Sistem numeric de control al axelor unei mașini CNC [303836]

Sistem numeric de control al axelor unei mașini CNC

PROIECT DE DIPLOMĂ

Autor: Ciprian-Gheorghe Bila

Conducător științific: Prof.dr.ing Petru Dobra

Autor: Ciprian-Gheorghe Bila

Sistem numeric de control al axelor unei mașini CNC

Enunțul temei:

Conținutul proiectului: (enumerarea părților componente) [anonimizat], [anonimizat], Titlul capitolului 1, Titlul capitolului 2,… Titlul capitolului n, Bibliografie.

Locul documentației: [anonimizat]: drd.ing Dora Sabău

Data emiterii temei:

Data predării:

Semnătura autorului

Semnătura conducătorului științific

Declarație pe proprie răspundere privind

autenticitatea proiectului de diplomă

Subsemnatul(a) Ciprian-[anonimizat](ă) cu CI seria XH nr. 865187 , CNP [anonimizat] ,

autorul lucrării:

Sistem numeric de control al axelor unei masini CNC

elaborată în vederea susținerii examenului de finalizare a [anonimizat], [anonimizat], sesiunea Iulie 2017 a anului universitar 2017-2018, [anonimizat], [anonimizat], și în bibliografie.

Declar, [anonimizat] a convențiilor internaționale privind drepturile de autor.

Declar, [anonimizat] a mai fost prezentată în fața unei alte comisii de examen de licență.

In cazul constatării ulterioare a [anonimizat], respectiv, anularea examenului de licență.

Data Prenume NUME

________ Ciprian-Gheorghe Bila

(semnătura)

SINTEZA

proiectului de diplomă cu titlul:

Sistem numeric de control al axelor unei mașini CNC

Autor: Ciprian-Gheorghe Bila

Conducător științific: Prof.dr.ing. Petru Dobra

1. Cerințele temei:

Sa se calculeze regulatoarele pentru axele unei masini cu comanda numerica.

2. Soluții alese:

S-a ales criteriul Ziegler Nichols pentru calculul regulatorului axey Y si auto acordarea pentru axele X, Y si Z.

3. Rezultate obținute:

In urma implementarii s-a obtinut o precizie buna.

4. Testări și verificări:

S-a realizat teste de validare in vederea pozitionarii inainte si dupa calculul regulatorului.

5. Contribuții personale:

Analiza electrica si mecanica a sistemului, teste de validare

6. Surse de documentare:

[anonimizat], [anonimizat].

Semnătura autorului

Semnătura conducătorului științific

Introducere

Context general

În ultimul secol tehnologia a cunoscut o dezvoltare rapidă devenind de un mare ajutor omului. [anonimizat] a [anonimizat]-și simplifice modul de lucru. [anonimizat] a [anonimizat], având și o siguranță mai mare. Astăzi, aproape în toate domeniile există sisteme automatizate menite să crească performanțele proceselor pentru a aduce un profit cât mai mare.

Mașinile cu comandă numerică (CNC) reprezintă o parte integrată în ceea ce privește automatizarea industrială. O mașină cu comandă numerică este formată dintr-o parte mecanică și un sistem numeric de control, sistem ce reprezintă și partea electrică a mașinii. Mașinile cu comandă numerică moderne sunt capabile să controleze anumite dispositive periferice, să controleze procese de fabricație și chiar să ia decizii. Ele se mai numesc și mașini unelte. Acestea se pot clasifica, după modul de lucru, în mașini cu tăiere și mașini fără tăiere. Mașinile cu tăiere transformă, prin acțiunea lor o piesă dintr-un produs nefinit într-un produs finit prin acțiunea de tăiere. Exemple de astfel de mașini sunt mașinile de frezat și strungul. Mașinile fără tăiere sunt acele mașini care nu execută un proces de tăiere și folosesc forța de presiune pentru a modela o formă de material.

Întorcândune puțin la istorie, mașinile cu comandă numerică au început să se dezvolte mai mult după al doilea Război Mondial. Astfel în 1947, partea de aviație a armatei Statelor Unite alături de o companie privată au dezvoltat în sistem 2D o metodă prin care să creeze părți în plan pentru avioane. După 5 ani, în 1952, apare prima mașină cu comandă numerică, strungul inovat de John Parson. Acest strung avea pe axele x și y servomotoare comandate de un calculator care citea cartele perforate pentru a da coordonate de poziționare mașinii. Scopul creeri acestui strung a fost tot pentru industria aeronautică, pentru a prelucra piese cumplexe la avioane. Evoluția sistemelor de calcul a dus la asistarea de către calculator a mașinilor cu comandă numerică, General Motors fiind prima companie care,în 1957, în parteneriat cu IBM pun în aplicare un proiect prin care urmăresc să stocheze pe un suport digital scheme, care apoi să poate fi convertite în comenzi pentru strungurile cu comandă numerică. Astfel, în anul 1963 se reușește pentru prima oară creearea unui prototip 3D cu ajutorul modelelor 2D stocate digital.

După anul 1960 calculatoarele au cunoscut o dezvoltare repida, astfel că, controlul motoarelor de către calculator au devenit mai accesibil fiind și mai ieftin decât utilizarea sistemelor de control servo dedicate.

Apariția pe piață a mașinilor cu comandă numerică a schimbat radical performanțele în industrie, obtinanduse progrese foarte mari din punct de vedere al cantității, calității și timpului de fabricare care s-a redus semnificativ. Mașina cu comanda numerică a ușurat munca oamenilor și a reușit să îmbunătățească semnificativ munca în fabricici și nu numai. Datorită eficienței, să încercat tot mai mult perfecționarea unor astfel de mașini astfel că în ziua de azi există modele de mașini cu comandă numerică care au performate care în urmă cu câțiva ani nu puteau fi concepute.

La o mașină cu comandă numerică, comandarea servomotorului/servomotoarelor se face printr-un servo-drive. Servomotorul primește o comandă după care acționează efectuând o mișcare de rotație. Mișcarea de rotație este transformată în mișcare de translație de către șurubul cu bile.

Mașinile cu comandă numerică din ziua de azi sunt capabile nu numai să comande motoare ci chiar să comntroleze procese ce au loc în timpul unui proces de fabricație și chiar să ia decizii singure. Cu toate acestea pentru a avea condiții optime de funcționare și o siguranță mai mare, mașinile sunt supravegheate de un operator. Programul folosit azi la cele mai multe mașini cu comandă numerică este scris în cod G. Codul G este un limbaj de programa prin care mașina cu comandă numerică primește de la programator un set de intructiuni. Deși este cel mai utilizat limbaj de prgramare pentru mașinile cu comandă numerică, codul G a fost conceput și folosit pentru prima dată pentru plotter, ulterior fiind dezvoltat și pentru mașinile cu comandă numerică. O alternativă la programarea în cod G este sistemul “STEP-NC”, un sistem creat pentru a programa mașinile cu comandă numerică.

Mașinile cu comandă numerică pot să difere între ele , în funcție de operațiile pe care le fac, astfel sunt mașini care lucrează pe două axe și sunt mașini care lucrează pe 3 axe sau chiar 6 , mașini care sunt capabile să-și schimbe sinngure scula în timpul procesului de fabricație și care permit efectuarea unor operații mai complexe. De altfel mașinile cu comandă numerică diferă și în funcție de tipul materialului pe care în prelucrează.

Ca de mașini cu comandă numerică amintim: freză automată, strungul automat, mașina cu comandă numerică de debitat, mașina cu comandă numerică de sudură continuă sau prin puncte, mașina cu comandă numerică pentru gravare, presă automată.

În aceată lucrare se va prezenta un studio bibliografic în care vor fi prezentate componentele unei astfel de mâini. Se va pune accentual mai mult pe partea electrică și mecanică a sistemului deoarece obiectivul lucrării se va focusa mai mult pe aceste două părți.

Obiective

Lucrarea prezinta modurile in care se poate face acordarea regulatoarelor la o masina cu comanda numerica.

In prima parte se va explica modul de functionare a masinii cu comanda numerica, din punct de vedere electric dar si din punct de vedere mecanic. Din punct de vedere electric se va descrie legaturile dintre echipamente, felul in care sunt conectate si modul de functionare a lor.

In partea a doua a lucrari se va incerca acordarea regulatoarelor masinii cu comanda numerica atat prin auto-acordare cat si prin citirea unor date in vedera calcularii unui regulator printr-o metoda cunoscuta.

In final se doreste obtinerea unor parametri mai buni in ce priveste pozitia, pentru masina cu comanda numerica.

Specificatii

In aceasta lucrare se doreste sa se explice urmatoarele aspecte legate de masina cu comanda numerica:

– sistemul mecanic

– sistemul electric(analiza si proiectare)

-citirea datelor cu ajutorul Cx-drive-ului

-calculul regulatoarelor prin auto-acordare

-calculul regulatoarelor prin doua metode diferite

Aspectele de mai sus sunt prezentate in lucrare intr-un mod explicit. La inceput, in studiul bibliografic sunt prezentate partile ansamblului in vederea intelegerii functionarii lor. Tot aici sunt prezentate si detaliile tehnice ale ansamblului si modul in care sunt implementate.

Studiu bibliografic

2.1 Automate Programabile(AP)

Automatul programabil sau PLC(programmable logic controller) este un sistem electronic digital care folosește memoria programabilă pentru a stoca instrucțiunile necesare implementării unor funcții specifice pentru a controla intrările și ieșirile diferitelor procese. A fost conceput pentru mediile industrial, fiind folosit pentru prima dată în industria auto. Automatul programabil a apărut ca o alternativă reutilizabilă, ieftină și sigură pentru înlocuirea circuitelor secvențiale din panourile cu relee cablate. Panourile trebuiau recablate la fiecare modificare a schemei de control, având și dezavantajul dimensiunilor mari, în general. În schimb, PLC-ul este mult mai ușor și rapid de modificat, fiind și de dimensiuni mult mai reduse. Un alt avantaj este că poate fi ușor programat, nefiind necesare cunoștințe avansate de programare pentru al putea programa.

Componentele principale ale unui automat programabil sunt:

·         Unitatea centrală de prelucrare

·         Magistrala de control

·         Modulele de intrare/ieșire

Unitatea centrală de prelucrare este formată dintr-un microprocessor responsabil pentru monitorizarea și controlul modurilor de control, configurarea modulelor și verificarea corectitudinii programului.

Magistrala de control memreaza informațiile despre magistrala de adrese, magistrala de date și semnalele de control, eliminând astfel pericolul de supraîncărcare a microprocesorului.

Modulele de intrare/ieșire pot fi module analogoce sau module digitale. Ele asigură conexiunea între PLC și instalația care trebuie controlată.

În figura 2.1 este prezentată stuctură internă a unui PLC.

Automatele programabile au inceput sa apara pe piata in a doua jumatate a secolului XX, mai exact in perioada anilor 1960. Datorita avantajelor pe care le oferea, au inceput sa apara din ce in ce mai multe firme care produceau PLC-uri. Astfel in 1990 existau peste o mie de firme care produceau PLC-uri.

În ziua de azi, cele mai cunoscute firme producătoare de automate programabile sunt: Siemens, Omron, Mitsubishi Electric, Schneider, Moeller, General Electric, Telemecanique.

Figura 2.1 Structura interna a unui automat programabil

2.2 Automatul programabil Omron CJ2M-CPU11

Omron CJ2M-CPU11 este un automat programabil produs de compania japoneză Omron. S-a utiliat acest automat programabil deoarece capacitatea de memorie mare și performanțele ridicate oferă posibilitatea măririi numărului de intrări și ieșiri ce pot fi conectate pe cele 40 de module existente.(2560 de intrări și ieșiri). Execuția unei intrucțiuni durează 0,04 µs, iar timpul de procesare 160 µs. Automatul funcționează optim la o temperature cuprinsă între 0 și 55 grade Celsius, cu o umiditate între 10-90%.

O prezentare a automatului programabil CJ2M-CPU11 este făcut în figura 2.2:

Figura 2.2 CJ2M-CPU11

Semnificație indicatori:

1.      Indicator LED

2.      Commutator DIP

3.      Indicator card de memorie

4.      USB

5.      Port serial

6.      Buton extragere card de memorie

7.      Conector pentru cardul de memorie

8.      Commutator de alimentare

9.      Slot baterie

Programarea PLC-urilor se poate realiza folosind mai multe limbaje de programare. Standardul IEC 61131 definește 5 tipuri de limbaje folosite în programarea PLC-urilor:

LD-Ladder Diagram

FBD-Function Block Diagram

ST-Structured Text

ÎL-Instruction List

SFC-Sequential Function Chart

Automatul CJ2M-CPU11 este programat în limbaj Ladder.  Programarea cu diagrame ladder a apărut  la automatele programabile datorită necesității de a există un mod simplu de programare prin care să se realizeze aplicații dară să fie nevoie de cunoștințe avansate de programare. Funcțiile decizionale ale primelor PLC-uri erau implementate cu ajutorul unor diagrame ladder simple inspirate din scheme electrice. Având diagrame schematizate în logică ladder și problemele de circuit erau mult mai ușor de rezolvat.

Funcțiile de intrare și ieșire(I/O): Intrările și ieșirile de pe modulul  I / O Pulse pot fi utilizate că intrări normale și ieșiri normale.(Fiecare modul de intrare / ieșire Pulse oferă până la 10 intrări și 6 ieșiri.) Constanța de timp de intrare poate fi setată la 0 ms (fără filtru), 0,5 ms, 1 ms, 2 ms, 4 ms, 8 ms, 16 ms sau 32 ms. Aceeași setare este utilizată pentru toate cele 20 intrări. Discuțiile și efectele zgomotului extern pot fi reduse prin creșterea constanței de timp de intrare.

Automatul programabil are în componetă două module de intrări și ieșiri în impulsuri, unule dintre ele fiind utilizat că interfață între automatul programambil și dizpozitivele externe. Compania japoneză are la dispoziție două modele (CJ2M-MD211 și CJ2M-MD212) fiecare cu câte 40 de pini conectori. Modulele sunt dotate cu intrări și ieșiri normale, intrări cu răspuns rapid, întreruperi, numărătoare rapide, ieșiri în impulsuri și ieșiri PWM.

2.3 Motorul electric

Motoarele electrice, numite și mașini electrice, se pot clasifică în funcție de curentul electric folosit în două categorii: motoare de current continuu și motore de current alternativ.

Motoare de current continuu pot fi cu excitație sau mixte. Motoarele de curent alternativ pot fi monofazate sau polifazate, în funcție de numărul de faze. Motoarele polifazate sunt și ele la rândul lor de două feluri: sincrone și asincrone.

Mașina de curent continuu, se caracterizează prin faptul că prin circuitul exterior trece curent continuu, iar tensiunile electromotoare se induc numai prin mișcare. Se compune din două părți pricipale: statorul, care este partea fixă a mașinii și reprezintă inductorul, și rotorul care este partea mobilă și reprezintă indusul.

În figura 2.3 sunt prezentate componentele unui motor de current continuu.

Figura 2.3 Componentele unui motor electric de current continuu

Motorul de curent continuu este o mașină electrică care transformă energia electrică de curent continuu în energie mecanică. Funcționare să se bazează pe fenomenul de apariție a forței electromagnetice care acționează aupra unui conductor parcurs de curent și situat în câmp magnetic.

În figura 2.4 va fi explicată funcționarea motorului de curent continuu.

Figura 2.4 Functionarea motorului de c.c. –figura explicativa

Curentul Ie creează câmp magnetic de excitație , sensul câmpului fiind reprezentat prin vectorul de inducție magnetică B. Înfășurarea rotorică este alimentată prin intermediul sistemului perii-colector de la sursa de tensiune continuă U Prin conductoarele înfășurările rotorice circulă curentul continuu Ia. Conductoarele înfășurării rotorice sunt parcurse de curentul continuu Ia și se găsesc în câmpul magnetic constant de inducție B creat de curentu Ie . În urmă acesstui fapt, asupra conductoarelor care formează înfășurarea rotorică vor acționa forțe electromagnetice F, al căror sens se poate determina cu regulă mâinii stângi. Aplicând această regulă, rezultă că asupra conductoarelor situate în dreptul polului nord acționează forțe orientate de la stânga spre dreapta, iar asupra conductoarelor situare în dreptul polului sud, forțe orientate de la dreapta spre stânga.

Forțele electromagnetice F, produc un cuplu M, denumit cuplu electromagnetic, care acționează asupra rotorului. Dacă acest cuplu este mai mare decât momentul rezistent al rotorului, rotorul va căpătă o mișcare de rotărie în sensul indicat în figura, cu o anumită turație n.

Avantajele motorului de current continuu sunt:

oferă un control ușor al vitezei, folosind niveluri de tensiune

are un cuplu mare la pornire

control dinamic foarte bun: porniri, opriri și reversari de sens foarte rapid

Dezavantaje:

cost ridicat de producție

construcție complicate

cheltuieli de mentenanță(mai ales la motoarele cu perii)

2.4 Motoul de current continuu fara perii(BLDC)

Motorul de current continuu fără perii este un motor electric la care comutația căilor de current necesară învârtirii rotorului se realizează electronic. Este în principal construit că un magnet permanent rotativ față de o înfășurare parcursă de current. Din acest punct de vedere este echivalent cu motorul de current continuu inversat, în care magnetul se rotește în timp ce conductoarele rămân fixe.

În figura 2.5 se poate vedea un astfel de motor:

Figure 2.5 Motor de current continuu fara perii(BLDC)

Principiu de bază

Motorul BLDC are în structura să înfășurări statorice și magneți permanenți pe rotor. În interiorul motoruluinu există perii și comutatoare, înfășurările fiind conectate la sistemul electronic de control. Înfășurările proprii sunt alimentate de la partea electronică asemenea unui commutator iar bobinele sunt alimentate în mod rotativ în jurul statorului. Magnetul rotorului este alimentat cu tensiune de la înfășurările statorice.

În figura 2.6 se poate vedea structura bloc a unui astfel de motor.

Figure 2.6 Schema bloc a unui motor BLDC

Pentru citirea poziției motorului în timp real și a numărului de rotate într-o unitate de timp se folosesc mai multe  metode:

Senzori optici situați pe stator

Senzori Hall

Comutare nesenzorială

Motorul Omron R88-G10030H-S2

Motorul Omron R88-G10030H-S2 este un produs al companiei Omron, fiind un motor de current continuu fara perii. Servo drive-ul cu care functiuneaza acest motor se numeste SmartStep2 R7D-BP01H. Performantele acestui motor cat si anumite caracteristici, sunt prezentate in tabelul din figura 2.7.

Figura 2.7 Performantele motorului Omron R88-G10030H-S2

Motorul Omron R88-G10030H-S2, la fel ca oricare alt motor de acest fel, are doua sensuri de rotatii. Sensul acelor de ceasornic este considerat ca fiind sensul de mers inainte, iar sensul trigonometric este considerat sensul de mers inapoi. In figura 2.8 se prezinta cele doua sensuri ale motorului.

Figura 2.8 Sensul de rotatie

Dintre avantajele acestui motor amintim faptul ca are o rezistenta la vibratii foarte buna, de pana la 49m/s2 si o rezistenta la impact de pana la 98 m/s2. De altfel dimensiunea redusa a motorului si greutate mica, constitue de asemenea un avantaj.

2.5 Senzorul inductiv de proximitate

Senzorul inductiv de proximitate(fig. 2.9) produce la ieșire un semnal în tensiune variabilă, în funcție de distanță la care se află obstacolul detectat. Acest  tip de sensor este poate cel mai utilizat în aplicațiile industriale pentru detectarea obiectelor aflate în dreptul senzorului.

Figure 2.9 Senzor inductiv de proximitate

Senzorul inductiv de proximitate este format dintr-un nucleu de fier înfășurat într-o bobină care fiind parcursă de un current alternativ, formează un câmp electromagnetic. Principiul de funcționare se bazează pe modificarea inductanței bobinei, care apare în momentul în care se apropie un obiect metalic de senzor. Un avantaj pe care îl are senzorul de proximitate este că poate detecta un obiect metalic fără să îl atingă. Dezavantajul este că nu poate detecta obiecte nemetalice.

În figura 2.10 este prezentată structura unui senzor inductive de proximitate:

Figure 2.10 Senzor inductiv de proximitate-Structură

2.6 Servo Drive-ul Omron SmartStep2 R7D-BP01H

Servo driv-ul SmartStep2 R7D-BP01H este un produs al companiei japoneze Omron, creat pentru controlul poziției sistemelor cu capacitate redusă, acesta având dimensiuni reduse. Cu toate acestea servo-drive-ul oferă performanțe foarte bune, având funții de reglare automată a parametrilor și adaptare în timp real.

Pentru a reduce vibrațiile mașinii se poate seta automat un filtru Notch care va reduce rezonanță în timpul funcționarii . În figura 2.11 se poate vedea structura externă a drive-ului:

Figure 2.11 Servo drive-Structura externa

Servo drive-ul este alimentat atunci când culoarea verde a indicatorului LED(light-emitting diode) luminează. Dacă apare o avertizare , LED-ul va lumina intermitent la interval de o secundă. În cazul une alarme generale în sistem, LED-ul va avea culoarea roșu.

Servo drive-ul se alimentează cu o tensiune alternative de 230 de volți de la rețea prin conectorul CNA, iar prin conectorii CN2 și CNB se face legătură cu servomotorul. Datele de la automatul programabil se transmit prin conectorul de referință CN1. Pri conectorul de comutatii CN2 se obțin informații despre poziție și viteză sau pentru reglare automată.

2.7 Regulatoare automate

Regulatoarele automate preiau la intare un semnal de eroare și dau la ieșire un semnal de comandă. Semnalul de eroare se obține în urma unei comparației intre marimea de intrare si marimea masurata, process realizat de elementul comparator. In figura 2.12 este prezentata structura unui astfel de regulator.

Figura 2.12 Regulatorul automat- Structură

“Regulatoarele automate sunt prevăzute cu un comutator de trecere de pe regim cu referințǎ internǎ pe regim cu referințǎ externǎ.

Referința externă se poate realiza :

printr-un bloc specializat

de la un regulator automat (montaj în cascadă)

de la un calculator de process

Trecerea de pe un regim de lucru pe altul se poate face manual (la aprecierea operatorului) sau automat. Comutarea de pe un regim pe altul trebuie să se facă fără a se provoca șocuri pe canalul referinței. Pentru a realiza acest lucru trebuie prevăzute sisteme de memorare a referinței și o semnalizare a modului de lucru”

Clasificarea regulatoarelor automate:

Clasificarea regulatoarelor automate se poate face după mai multe criterii. În cele ce urmează vom prezența o clasificare generală a regulatoarelor automate, figura 2.13.

Figura 2.13 Clasificarea regulatoarelor

După cum se poate vedea în figura 2.13, regulatoarele automate se împart după:

– Tipul acțiunii realizate

– Caracteristicile constructive

– Sursa de energie externă

– Agentul purtător de semnal

După tipul acțiunii, regulatoarele automate se împart în două categorii:

– Regulatoare continue

– Regulatoare discrete

–

În continuare vom aborda regulatoarele cu acțiune continuă.

Regulatoarele continue

Regulatoarele continue sunt regulatoarea automate ce se bazează pe utilizarea utilizarea unor amplificatoare electronice ce au pe intrase și pe reactive circuite de corecție. Realizarea reglării de către regulatoare va depinde de amplificatoarele utilizate și de circuitele de corecție. (figura 2.14)

Figura 2.14 Elementele de corecție la regulatoarele continue

AU-preamplificator(de tensiune)

COR- rețea de corecție

AF-amplificator final(de putere)

Din punct de vedere al functionarii, regulatoarele continue, au marimile de intrare si iesire de tip continuu, dependenta ε(t) si u(t) se realizeaza continuu. Regulatoarele liniare realizeaza o dependenta liniara intre u(t) si ε(t). Regulatoarele continue liniare sunt de tipul: P,PI,PD,PID.

Regulatorul proportional (P)

La regulatorul proporțional exista  o relație de proporționalitate între mărmea de intrare ε(t) și mărimea de comandă u(t): (vezi fig. 2.15)

u(t)=Kr* ε(t), Kr-parametru numit factor de amplificare

Figura 2.15 Regulatorul P: a) variatia treapta la intrare. b) raspunsul la intrarea treapta

Daca factorul de amplificare Kr creste, acesta va determina o scadere a erorii stationare ε, ceea ce face ca precizia sa creasca.

Regulatorul P se caracterizeaza prin o constanta BP, numita banda de proportionalitate.

Daca ε(t)=u(t), deomeniul de proportionalitate este:

Daca ε(t)!=u(t), domeniul de proportionalitate este dat de relatia:

Regulatorul proportional-integrator (PI)

Regulatorul PI combima efectul proportional cu efectul integral, putand fi descris ca o combinatie intre regulatorul proportional completat cu un efect integrator.(vezi fig. 2.16)

unde TI este constanta de timp de integrare(TI=Ti*Kr)

Figura 2.16 Regulator PI: a) variatia treapta a intrarii; b)raspunsul treapta al iesirii regulatorului de tip PI

Regulatorul proportional-derivativ (PD)

La regulatorul PD componenta integratoare lipseste, rezultand o eroare stationara la pozitie 0. Pe langa componenta proporționala, apare o componenta derivativa D. Introducerea componentei derivative va scadea suprareglajul.Utilizand un regulator PD se reduce durata regimului tranzitoriu. (figura 2.17)

-se numeste constanta de timp de derivare

Figura 2.17 Regulator PD: a) variatia treapta a intrarii; b) raspunsul la treapta al iesirii regulatorului PD

Regulatorul proportional-integrator-derivativ (PID)

Regulatoarele de tip PID sunt regulatoare mai complexe deoarece inglobeaza toate cele 3 efecte: proportional, integrator și derivativ. Datorita acestui fapt regulatoarele PID ofera performante de reglare superioare celorlalte regulatoare. (Figura 2.18)

Parametri care pot fi acordati sunt:Kr,TI si TD.

Kr-factorul de amplificare

TI-constanta de timp de integrare

TD-constanta de timp de derivare

Figura 2.18 Regulator PID: a)variatia treapta a intrarii; b)raspunsul la treapta al iesirii regulatorului de tip PID

2.8 CX-Drive

Cx-drive este un program folosit pentru configurarea și setarea servo driverelor omron. Programul permite acordarea regulatoarelor și compararea parametrilor servo-driverelor. În figura 2.19 este prezentată legătură dintre PC și servo-driverele omron:

Figura 2.19 Cx-drive -legatura cu servo-drive-ul

Cx-drive este compatibil cu Omron 3G3JV, 3G3MV și 3G3RV(Inverter), precum și cu serverele OMRON SMARTSTEP W-series.

Pentru a adaugă un nou drive, putem alege din bară de meniu opțiunea “File” urmată de “New” sau apasand combinația de taste Ctr+N.(vezi figura 2.20)

Figura 2.20 Adaugare drive

Programul conține un table cu toți parametrii drive-urilor care pot fi modificati folosind valori intregi sau setati ca valori predefinite.(vezi figura 2.21).

Parametrii obținuți pot vor apare în coloană “Drive Value”. Dacă parametrii obținuți diferă de parametrii dați inițiali, atunci ei vor apărea cu roșu. Parametrii noi pot fi salvați, caz în care la următoarea operațiune vor intră în funcțiune, sau pot fi ignorați.

Funcția de auto acordare a regulatoarelor calculează momentul de inerție al sarcinii conectate la motor și obține parametrii pentru regulatore în funcție de rigiditatea sistemului.

Figura 2.21 Setarea parametrilor pentru drivere

În timpul funcționarii motorului se pot vizualiza diferite date despre motor în timp real, cum ar fi: viteză, accelerația, deceleratia, curentul absorbit de motor sau  cuplul. Aceste date pot fi vizualizate în format digital și salvate sau exportate în diferite formate.

Funcțiile de monitorizare permit vizualizare și/sau obținerea de date doar de pe o axa , neputând fi monitorizate două sau mai multe axe simultan.

Analiză, proiectare, implementare

Acest capitol va descrie etapele privind construcția mașinii cu comandă numerică OMRON.Se va analiză partea electrică și partea mecanică a sistemului. În figura 3.1 este prezentată mașină cu comandă numerică, partea mecanică și partea electrică:

Figura 3.1 Masina cu comanda numerica: a) structura electrica b) structura mecanica

Masina cu comanda numerica –Structura

Structura fizică a masinii cu comandă numerică este prezentată in figura 3.2:

Figura 3.2 Masina cu comanda numerica-schema bloc a partii fizice

Așa cum se poate vedea și în figura 3.1, mașină cu comandă numerică este compusă din: PC(calculator personal), PLC(automat programabil),  servo drive(D), servo motor(M) și  3 axe de deplasare. Sistemul alcătuit din cele trei axe și motoare formează partea mecanică a mașinii. O axa este formată din: servo motor, șurub cu bile, piuliță, ghidaje pentru piuliță, traductor de deplasare și cuplaj cu burduf. În figura 3.3 este prezentată schemă bloc a unei axe.

Figura 3.3 Schema bloc a unei axe

Cuplajul cu burduf

Cuplajul cu burduf este un elementul mecanic folosit pentru transmiterea cuplului între două componente rotative. În cazut de față între servo motor și șurubul cu bilă. Cuplajele pot fi de mai multe tipuri: cuplaje rigide(sunt simple și robuste), cuplaje elicoidale, cuplaj elastice, cuplaje cu manșon și cuplaje cu burduf. În structura mașinii cu comanda numerică prezentate mai sus, cuplajul folosit la transmiterea cuplului este cuplajul cu burduf. Cuplajele cu burduf(cu arc) asigură o cuplare stabilă între componentele rotative.

Ca avantaje putem aminti faptul că transmite mișcarea de rotație cu o precizie foarte bună și compensează abaterile radiale, axiale și unghiulare. Cuplajele cu burduf au o rigiditate înaltă de torsiune, momentul de torsiune transmis fiind între 0.1 și 5000 Nm.

In figura 3.4 este prezenta structura unu cuplaj cu burduf:

Figura 3.4 Cuplajul cu burduf-structura

Structura mecanica a masinii cu comanda numerica

Mașina cu comanda numerică folosește un sistem de poziționare tridimensional. În figura 3.5, privit din față, axa X este deplasarea înaite-înapoi. Deplasarea la stânga-dreapta este axa Y iar deplasarea pe verticală este axa Z. Mișcarea de translație pe fiecare din cele 3 axe este dată de ansamblul motor–burduf-surub cu bile. Translația pe X și Y se face pe șurub cu bile cu pasul de 5 mm, iar pe axa Z șurubul este simplu cu pas de 2mm. Fiecare axă este prevăzută cu câte 2 ghidaje folosite pentru a mări rigiditatea, un factor foarte important în cee ace privește viteza și precizia mașinii cu comanda numerică. Cu cât rigiditatea este mai mare, cu atât motoarele pot funcționa cu o viteză mai mare fără a deteriora ansamblul mecanic.Lungimea axelor:

-axa X: 50cm

-axa Y: 50cm

-axaZ: 30cm

Figura 3.5 Structura mecanica a masinii cu comanda numerica

Limitatoarele de cursă sunt sisteme de siguranță care în cazul unor erori opresc motoarele, evitând ca deplasarea să se facă în afara zonei de lucru a mașinii. În total sunt șase astfel de limitatoare, câte două pe fiecare axă.

Pe fiecare axă este montat câte un senzor de proximitate inductiv, folosit pentru poziționarea în origine a sistemului.

Sistemul electric al masinii cu comanda numerica

O componentă esențială în funcționare mașinii cu comanda numerică o reprezintă sistemul electric. Acesta controlează motoarele electrice în vederea deplasării pe axe în sensul și direcția dorită de utilizator. În figura 3.6 este este prezentată schema bloc a sistemului electric.

Figura 3.6 Sistemul electric –schema bloc

Sistemul electic este format din:

-sursa de alimentare 24V

-automatul programabil CJ2M-CPU11

-servo drive-uri SmârtStep 2 R7D-BP01H

-senzori de proximitate inductive

-module de intrări și ieșiri în impulsuri

-traductori de deplasare optici

-seturi de cleme pentru intrări auxiliare

-limitatori de cursă

-interfață cu relee pentru senzorii inductive

In figura 3.7 este prezentat sistemul electric al ansamblului:

Figura 3.7 Sistemul electric al masinii cu comanda numerica

După cum se poate vedea în Figura 3.3.2 echipamentele electrice integrate în sistemul electric sunt:

-sursa de alimentare 24V

-automatul programabil OmronCJ2M și modulele de intrare și ieșire în impulsuri

-cele trei servo-drivere(pentru cele trei axe X,Y și Z)

-clemele pentru conectarea intrărilor și ieșirilor auxiliare

Rolul sistemului electric este să producă semnale de referință pe ieșiri pentru accelerație, viteză și poziție. Aceste semanale sunt transmise prin intermediul modulelor de intrări și ieșiri către servo drive-uri. Protocolul de comunicare dintre automatul programabil și servo drive-uri este RS-232. Automatul programabil poate să producă pe ieșiri un set de semnale de referință, la un interval de 4ms, pentru a obține traiectorii mai complexe.

Clemele pentru conectarea intrărilor și ieșirilor auxiliare sunt înpărtite în două seturi identice(XW2B-40J6-9A produs de compania Omron), un set de cleme pentru axele X și Y, și un șed de cleme pentru axa Z. Fiecare set de cleme are câte 40 de conectori și este alimentat cu 24V, tensiune continuă. În figura 3.8 este prezentat setul de cleme pentru axa X și Y:

Figura 3.9 Setul de cleme pentru axa X si Y

Cele două servo drive-re au câte un comutator de siguranță , care în cazul unei funcționari anormale oprește funcționarea motorului. La axa X acest comutator este conectat la pinii 5 și 25, iar la axa Y la pinii 34 și 14. Senzorul inductiv de proximitate la axa X este legat la pinii 4 și 24, iar la axa Y la pinii 13 și 33. Limitatoarele de cursă sunt câte două pe fiecare axă. Astfel pe axa X sunt conectate la pinii 22 și 2(pentru sensul orar) și la pinii 23 și 3 (pentru sensul anti-orar). Pentru axa Y limitatoarele sunt conectate la pinii 31 și 11(pentru sensul orar) și la pinii 32 și 12 (pentru sensul anti-orar).

Pentru setul de cleme al axei Z și conexiunile sunt indentice cu cele ale axei X. În figura 3.10 se poate vedea setul de cleme pentru Z și conexiunile acesteia:

Figura 3.10 Setul de cleme pentru axa Z

Acordarea regulatoarelor folosind CX-Drive

Acordarea regulatoarelor s-a făcut utilized softul CX-Drive de la omron. Pentru aceasta s-a creat un proiect în care au fost adăugate servo drive-urile. În figura 3.11 se pot vedea cele 3 drive-re

Figura 3.11 Crearea celor trei drivere

Fiecare din cele trei drivere corespunde uneia din cele trei axe. Astfel “Drive1” este pentru axa X, “Drive2” este pentru axa Y și “Drive 3” este pentru axa Z.

În figura 3.12 sunt prezentate servo driverele pentru fiecare axă:

Figura 3.12 Servo drivere

Folosind softul CX-drive, acordarea regulatoarelor se poate face în două moduri:

-folosind funcția de auto-acordare(Auto-Tune)

-prin determinarea parametrilor de reglare

3.6 Acordarea regulatoarelor prin “Auto-Tune”

Pentru a putea configura și acordă driverele trebuie ca acestea să fie conectate la un calculator în mod direct. Pentru auto-acordare, se alege driver-ul pentru care vrem să face auto acordarea iar apoi din meinul “Drive” se ca alege “Auto-Tune”. După ce se apasă pe iconiță de “Auto-Tune” se va deschide o fereastră în care se poat vedea parametrii de reglare. În figura 3.13 se pot vedea acești parametric.

Figura 3.13 Parametri Auto-acordare

În cadrul acestei ferestre se pot modifica parameții care țin de rigiditatea sistemului și de mișcarea motorului. Apăsând pe butonul “start” se pornește auto-acordarea, servo drive-ul mișcând motorul în direcțiile setate anterior. Motorul se va mișca pe o distanță determinată cu viteză variabilă. După terminarea operației de auto-acordare în coloană “Drive Value” vor fi afișate precedentele valori ale parametrilor, iar în coloana “Value” vor fi afișate noile valori determinate în urma auto-reglării. Dacă valorile care s-au obținut în urma auto-acordării diferă de valorile precedente, acesta vor apărea scrise cu roșu. Aceste volori pot fi salvate pe drive sau pot fi omise. După cum se poate vedea în figura 3.13, în fața fiecărui parametru se află un cerc. Dacă cercul este de culoare neagră, asta înseamnă că parametrul respectiv a rămas nemodificat în utmă auto-acordării. Dacă cercul este de culoare roșie înseamnă că parametrul respective și-a modificat valoarea.

Prin modificarea acestor valori se dorește un randament mai bun al motorului și o fiabilitate mai bună. Dacă parametrii nu sunt corespunzători și pun în pericol funcționarea normală a sistemului, proceseul se oprește și apare alarma. Pentru a elimina o alarmă, mergem la bara de instrumente și dăm click pe iconiță “Alarms”(vezi figura 3.14). Se va deschide o fereastră unde sunt afișate alarmele existente. Vom selecta alarma dorită și apoi vom apăsa pe butonul “Clear”, moment în care alarm ava dispărea.

Figura 3.14 Butonul de alarme

Funcția de auto-acordare permite mai multe grade de rigiditate. În figura 3.15 se pot vedea gradele de rigiditate

Figura 3.15 Parametrii de rigiditate

Pentru fiecare grad de rigiditate există parametrii predefiniți. În figura 3.16 se pot vedea o parte dintre acești parametrii.

Figura 3.16 Parametrii predefiniti pentru gradul de rigiditate

3.7 Acordarea regulatoarelor prin determinarea parametrilor experimental

În CX-Drive, acordare regulatoarelor se poate face și modificând parametrii, lucru care se poate face în două feluri. Cea mai simplă variantă este să modificăm parametrii de la “Parameter Editor” (vezi figura 3.17)

Figura 3.17 Parameter editor

Deschizând fereastra “Parameter Editor”, apar toți parametrii care pot fi setați. În figura 3.18 se pot vedea acești parametrii.

Figura 3.18 Editarea parametrilor

După cum se poate vedea în figura 3.18, la fiecare parametru sunt câte 4 coloane. Pornind din dreapta , în prima coloană(“Units”) este trecută unitatea de măsură a parametrului respective. În cea de-a doua coloană(“Range”) este trecut intervalul de valori pe care le poate lua parametrul. În coloana “Default”este trecută valoarea predefinită a parametrului. Aceste valori nu pot fi modificate aici, ele se modifică doar atunci când modificăm parametrii de rigiditate. În coloană “Drive Value” sunt memorate valorile care sunt încărcate pe drive. În coloana “Value” sunt valorile parametrilor pe care le putem modifica. Pentru a modifica aceste valori este sufficient să dăm dublu click pe linia parametrului și aceasta devine editabilă. (vezi figura 3.19)

Figura 3.19 Modificarea unui parametru

După ce am modificat parametrii, este necesar să îi trasferăm pe drive pentru a vedea dacă modificările făcute sunt mai bune sau nu. Pentru a transfera valorile parametrilor pe drive, merge la bara de instrumente și alegem pictograma “Transfer to drive” (vezi figura 3.20). Tot de aici se pot și importa datele după drive,”Transfet from drive” După ce am transferat datele pe drive, datele din coloană “Value” vor fi trecute și în coloană “Drive Value”.

Figura 3.20 1)Transfer to drive; 2) Transfer from drive

Un alt mod de a modifica parametrii se poate face dând click pe “Diagrams” și alegând “Internal speed control mode” sau “Position control mode”. Dacă dăm dublu click pe una din ele se va deschide o fereastră cu buclele de control pentru viteza respective poziție. Dând click pe fiecare parametru, puem să-I modificăm valoarea. În Figura 3.21 se vede cum se poate modifica valoarea unui parametru”.

Figura 3.21 Modificarea parametrilor

Pentru a putea să identificăm un sistem și să calculăm un regulator nu este suficient doar să modificăm parametrii. Pentru aceasta este nevoie să putem să citim date de la servo-drive. CX-drive are funcții care permit citirea datelor de pe servo-drive. Perioada de eșantionare minimă cu care se pot face achiziții de date la servo drive este de 0.334 milisecunde iar periada maximă este de 42.086 ms (vezi fig 3.22). Numărul maxim de valori ce pot fi achiziționate de la servo drive este 500.

Figura3.22 Setarea perioadei de esantionare

3.8 Citirea datelor in timp real

Cx-drive permite citirea datelor în timp real și chiar monitorizarea lor. Acest lucru se poate face apăsând butonul “Monitor” din stânga meniului și apoi butonul “Real Time Trace” (figura 3.23)

Figura 3.23

Datele care se pot citi în timp real sunt “Current speed”, “Current deviation counter” și “Current Torque output”. Pentru a putea exporta datele, ele trebuiesc salvate întâi. După ce sunt salvate, datele se pot exporta în format .txt sau .csv. Pentru a salva datele trebuie mers în tab-ul de “Review Set-Up” și bifat “Save to file”.(vezi figura 3.24)

Figura 3.24

Citirea datelor se pornește și se oprește de la butoanele de “play” și “stop” din dreapta ferestrei de lucru.(vezi fig 3.25)

Figura 3.25

In figura 3.26 este un exemplu de date citite in timp real de pe servo-motor.

Figura 3.26

Cx-drive permite vizualizarea vitezei, cuplului și curentului pe același grafic, lucru care ajută la indețificare. Totodată softul permite și vizualizarea separată a lor, având și butoane de zoom pentru cele două axe, x și y. Acest lucru ne ajută să citim datele cu o bună precizie și să facem o identificare mai precisă.

In figura 3.27 sunt datele citite pentru identificare:

Figura 3.27 Datele de identificare

////datele identificate, cu functia de transfer?????

3.9 Calcularea regulatorului prin metoda Ziegler-Nichols

În cadrul acestui proiect s-a încercat calcularea regulatorului pentru poziție a axei Y de la mașina cu comanda numerică.

Pentru a calcula parametrii necesari acordării regulatorului cu Ziegler Nichols (d, Tosc, A) s-a folosit o structură cu reactie negativă cu releu bipozițional cu histerezis.

Pentru a acorda un regulatoru cu metoda Zigler-Nichols trebuie să obținem oscilații de amplitudine constantă. Pentru asta vom folosi un releu.(vezi figura 3.4.4.1)

Am setat parametrii releului astfel încât să obținem la ieșirea sistemului un semnal oscilant cu o perioadă identică cu cea a semnalului obținut prin citirea datelor din CX-drive. Astfel parametrii releului vor fi:

-ieșirea releului (-0.2, 0.2)

-comutația care se face la momentele de timp 0.02 și -0.02

Semnalul releului cu parametrii de mai sus este prezentat in figura 3.28

Figura 3.28 Semnalul releului

Figura 3.29 Structura cu reactie negativa

Folosind releu cu setarile din figura 3.29 vom obtine un raspuns cu oscilatii de amplitudine constanta.(vezi figura 3.30).

Figura 3.30 Raspunsul sistemului cu releu

Pentru acordarea parametrilor unui regulator se defineste un factor de amplificare echivalent(Ku) al releului pentru transmiterea semnalului de intrare:

d-iesirea releului

Tosc –peroada oscilatiilor

A-amplitudinea oscilatiilor

D=0.2; Tosc=1.4s; A=0.05;

In cazul nostru, =5.095≅5

Parametri regulatorului se calculeaza cu ajutorul tableului din figura 3.31

Figura 3.31 Parametri pentru regulatorul Z-N

Dupa cum se poate vedea in figura de mai sus metoda Ziegler-Nichols pentru calculul unui regulator P, factorul proportional Kp=0.5* Ku. Rezulta in cazul nostru Kp=0.5*5=2.5. Deoarece procesul are deja element integrator este suficienta acordarea unui regulator P

Implementarea regulatorului proportional P calculat anterior duce la obtinerea urmatorului raspuns al sistemului.(vezi figura3.32)

Figura 3.32 Raspunsul sistemului dupa cu regulator P -metoda Ziegler-Nichols

Dupa cum se poate vedea in figura de mai sus, apare un suprareglaj de 33%. Tinand cont de faptul ca este un regulator pentru pozitie,acest suprareglaj nu este permis.

3.10 Calculul regulatorului aplicand criteriul modulului

Pentru acelasi sistem vom calcula un regulator P cu criteriul modulului.

Se impune ca sistemul in bucla deschisa sa fie:

= este cea mai mica constanta de timp a procesului

In cazul nostru :

Kp*H=Hd rezulta :

rezulta:

Kp=0.5

In figura 3.33 se poate vedea raspunsul sistemului aplicand un regulator P cu factorul proportional Kp=0.5.

Figura 3.33 Raspunsul sistemului cu regulator P-criteriul modulului

Se poate observa ca aplicand criteriul modulului se obtine un raspuns mai bun deoarece scade suprareglajul.

Concluzii

Rezultate obținute

Daca tinem cont de obiectivele lucrarii, putem spune ca acestea au fost indeplinite desi nu in totalite.

Direcții de dezvoltare

Pozitia este foarte importanta atunci cand vorbim despre o masina cu comanda numerica. In mod ideal un regulator pentru pozitie trebuie sa aiba suprareglajul 0. Tinand cont de acest fapt lucrarea poate fi imbunatatita prin eliminarea totala a suprareglajului.

Bibliografie

I. Nașcu, "Suport de curs CAN," UTCN, Cluj-Napoca, 2014.

Omron, „CJ2M CPU Unit Pulse I/O Module User’s Manual”. Japonia Brevet W486-E101, 2010.

M. Pearsica, Madalina Petrescu, “Masini electrice”, Brasov 2017

http://www.microlab.club/2012/01/brushless-dc-electric-motor.html

Omron, „SmartStep2 Series User’s Manual – Servomotors/Servo Drives”. Japonia Brevet I561-E1-02, 2008.

http://www.electromatic.ro/senzori/item/31-senzorideproximitateinductivi

http://www.shiva.pub.ro/PDF/TRA/slide_curs9_TRA.pdf

http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/Regulatoare-automate44397.php

Omron, „CX-Drive Operation Manual”. Japonia Brevet W453-E1-21, 2013.