, công nghệ...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng điều khiển thích nghi để nâng cao khả năng công nghệ của máy công cụ điều khiển số Ứng dụng điều khiển thích nghi để nâng cao khả năng công nghệ của máy công cụ điều khiển số PGS. TS. Đào Văn Hiệp, Th.S. Trần Văn Khiêm Khoa Hàng không Vũ trụ - Học viện KTQS, 100 Hoàng Quốc Việt, Hà Nội Email: hdaovan@gmail.com TÓM TẮT: Trải qua hơn nửa thế kỷ xuất hiện và phát triển, máy công cụ điều khiển số (máy CNC) đã khẳng định được vị trí chủ chốt của mình trong các hệ thống sản xuất hiện đại (các hệ FMS, CIM). Nhờ ứng dụng một cách tổng hợp các thành tựu khoa học, công nghệ tiên tiến trong thiết kế và chế tạo cơ khí, tự động hoá, điện tử, công nghệ thông tin, kỹ thuật điều khiển CNC đã phát triển vượt bậc. Tuy nhiên, về nguyên tắc, CNC vẫn không thể tránh khỏi nhược điểm cố hữu của một bộ điều khiển cứng, theo chương trình, và hiệu quả sử dụng máy CNC không thể vượt qua được những giới hạn của công nghệ truyền thống. Ứng dụng điều khiển thích nghi (ĐKTN) là giải pháp tích cực, dựa trên sự giám sát trực tuyến các thông số đầu ra của quá trình công nghệ và hiệu chỉnh các thông số đầu vào theo thời gian thực. Các nghiên cứu gần đây trên thế giới và trong nước chứng tỏ rằng máy CNC có ĐKTN mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật rất cao. Bài báo trình bày cơ sở khoa học và thực tiễn của việc ứng dụng kỹ thuật ĐKTN máy CNC, trong đó có các kết quả nghiên cứu tại Khoa Hàng không Vũ trụ, Học viện KTQS. 1. Xuất xứ của vấn đề nghiên cứu 1.1. Sự cần thiết phải ĐKTN máy CNC • Nhìn nhận vấn đề theo quan điểm công nghệ Hình 1: Sự biến động của hình học phôi Trong quá trình gia công, lưỡi của dụng cụ cắt tác động lên lớp vật liệu trên bề mặt của phôi, bứt một phần vật liệu khỏi bề mặt phôi (quá trình tạo phôi). Lực tác dụng giữa dao và phôi được gọi là lực cắt. Lý thuyết cắt gọt truyền thống có 2 đặc điểm: - Tính toán lực cắt, công suất cắt và chế độ công nghệ chủ yếu dựa vào lý thuyết đàn hồi và lý thuyết biến dạng dẻo. - Coi quá trình cắt là quá trình tĩnh. Quan niệm đó dẫn đến sự sử dụng một giá trị tĩnh, trung bình của lực cắt trong tính toán chế độ công nghệ. Nhưng trong quá trình cắt thực tế xảy ra đồng thời các tương tác cơ, lý, hoá giữa dụng cụ cắt, môi trường và phôi. Các yếu tố này ảnh hưởng qua lại lẫn nhau, với các quy luật chưa tường minh. Trong quá trình cắt gọt luôn xảy ra những biến động không thể nào lường trước được: sự biến động của cơ tính vật liệu gia công; sự biến động của hình học chi tiết gia công (hình 1); sự biến động về khả năng cắt của dụng cụ; sự biến động về độ cứng vững của HTCN; sự biến động do các yếu tố bên ngoài;... • Nhìn nhận vấn đề theo quan điểm điều khiển Để đạt được kết quả gia công mong muốn, quá trình công nghệ cần phải được điều khiển. Có thể nói lịch sử phát triển của khoa học công nghệ chế tạo máy gắn liền với lịch sử phát triển của kỹ thuật điều khiển quá trình gia công và điều khiển máy công cụ. Hình 2: Điều khiển quá trình theo công nghệ truyền thống Hình 3 : Điều khiển quá trình với máy tự động - Máy công cụ truyền thống được điều khiển bằng tay (hình 2). Thông số đầu vào của hệ thống là chế độ công nghệ (tốc độ cắt S và lượng chạy dao F), các thông số đầu ra Y thể hiện phản ứng của hệ thống: kích thước, độ nhám bề mặt, lực cắt, nhiệt độ vùng cắt, rung động, mòn dao,... Chức năng điều khiển hoàn toàn do con người (công nhân) thực hiện. Với cấu trúc này của hệ thống, quá trình công nghệ nằm trong vòng điều khiển nên mặc dù không đạt được độ chính xác và độ nhạy cần thiết (do con người thực hiện), hệ thống có khả năng thích ứng với biến động của qúa trình. Do các đặc điểm nói trên mà máy công cụ thông thường được gọi là hệ thống ĐKTN bằng tay (Manual Adaptive Control). Trên máy tự động (hình 3), việc tính toán các chế độ công nghệ vẫn do con người thực hiện trước và đưa vào chương trình. Bộ điều khiển thay con người đưa các thông số công nghệ (S, F) vào máy và điều khiển máy hoạt động theo các giá trị đã ấn định. CNC là dạng điển hình của hệ thống điều khiển theo chương trình. Mục tiêu điều khiển tự động trên các máy công cụ hiện nay, kể cả máy CNC là đảm bảo các cơ cấu công tác hoạt động theo đúng trình tự và các chế độ công nghệ (S, F) ghi trong chương trình chứ không phải là các thông số ra (Y) của quá trình. Quá trình công nghệ nằm ngoài vòng giám sát của bộ điều khiển nên nó không thể nhận biết và không thể phản ứng trước các biến động xảy ra trong quá trình công nghệ và những biến động của thông số ra Y. Bộ điều khiển này còn được gọi là bộ điều khiển tĩnh (Fixed Controller). Muốn tự động kiểm soát kết quả gia công, bộ điều khiển phải có khả năng nhận biết những thay đổi của các thông số ra Y hoặc các thông số môi trường đặc trưng, có khả năng bù trừ hoặc hạn chế biến động của chúng, nhằm duy trì sự làm việc bình thường hoặc đảm bảo hiệu quả cao nhất cho quá trình.Hệ thống điều khiển như vậy được gọi là hệ ĐKTN. Hình 4: Sơ đồ ĐKTN quá trình công nghệ Sơ đồ ĐKTN máy công cụ như hình 4. Trong hệ thống này, con người chỉ phải tính sơ bộ chế độ gia công. Bộ CNC vẫn giữ chức năng nhận và duy trì thông số công nghệ đã định. Bộ ĐKTN giám sát thông số ra hoặc thông số môi trường, ra quyết định điều khiển và lệnh cho bộ CNC thực hiện các hiệu chỉnh cần thiết. Việc giám sát và hiệu chỉnh chế độ công nghệ được thực hiện trong thời gian thực, khiến máy công cụ làm việc với chế độ gia công S2, F2 khác với chế độ gia công tính toán S1, F1, đảm bảo giá trị hợp lý nhất của thông số ra. Về cấu trú ...