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 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 1: Sự biến động của hình học phôi 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 trúc, sơ đồ ĐKTN tương tự như sơ đồ điều khiển bằng tay, nhưng ĐKTN do máy móc thực hiện nên đảm bảo được độ chính xác và độ nhạy cao. Khác về bản chất so với CNC thông thường, ĐKTN mang tính tích cực, động và thông minh. • Giải pháp ĐKTN máy công cụ Những biến động trong quá trình công nghệ có ảnh hưởng xấu đến chất lượng gia công và tính an toàn của hệ thống. Vấn đề này từ lâu đã trở thành một trong những vấn đề trọng tâm của công nghệ cắt gọt kim loại, được nhiều thế hệ các nhà công nghệ tìm cách khắc phục. Vấn đề là giải pháp. Giải pháp truyền thống theo nguyên tắc phòng ngừa: mọi tính toán, thiết kế đều nhằm thỏa mãn các điều kiện khó khăn, nặng nề nhất. Trên thực tế, các điều kiện đó chỉ là giả định hoặc xảy ra trong khoảnh khắc. Trong phần lớn thời gian, máy làm việc dưới khả năng thiết kế, với năng suất thấp, chi phí cao. Máy CNC không nằm ngoài tình trạng đó. Ví dụ, khi gia công với chiều sâu cắt thay đổi (hình 5), lượng chạy dao FCNC được xác định sao cho khi cắt với chiều sâu cắt lớn nhất (Hmax) mà dao không bị mẻ. Trong phần lớn thời gian gia công, tuy chiều sâu cắt thực (H) nhỏ hơn Hmax rất nhiều nhưng hệ điều khiển vẫn duy trì giá trị FCNC không đổi. Giải pháp mới - ĐKTN, ngược lại dựa trên nguyên tắc giám sát và xử lý tình huống theo thực tế. Ví dụ, nếu bằng cách nào đó, bộ điều khiển giám sát được chiều sâu cắt thực và hiệu chỉnh lượng chạy dao theo quan hệ FAC=f(H) thì hiệu quả gia công cao hơn rất nhiều. Như vậy, khác với công nghệ CNC truyền thống (thiết lập chế độ công nghệ trước khi gia công (Off- line), theo nguyên tắc phòng ngừa, bị động), AC là giải pháp tích cực, thông minh và hiệu chỉnh chế độ công nghệ ngay trong khi gia công (On-line). Các hệ AC cho máy công cụ được phân làm 3 loại: hệ bù hình học thích nghi (Geometric Adaptive Compensation - GAC), hệ ĐKTN tối ưu (Adaptive Control Optimization - ACO), hệ ĐKTN theo trạng thái giới hạn (Adaptive Control with Constraints - ACC). Hiện nay ACC là hướng khả thi nhất cho AC máy công cụ. Hình 5: Chế độ cắt trên máy CNC 1.2. Tình hình nghiên cứu ĐKTN Bộ AC đầu tiên được thực hiện tại Bendix Research Liboratories từ những năm 1962- 1964, dưới sự bảo trợ của Không lực Mỹ nhưng chưa có được ứng dụng trong hcông nghiệp vì vào khoảng thời gian đó, không thể tạo ra một hệ thống có khả năng đo trực tuyến các thông số công nghệ và chi phí quá cao. Sau đó, hàng loạt công trình nghiên cứu được tiến hành để tìm ra giải pháp khả thi về kỹ thuật. Trong số nhiều hệ ĐKTN được đề xuất thì có một số hệ ACO, nhưng nhiều nhất là vẫn các hệ ACC. Gần đây, nhờ ứng dụng được các thiết bị giám sát, đo lường kỹ thuật số, kỹ thuật ĐKTN máy công cụ đã có tiến bộ đáng kể và đã có sản phẩm thương mại. Theo tài liệu công bố năm 2008 [10], hãng Omative (Israel) đã đưa ra thị trường một hệ giám sát và ĐKTN (Adaptive Control & Monitoring- ACM). Hệ có chức năng giám sát, hiệu chỉnh on-line tốc độ trục chính và lượng chạy dao để duy trì lực cắt dưới giới hạn cho phép. Về ý tưởng, hệ này hoàn toàn giống như hệ ACC được thực hiện tại Học viện KTQS: thông qua đo lực và mômen cắt giám sát sự biến động về chiều sâu cắt hay cơ tính vật liệu để hiệu chỉnh lượng chạy dao (Feed), bảo vệ dao khỏi bị mẻ. Để thực hiện chức năng tối ưu hoá chế độ cắt trong khi chưa giải quyết được vấn đề đo trực tuyến các thông số công nghệ, F. Cus và các cộng sự tại khoa Cơ khí, ĐHTH Maribor (Slovenia) đã kết hợp chức năng tối ưu hoá off-line với bộ ACC để hiệu chỉnh on-line lượng chạy dao theo điều kiện lực cắt giới hạn (hình 6). Hệ có 2 modul: Hình 6: Hệ ĐKTN với chức năng TƯH chế độ cắt - Modul tối ưu hoá Off-line chế độ cắt, cung cấp giá trị chế độ cắt tối ưu cho bộ CNC. - Modul ACC nhận tín hiệu từ bộ đo lực cắt, tính toán lượng hiệu chỉnh chế độ cắt và chuyển tín hiệu tới bộ CNC để thực hiện quá trình hiệu chỉnh On-line thông số này. Trong hệ thống của ĐHTH Maribor (2006), trừ modul tối ưu hoá offline chế độ cắt, phần còn lại (phần đóng khung) có cấu hình rất giống với hệ do Học viện KTQS thực hiện năm 2004. 2. Những nội dung nghiên cứu Tại Học viện KTQS, hướng nghiên cứu về ĐKTN máy CNC được đề xuất và chuẩn bị từ năm 1997 với việc mua sắm các thiết bị giám sát trực tuyến các thông số công nghệ. Năm 2003, trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ Quốc phòng, bộ ACC đầu tiên đã được thiết lập trong phòng thí nghiệm. Quá trình nghiên cứu vẫn được tiếp diễn theo hướng nâng cao tính năng và ứng dụng công nghiệp. Sau đây, chúng tôi trình bày tóm tắt nội dung và kết quả nghiên cứu tại Học viện KTQS. 2.1. Nghiên cứu thuật toán ĐKTN Xuất phát từ tình hình nghiên cứu trên thế giới và điều kiện cụ thể, chúng tôi chọn đối tượng nghiên cứu là hệ ACC với điều kiện giới hạn là lực cắt tối đa cho phép. Các tính toán dựa trên sơ đồ hệ thống như trong hình 8. Lực cắt P được lấy mẫu rời rạc, đưa vào PC dưới dạng tín hiệu số Pc. Giữa tín hiệu tương tự P và tín hiệu số Pc của lực cắt có hệ số truyền Ke theo quan hệ: . Lượng sai khác giữa lực cắt thực Pc với lực cho phép Pr (Required Force) E = Pr - Pc được dùng để hiệu chỉnh F. Hệ ACC đầu tiên dùng nguyên tắc điều khiển P: lượng chạy dao F tỷ lệ thuận với sai lệch E. Sai số lực cắt cho lần lấy mẫu thứ i là (1) Điện áp điều khiển do ACC đưa ra tỷ lệ thuận với sai lệch E(i) trong đó Kc là hệ số chuyển đổi và U0 là giá trị đặt ban đầu (2) tương ứng trạng thái E(i) = 0. Với tín hiệu này, bộ CNC sẽ phải hiệu chỉnh lượng chạy dao F một lượng trong đó Kf là hệ số truyền của khối điều khiển servo trong bộ CNC. Kf và Kc đều là các thành phần của hệ số truyền mạch hở chung của ACC. Thực nghiệm chỉ ra rằng hệ chỉ làm việc ổn định khi K ≤ 2. Với K nhỏ như vậy thì sai số tĩnh lớn, theo thực nghiệm tới 20%. Đó là một giá trị khó chấp nhận. (3) Để giải quyết vấn đề trên, trong phiên bản cải tiến đã dùng bộ điều khiển I. Quan hệ (2) được thay bằng quan hệ: (4) trong đó, W(i) là tích phân theo thời gian của sai số E(i) và được biểu diến dưới dạng sau: Thay (4) vào (3), ta nhận được các biểu thức dưới dạng tính toán dễ dàng hơn: (5) trong đó, Kc là hệ số quy đổi, tỷ lệ với chu kỳ lấy mẫu T, nghĩa là. Tín hiệu ra cho mẫu thứ i phụ thuộc vào giá trị của mẫu trước nó (i - 1). Điều đó tăng tính ổn định cho hệ thống. Khi sai số E(i)=0 thì tín hiệu ra không đổi, nghĩa là lượng chạy dao được duy trì như trong mẫu trước. Hệ số Kc vẫn ảnh hưởng đến phản ứng của hệ. Khi Kc nhỏ thì hệ phản ứng chậm, nhưng sai số tĩnh nhỏ hơn. Tổ hợp toàn bộ các khâu trong hệ thống (hình 7), ta nhận được quan hệ PC = KW, trong đó, K là hệ số truyền mạch hở của toàn bộ hệ thống ACC: (6) Ta thấy, ngoài hệ số truyền của các khâu trong hệ điều khiển, K còn phụ thuộc các thông số công nghệ, gồm chiều sâu cắt H và vận tốc cắt V. Khi tăng H thì K tăng, hệ có xu hướng tăng tốc độ phản ứng, nhưng dễ mất ổn định. Ngược lại, vì số mũ v < 1 nên khi giảm V thì hệ lại có xu hướng mất ổn định. Phát hiện trên giúp định hướng cho việc sử dụng ACC sau này. Biểu thức (3.6) cho thấy, nếu hệ số truyền Kc của bộ điều khiển không đổi thì hệ số truyền mạch hở chung K của ACC sẽ thay đổi theo các thông số công nghệ và hệ luôn có nguy cơ mất ổn định. Cần có một thuật toán hiệu chỉnh hệ số truyền mà không làm xấu tính ổn định của hệ thống. Để loại trừ nguy cơ mất ổn định của hệ thống thì phải đảm bảo giá trị của K không đổi Hình 7: Sơ đồ tổ hợp ACC ngay cả khi có biến động của các thông số công nghệ. Biểu thức (6) có thể được viết lại, bằng cách tách riêng hệ số truyền Kc của bộ điều khiển trong đó, Kp = Pc/U, phụ thuộc các thông số công nghệ. Từ đó ta có (7) Biểu thức (7) gợi ra một hướng đơn giản để ổn định K khi có sự biến động của Kp. Đó là hiệu chỉnh giá trị Kc theo Kp. Để tránh làm chậm tốc độ tính toán do phải thực hiện trực tiếp phép chia trong biểu thức (7), có thể dùng thuật toán sau, trong đó chỉ chứa các phép toán cộng, trừ: (8) K2 phụ thuộc độ ồn của hệ thống đo. Nếu độ ồn lớn thì phải giảm K2 để đảm bảo độ chính xác của phép đo, nhưng sẽ làm tăng thời gian quá độ. Giá trị của K2 được chọn dạng 2n để có thể thay thế phép nhân bằng phép chuyển dịch nhị phân. Thuật toán nói trên đảm bảo cho hệ đạt trạng thái xác lập khi sai số Ec = 0. Hệ ACC có 2 vòng thích nghi: vòng chính thực hiện các biểu thức (1) và (5), hiệu chỉnh lượng chạy dao F để duy trì lực cắt P không vượt giới hạn cho phép, vòng phụ thực hiện biểu thức (8) đảm bảo hệ số truyền K không thay đổi theo các thông số công nghệ. Hình 8: Sơ đồ ACC tại Học viện Kỹ thuật quân sự 2.2. Giải pháp tích hợp hệ thống Hệ ACC được thiết kế (sơ đồ hình 8) gồm có: - Bộ CNC (phần trên), với 3 trục chạy dao (X, Y, Z) đều dùng các hệ điều khiển động cơ servo, có phản hồi vị trí bằng thước quang. - Sensor đo lực được dùng là hệ thống đo lực cắt 3 thành phần kiểu 9257BA do hãng Kistler (Thụy sĩ) sản xuất. Nhiệm vụ của nó là đo On-line giá trị lực cắt, chuyển thành tín hiệu điện áp để cung cấp cho ACC. - Chức năng AC được thực hiện nhờ một PC, có cắm Card thu nhận và xử lý tín hiệu kiểu PCL-812 PG do hãng Advantech (Đài loan) sản xuất. Các modul thu thập, xử lý tín hiệu và ĐKTN được phát triển trong phần mềm DASYLab của hãng DASYTEC (Đức). Cụm này nhận tín hiệu cắt P, chuyển đổi A/D, tính toán, so sánh với giá trị đặt (ngưỡng Pmax), suy luận logic và ra quyết định điều khiển. Tín hiệu ra của ACC được đưa trực tiếp vào bộ nội suy của CNC (phần dưới). Hình 9 là sơ đồ nối ghép thiết bị phần cứng. Hình 10 là ảnh mặt máy của bộ ACC được thiết kế. 3. Thử nghiệm, đánh giá kết quả đạt được Sau khi chế tạo bộ ACC và nối ghép nó với CNC, các nghiên cứu thực nghiệm đã được tiến hành nhằm đánh giá tính năng và khả năng công nghệ của của thiết bị tạo ra - máy CNC có ĐKTN. 3.1. Đánh giá tính năng thiết bị Bộ ACC được thiết kế để có thể làm việc ở 2 chế độ. Chế độ không có ĐKTN (ACC-Off) được thực hiện bằng cách ngắt chuyển mạch (cứng) hoặc đặt ngưỡng Pr >> Pc (mềm). Khi đó máy làm việc ở chế độ CNC bình thường, lượng chạy dao F hoàn toàn được quy định bởi chương trình NC. Chế độ có ĐKTN (ACC-On) xảy ra khi đóng chuyển mạch và đặt Pr < Pc. Khi đó bộ CNC làm việc với sự giám sát và điều khiển của ACC. Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy hệ đã thực hiện đúng chức năng ĐKTN. Hệ ACC đã tính toán chính xác, giao diện giữa ACC và CNC làm việc tốt. Bộ CNC thực hiện đúng lệnh của ACC. Hình 9: Sơ đồ nối ghép thiết bị của ACC Hình 10: Hình ảnh mặt máy của bộ ACC 3.2. Đánh giá về chất lượng điều khiển Chất lượng điều khiển được đánh giá bằng thực nghiệm với các chỉ tiêu: thời gian quá độ, lượng quá chỉnh, sai số điều khiển trong trạng thái xác lập, tính ổn định khi cho hệ thống làm việc ở các chế độ khác nhau. Cắt bình thường (hình 11-a) được thử với chiều sâu H = 2 mm, lượng chạy dao trung bình: F = 60 mm/ph, đặt ngưỡng cao: Pr = 400 N. Hệ làm việc rất ổn định, giá trị lực cắt tức thời khi ăn vào là 550 N, lực cắt trung bình lớn nhất đo được chỉ là 440 N, như vậy sai số tĩnh chỉ vào khoảng 10%. Chế độ cắt cao (hình 11-b) được thử với lượng chạy dao lớn: F = 90 mm/ph ngưỡng đặt thấp: Pr = 350 N. Xung lực khi bắt đầu cắt rất cao (giá trị tức thời tới 900 N, giá trị trung bình trên 520 N). Trong chu kỳ đầu (khoảng 10s), lực giảm dần nhưng vẫn cao (khoảng 390 N). Ngay chu kỳ sau (sau 35s), giá trị lực cắt đã giảm xuống xấp xỉ, nhưng thấp hơn mức đặt (khoảng 310N) và được duy trì ổn định. Ta có nhận xét rằng, ngay cả khi thử thách với chế độ mãnh liệt thì hệ vẫn có thể trở về trạng thái xác lập sau một chút dao động, thời gian quá độ khoảng 15s, sai số tĩnh vào khoảng 11%. Hình 11: Thí nghiệm khảo sát chất lượng điều khiển 3.3. Đánh giá về công nghệ Đồ thị tín hiệu trong mọi trường hợp đều khá trơn tru, cho phép dự đoán rằng ĐKTN không gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng gia công. Tuy nhiên, để đánh giá ACC về mặt công nghệ, chúng tôi đã đo độ nhám bề mặt gia công và độ chính xác kích thước. Kết quả nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng của ACC đến sai số kích thước gia công và độ nhám bề mặt không thể hiện rõ. Thời gian gia công có thể xác định nhờ các biểu đồ lực cắt. Các thử nghiệm cho thấy, nhờ ACC mà thời gian gia công giảm rõ rệt (gần 27%). Theo công bố cuả nước ngoài [2] thì ĐKTN cho phép tăng năng suất gia công thô từ 20 đến 80%, còn chi phí gia công chỉ bằng 4050% so với gia công CNC thông thường, tuỳ thuộc còn vào loại vật liệu gia công và vật liệu dao. 4. Kết luận ĐKTN máy công cụ là chủ đề mà nhóm nghiên cứu tại Học viện KTQS quan tâm rất sớm. Trong khuôn khổ của một đề tài cấp Bộ Quốc phòng và các đề tài nghiên cứu tiếp theo, chúng tôi đã thiết lập được một hệ ĐKTN kiểu ACC theo lực cắt giới hạn đầu tiên ở Việt Nam, đã nối ghép thành công nó với bộ điều khiển số công nghiệp. Từ nhu cầu công nghệ và kết quả đạt được có thể khẳng định, ĐKTN là một giải pháp hoàn toàn mới để giải quyết các vấn đề vốn tồn tại lâu đời của công nghệ cắt gọt kim loại. Đề tài đã đi những bước ban đầu theo hướng thông minh hoá máy CNC.