Thiết kế và xây dựng phần mềm điều khiển pc based dùng ho máy phay cnc bkmech vmc65

Phạm Đức An giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học ngành : học kỹ thuật Cơ học kỹ thuật Thiết kế xây dựng phần mềm điều khiển PC-based dùng cho máy phay CNC Bkmech vmc65 Phạm ®øc an 2006 - 2008 Hµ Néi 2008 Ngêi híng dÉn khoa häc: T.S Hoµng VÜnh Sinh Hµ Néi 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205021621000000 luận văn thạc sĩ khoa học Thiết kế xây dựng phần mềm điều khiển PC-based dùng cho máy phay CNC Bkmech vmc65 ngành : học kỹ thuật mà số:23.04.3898 Phạm đức an Hà Nội 2008 giáo dục đào tạo trờng đại học bách khoa hà nội - luận văn thạc sĩ khoa học Thiết kế xây dựng phần mềm điều khiển PC-based dùng cho máy phay CNC Bkmech vmc65 ngành : học kỹ thuật ma số: Phạm đức an Ngi hng dn khoa hc : TS Hoµng vÜnh sinh Hµ Néi 2008 CHƯƠNG I Vai trị máy CNC ngành cơng nghiệp Cơ khí Việt Nam 1.1 Tình hình sử dụng máy CNC Việt Nam 11 1.2 Khái quát tình hình việc sản xuất CNC nước 17 1.2.1 Những thành công bước đầu đạt việc sản xuất sửa chữa máy CNC Việt Nam 17 1.2.2 Những vấn đề tồn việc sản xuất sử dụng máy CNC Việt Nam………………………………………………………………………1 1.2.3 Nguyên nhân tồn việc 21 1.3 Những yêu cầu cấp thiết việc chế tạo máy cnc mang nhãn hiệu Việt Nam việc đào tạo nguồn nhân lực CNC nước ta 22 1.4 Những nghiên cứu cần tiến hành để thỏa mãn yêu cầu 25 CHƯƠNG II Cấu trúc điều khiển CNC 27 2.1 Các thành phần hệ thống điều khiển số CNC 27 2.1.1.1 Giới thiệu hệ thống điều khiển số NC 27 2.1.1.2 Lịch sử NC máy công cụ NC 29 2.1.2 Các thành phần hệ thống tự động máy CNC 31 2.1.2.1 Các thành phần hệ thống dẫn động 31 2.1.3 Các vòng điều khiển CNC 38 2.1.3.1 Vịng điều khiển nửa đóng 39 2.1.3.2 Vòng điều khiển đóng 41 2.1.3.3 Vòng điều khiển lai 41 2.1.3.4 Vòng điều khiển mở 42 2.1.4 Các thành phần hệ thống CNC chức chúng 42 2.1.4.1 Các chức khối giao tiếp với người sử dụng MMI (Man-Machine Interface) 46 2.1.4.2 Phần lõi điều khiển số NCK (Numerical Control Kernel) 49 2.1.4.3 Khối điều khiển logic lập trình PLC (Programmable Logic Control) 51 2.1.4.4 Tính chất điều khiển thời gian thực hệ thống CNC (Realtime Control System) 54 2.2 Các vấn đề gặp phải với thành cấu trúc điều khiển CNC điều kiện nước ta 58 2.2.1 MMI 58 2.2.2 NCK 59 2.2.3 PLC 59 2.2.4 Tính chất điều khiển thời gian thực hệ thống 60 2.3 Các giải pháp cho vần đề 60 Chương III Hệ thống điều khiển CNC có cấu trúc dạng mở (OpenArchitecture Soft CNC system) – Viết tắt OpenCNC 62 3.1 Giới thiệu hệ điều khiển cấu trúc mở OAC 62 3.1.1 Định nghĩa OAC 62 3.1.2 OAC máy công cụ CNC khứ, tương lai 63 3.1.2 Tổng quan thị trường điều khiển có tính mở 67 3.1.2 Xu hướng phát triển hệ điều khiển cấu trúc mở máy CNC 70 3.1.2.1 Các tiêu chuẩn đánh giá hệ thống mở 70 3.1.2.2 Phân loại hệ thống điều khiển mở 72 3.2 Một số cấu trúc điều khiển dạng mở áp dụng cho máy CNC 74 3.3 Một số cấu trúc phần mềm CNC dạng mở (Software – controlled CNC) 77 3.3.1 OMAC (Open Modular Architecture Controller) hệ thống điều khiển cấu trúc module mở 77 3.3.2 OSACA (Open System Architecture for Controls within Automation Systems) hệ thống cấu trúc mở cho điều khiển hệ thống tự động 79 3.3.3 OSEC (Open System Environment for Controller) môi trường hệ thống mở cho hệ thống điều khiển 80 3.4 So sánh cấu trúc hệ thống điều khiển mở 81 3.4.1 So sánh vể tập API (Bảng 3.2) 81 3.4.2 So sánh cấu trúc tham chiếu 82 3.4.3 So sánh hạ tầng thông tin 82 3.4.4 Tính tương đồng loại cấu trúc mở (Bảng 3.5) 83 3.4.4 Kết luận 84 Chương IV Xây dựng cấu trúc điều khiển PC-based cho máy phay trục 86 4.1 Các yêu cầu điều khiển PC-based 86 4.1.1 Yêu cầu khả hoạt động hệ thống 86 4.1.2 Tiêu chuẩn cấu trúc mở hệ thống 87 4.2 Các bước tiến hành 88 4.3 Chọn mơ hình hệ thống điều khiển 89 4.4 Chức module thiết yếu điều khiển CNC trục dạng PC-based 93 4.4.1 Các module hệ thống điều khiển CNC 95 4.4.2 Giao tiếp module 103 4.4.3 Phương thức hoạt động hệ thống 105 4.4.4 Mơ hình thao tác 108 4.5 Tổng quan Module 116 4.5.1 Task Coordinators 117 4.5.2 Axis 120 4.5.3 Module Axis Group 122 4.5.4 HMI 124 4.5.6 Control Law 126 4.5.7 Kinematics Model 126 4.5.8 Control Plan Generator (Part Program Translator) 129 4.5.9 Discrete Logic 129 4.5.10 I/O Points 130 4.5.11 Machine-to-Machine 131 4.6 Một số ví dụ kết nối module 132 4.6.1 Điều khiển hoạt động tập đầu vào 132 4.6.2 Điều khiển trục 132 4.6.3 Điều khiển Logic lập trình PLC 133 4.6.4 Mơ hình điều khiển chuyển động thực chức tarô máy CNC trục 134 4.7 Kết luận 135 Chương V Kết luận chung phương hướng phát triển hệ thống tương lai 140 Tài liệu tham khảo………………………………………………………….141 Danh mục hình vẽ Hình 1.2 Xu hướng sản xuất máy CNC Việt Nam 18 Hình 1.3 Các khó khăn liên quan đến điều khiển CNC 20 Hình 1.4 Các tiêu chí đặt cho phần mềm điều khiển CNC 23 Hình 2.1 Các loại máy NC 28 Hình 2.2 Cấu trúc máy cơng cụ CNC quy trình gia cơng 30 Hình 2.3 Cơ cấu dẫn truyền động máy cơng cụ 32 Hình 2.4 Các đặc tính yêu cầu động servo 33 Hình 2.5 Các loại động servo 34 Hình 2.6 Các loại cảm biến sử dụng hệ dẫn động 35 Hình 2.7 encoder tương đối 36 Hình 2.8 Encoder tuyệt đối 36 Hình 2.9 Phần dẫn hướng chuyển động tịnh tiến truyền vít me bi 37 Hình 2.10 Nối trục đai truyền 38 Hình 2.11 Các vịng điều khiển phản hồi máy CNC 38 Hình 2.12 Phân loại kiểu điều khiển dựa vào vị trí sensor 40 Hình 2.13 Cấu trúc CNC 43 Hình 2.14 Các thành phần hệ thống CNC 44 Hình 2.15 Một số giao diện điều khiển CNC 47 Hình 2.16 Khối chức NCK 50 Hình 2.17 Cấu trúc chức hệ thống PLC 53 Hình 2.18 Multitasking Multithreading 57 Hình 3.1 PC-based, phần mềm hệ thống điều khiển hướng đối tượng 64 Hình 3.2 Phần cứng phần mềm CNC – Xu hướng thực tế 65 Hình 3.3 Lợi ích việc sử dụng hệ thống điều khiển mở 66 Hình 3.4 Các giao tiếp bên bên hệ thống điều khiển 67 Hình 3.5 Các tiêu chuẩn hệ thống điều khiển mở 68 Hình 3.6 Tổng quan hệ thống CNC thương mại 70 Hình 3.7 Tiêu chuẩn hệ thống điều khiển mở 71 Hình 3.8 Mức độ mở hệ thống điều khiển mở 72 Hình 3.9 Phân chia tính hệ thống điều khiển 73 Hình 3.10 Cấu trúc hệ thống điều khiển dạng mudule mở 74 Hình 3.11 Các loại hệ thống điều khiển cấu trúc mở 75 Hình 3.12 Phần cứng phần mềm số loại hệ thống CNC 76 Hình 3.13 Hệ thống điều khiển dựa cấu trúc module OMAC 78 Hình 3.14 Nền lập trình với đối tượng ứng dụng (OSACA, 1997) 79 Hình 3.15 Cấu trúc OSEC (OSE, 1998) 80 Hình 4.1 Yêu cầu khả hoạt động hệ thống 87 Hình 4.2 Các yêu cầu hệ thống điều khiển PC-based 88 Hình 4.3 Cấu trúc hệ thống CNC sử dụng Motion Card 91 Hình 4.4 Mơ hình hệ thống điều khiển CNC dạng Software – Oriended 92 Hình 4.5 Một số chức yêu cầu máy CNC trục 94 Hình 4.6 Các module hệ thống điều khiển CNC 95 Hình 4.7 Các chức module Axis 96 Hình 4.8 Các chức module AxisGroup 96 Hình 4.9 Các chức module Overview 97 Hình 4.10 Chức module ControlLaw 97 Hình 4.11 Chức module ControlPlan 97 Hình 4.12 Chức module ControlPlanGenerator 98 Hình 4.13 Chức module DiscreteLogic 98 Hình 4.14 Một số tính module HMI 99 Hình 4.15 Các chức module IO 99 Hình 4.16 Các chức module Kinematics 100 Hình 4.17 Các tính module Machine-to-Machine 100 Hình 4.18 Các chức module ProcessMode 100 Hình 4.19 Các tính module TaskCoordinator 101 Hình 4.20 Mối liên kết module 103 Hình 4.21 Điều khiển dạng MultiThread 104 Hình 4.22 Sơ đồ trạng thái tổng quát FSM quản lý 105 Hình 4.23 Các mức FSM 106 Hình 4.24 Sơ đồ mơ hình hoạt động module 108 Hình 4.25 Phác thảo tính CPU 109 Hình 4.26 Dạng quan hệ không chặt chẽ CPU với hệ thống điều khiển 110 Hình 4.27 Dạng quan hệ chặt chẽ CPU với hệ thống điều khiển 110 Hình 4.28 Một số kiểu CPU 112 Hình 4.29 ControlPlan xây dựng từ chuỗi CPU 112 Hình 30 Ví dụ biến đổi trạng thái ControlPlan 114 Hình 4.31 Các truyền CPU 115 Hình 4.32 Sơ đồ tương tác module 116 Hình 4.33 Mơ hình hoạt động TaskCoordinator 118 Hình 4.34 Sơ đồ tương tác Capability TaskCoordinator 119 Hình 4.35 Các thành phần module Axis 120 Hình 4.36 Biểu đồ trạng thái hoạt động module Axis 121 Hình 4.37 Sơ đồ kết nối hoạt động module Axis 122 Hình 4.38 Mơ hình hoạt động module AxisGroup 123 Hình 4.39 Các thành phần module AxisGroup 124 Hình 4.40 Một số thơng tin quản lý HMI 125 Hình 4.41 Mơ hình model – view – controller HMI 125 Hình 4.42 Mơ hình điều khiển chung luật điều khiển 126 Hình 4.43 Mơ hình luật điều khiển để thực tuning tham số PID 127 Hình 4.44 Các chức phụ khác module Kinematics 128 Hình 4.45 Sơ đồ hoạt động Part Program Translator 129 Hình 4.46 Mơ hình hoạt động module DiscreteLogic 130 Hình 4.47 Các thành phần module vào 131 Hình 4.48 Hoạt động điều khiển đầu vào 132 Hình 4.49 Điều khiển trục tay 133 Hình 4.50 Sơ đồ điều khiển logic 134 Hình 4.51 Điều khiển chuyển động tarô máy CNC trục 134 Danh mục bảng Bảng 2.1 Tổng hợp loại động servo dùng máy CNC 35 Bảng 3.1 Các đặc tính hệ thống điều khiển mở 69 Bảng 3.2 Các đặc tính khác API 81 Bảng 3.3 So sánh đặc tính cấu trúc tham chiếu 82 Bảng 3.4 So sánh đặc tính hạ tầng thơng tin áp dụng cho cấu trúc 83 Bảng 3.5 Sự tương đồng chức hệ thống điều khiển cấu trúc mở 84