47 Trang 4 Chương 7 Lập trình điều khiển chuyển động và Ứng dụng Bộ điều khiển chuyển động là một thiết bị có thể lập trình và là “bộ não” của hệ thống.. Chương này tiếp tục giới thiệu
Ch ế độ di chuy ể n
di chuy ể n tuy ế n tính
Đây là chế độ di chuyển cơ bản nhất thực hiện dọc theo một đường thẳng giữa hai điểm Nó đòi hỏi điểm bắt đầu và điểm kết thúc cũng như các ràng buộc di chuyển Đường cong vận tốc hình thang yêu cầu thời gian tăng/giảm tốc (𝑡 𝑎 ) và thời gian di chuyển (𝑡𝑚) như trong Hình 2.4 Nếu những thời gian này được chỉ định trong chương trình người dùng thì bộ điều khiển sẽ tính toán tốc độ di chuyển tối đa (𝑣 𝑚 )
Nếu chương trình người dùng chỉ định tốc độ di chuyển tối đa, thường là tốc độ tiến dao, thì bộ điều khiển sẽ tính toán𝑡 𝑚 và 𝑡 𝑎 để tạo ra cấu hình vận tốc
Có hai cách để xác định vị trí mục tiêu: (1) Tuyệt đối và (2) Tăng dần Giả sử rằng hai bước di chuyển liên tiếp sẽ được thực hiện trong 5 và 10 inch với trục bắt đầu từ gốc tọa độ Ở chế độ tuyệt đối, mỗi bước di chuyển được thực hiện tương ứng với vị trí gốc Do đó, trong lần di chuyển đầu tiên, trục di chuyển được 5 inch Trong lần di chuyển thứ hai, nó di chuyển thêm 5 inch nữa vì trục này sẽ bằng 10 inch tính từ gốc tọa độ Trong trường hợp ở chếđộ tăng dần, bước di chuyển tiếp theo được thực hiện từ vị trí hiện tại Do đó, trong ví dụ này, trục đầu tiên sẽ di chuyển 5 inch, sau đó là 10 inch và dừng ở 15 inch so với gốc tọa độ.
Chuy ển độ ng tròn
Trong chế độ di chuyển này, một cung tròn được tạo ra giữa hai điểm dưới dạng đường dẫn mà đầu dao (chẳng hạn như dụng cụ cắt) theo sau Vòng tròn có thể được chứa trong mặt phẳng hai chiều (2D) theo bất kỳ hướng nào hoặc nó có thể là cung ba chiều (3D) như trong trường hợp đường xoắn ốc Chế độ này yêu cầu bộ điều khiển phối hợp nhiều trục một cách tự độn
Các lệnh di chuyển vòng tròn yêu cầu xác định hướng của mặt phẳng chứa cung tròn Điều này thường được thực hiện bằng cách xác định tọa độ của vectơ pháp tuyến cho mặt phẳng Hơn nữa, điểm bắt đầu, điểm kết thúc và điểm trung tâm của cung tròn cần phải được xác định Vì có thể có một cung theo chiều kim đồng hồ (CW) hoặc ngược chiều kim đồng hồ (CCW) giữa hai điểm trong cùng một mặt phẳng nên hướng di chuyển cũng phải được xác định (Hình 7.1) Cuối cùng, cần có các ràng buộc chuyển động thông thường (vận tốc tối đa, tăng/giảm tốc) để bộ tạo quỹ đạo tạo ra biên dạng chuyển động.
Di chuy ển đườ ng vi ề n
Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như glue dispensing, điều khiển số máy tính (CNC), hàn hoặc quét, quỹ đạo được tạo thành từ nhiều đoạn Di chuyển đường viền là cần thiết khi quỹđạo không thể được xây dựng bằng cách sử dụng các đoạn đường và cung Trong trường hợp này, một chuỗi các vị trí được chỉ định bởi chương trình người dùng Bộ điều khiển kết nối các điểm này bằng cách sử dụng đường trục để tạo quỹ đạo Thông thường, biên dạng vị trí giữa hai điểm liền kề được tạo bằng cách sử dụng các đường liên kết liền nét Điều này ngăn chặn những thay đổi đột ngột về vận tốc hoặc gia tốc ở ranh giới đường trục giữa các đoạn liền kề Tổng thời gian di chuyển giữa vị trí đầu tiên và vị trí cuối cùng được chia thành các đoạn thời gian bằng nhau để thực hiện từng đoạn vị trí Có thể trộn giữa hai đoạn thẳng, hai đoạn tròn và giữa các đoạn tuyến tính và tròn Pha trộn cho phép chuyển động mượt mà liên tục dọc theo toàn bộ quỹ đạo mặc dù nó bao gồm các đoạn
Chuyển động tròn trong mặt phẳng XY
Bộ điều khiển có thể chuyển đổi trơn tru từ vận tốc này sang vận tốc khác bằng cách trộn vận tốc của bước di chuyển đầu tiên với vận tốc của bước di chuyển tiếp theo Quá trình trộn bắt đầu tại điểm bắt đầu giảm tốc cho bước di chuyển đầu tiên như trong Hình 7.2a Khi kích hoạt tính năng hòa trộn, vị trí cuối cùng của mỗi phân đoạn có thể đạt được hoặc không
Như thể hiện trong Hình 7.2b, khi pha trộn được kích hoạt, đầu công cụ sẽ bắt đầu từ điểm "A" di chuyển về phía "B" và thay đổi hướng của nó về phía "C" một cách trơn tru và liên tục và dừng lại ở "C" Nhưng điểm "B" sẽ không đạt được Nếu quá trình pha trộn bị vô hiệu hóa, mẹo công cụ sẽ bắt đầu từ "A" di chuyển đến "B" và dừng lại trong giây lát Sau đó, nó sẽ tăng tốc về phía "C" tiếp tục di chuyển, và cuối cùng dừng lại ở "C"
chương trình
Chương trình chuy ển độ ng
Tất cả các chức năng của bộ điều khiển chuyển động mô tả chuyển động mong muốn có thể được lập trình bằng cách sử dụng các hoạt động I / O toán học, logic, máy và lệnh cho các loại di chuyển cụ thể Các tham số của bộ điều khiển, chẳng hạn như độ lợi hoặc bất kỳ tham số cấu hình nào, có thể được đặt từ chương trình Một bộ điều khiển chuyển động có thể lưu trữ nhiều chương trình trong bộ nhớ của nó Một chương trình chuyển động có thể gọi các chương trình chuyển động khác là chương trình con.
Mỗi nhà sản xuất bộ điều khiển chuyển động có cú pháp ngôn ngữ lập trình riêng Tuy nhiên, tất cả các ngôn ngữ này đều có cấu trúc để kiểm soát luồng logic trong một chương trình Các cấu trúc điển hình bao gồm vòng lặp WHILE, vòng lặp FOR và IF THEN phân nhánh Ngoài các toán tử toán học và logic cơ bản, bộ điều khiển có khả năng động học đi kèm với các tính năng toán học bổ sung như SIN, COS, SQRT, v.v., Thuật toán 1 cho thấy cấu trúc cơ bản của một chương trình chuyển động điển hình.
Ch ức năng PLC
PLC là một máy tính công nghiệp có mục đích đặc biệt PLC là công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất trong tự động hóa kể từ những năm 1960 Một chương trình PLC thường được viết theo định dạng logic bậc thang [17] và chạy liên tục trong cái gọi là chế độ quét Về cơ bản, chương trình chạy trong một vòng lặp vô hạn sau khi bắt đầu Trong mỗi chu kỳ quét, PLC đầu tiên đọc trạng thái của tất cả các thiết bị I / O Sau đó, nó quét logic trong chương trình từ trên xuống dưới để xác định trạng thái mới cho các thiết bị đầu ra với trạng thái hiện tại của tất cả các thiết bị đầu vào Cuối cùng, nó cập nhật các thiết bịđầu ra.Tùy thuộc vào độ phức tạp của chương trình logic và tốc độ của CPU, mỗi chu kỳ quét có thể chỉ mất vài mili giây trên một nghìn dòng câu lệnh logic đơn giản
Thuật toán 1 Cấu trúc của chương trình chuyển động cơ bản
Gán động cơ cho các trục
2: X ← Động cơ 1 ⊳ Động cơ 1 gán cho trục X
Xác định chế độ di chuyển ⊳ Động cơ 2 gán cho trục Y 4: Chế độ chuyển động ← Tuyến tính ⊳ Di chuyển tuyến tính
Xác định các hạn chế di chuyển ⊳ Vị trí tuyệt đối
6: TA ← 10 ⊳ Thời gian tăng tốc 10 ms
Chuyển động mong muốn ⊳ Thời gian di chuyển 1000 ms
8: X5 Y3 ⊳ Di chuyển 5 đơn vị theo X và 3 đơn vị theo Y 9: Kết thúc thủ tục
Bộ điều khiển chuyển động bắt chước chức năng chu kỳ quét của phần cứng PLC điển hình như một phần mềm chạy trên chính bộ điều khiển chuyển động Bộ điều khiển chuyển động có thể chạy các chương trình PLC trong nền đồng thời thực hiện lệnh / chương trình chuyển động Các chương trình PLC lý tưởng cho các tác vụ không đồng bộ với chuyển động được sắp xếp Chúng có thể chứa cú pháp giống như một chương trình chuyển động ngoại trừ các lệnh chuyển động Thông thường, các chương trình PLC thực hiện giám sát đầu vào, cập nhật đầu ra, thay đổi mức tăng của bộđiều khiển, định cấu hình phần cứng, gửi lệnh và giao tiếp với giao diện người-máy (HMI)
Trong các phần sau, chúng ta sẽ khám phá một vài chương trình PLC mẫu cơ bản có thể được sử dụng để thực hiện các chức năng khác nhau thường gặp trong các ứng dụng điều khiển chuyển động
I/O máy được ánh xạ tới bộ nhớ của bộ điều khiển Ví dụ: chúng ta hãy giả sử rằng có một đầu nối 25 chân kiểu D-sub trên bộ điều khiển cho các đầu vào và đầu ra kỹ thuật số của nó Đây là nơi các thiết bị giao diện người dùng loại BẬT / TẮT, chẳng hạn như nút vận hành hoặc đèn báo, có thể được nối dây Chúng ta cũng giả sử rằng có
12 chân đầu vào và 12 chân đầu ra trong đầu nối này
Trong cách tiếp cận ánh xạ bộ nhớ, tất cả các chân đầu vào của bộ điều khiển có thể được ánh xạ đến một vị trí rộng 12 bit trong bộ nhớ của bộ điều khiển Mỗi chân vật lý trong đầu nối tương ứng với một bit duy nhất trong vị trí bộ nhớ rộng 12 bit này Tương tự, 12 chân đầu ra có thể được ánh xạ đến một vị trí rộng 12 bit khác trong bộ nhớ Các vị trí bộ nhớ này có thể được truy cập từ chương trình PLC của người dùng bằng cách gán tên biến cho mỗi bit Sau đó, bằng cách đọc giá trị của một biến đầu vào, chương trình có thể thu thập trạng thái của thiết bị đầu vào đó Tương tự, bằng cách đánh đồng biến đầu ra của thiết bị đầu ra với một giá trị thích hợp, chương trình có thể bật hoặc tắt thiết bị đầu ra bên ngoài có dây với chân đó
Hầu như, tất cả các máy tự động đều có các nút nhấn tương tự như trong Hình 5.22 trên bảng điều khiển của chúng Các thiết bị này được nối với các đầu vào kỹ thuật số Giả sử rằng một nút nhấn có dây với chân đầu vào 1 và INP1 được gán cho chân đó (bit) làm biến đầu vào trong phần mềm
Tín hiệu đầu vào bật khi nhấn nút Điều này tương ứng với mức logic cao (= 1) trong phần mềm Tín hiệu tắt khi được giải phóng, ở mức logic thấp (= 0) Thuật toán
2 hiển thị khối xây dựng PLC có thể nắm bắt trạng thái của nút này và kích hoạt/tắt đèn báo (Hình 5.26) được nối dây với bit đầu ra 10 được gán cho biến OUT10
Thuật toán 2 Chương trình mẫu PLC: Đọc đầu vào kích hoạt mức [12]
2: if (INP1 = 1) then ⊳ Nếu bit đầu vào 1 ở mức cao
3: OUT10 ← 1 ⊳ Bật bit đầu ra 10
5: OUT10 ← 0 ⊳ Tắt bit đầu ra 10
7.2.2.2 Đầ u ra kích ho ạ t c ạ nh Đôi khi chỉ cần thực hiện một hành động một lần trên cạnh tăng của tín hiệu đầu vào Cạnh tăng là sự chuyển đổi từ trạng thái tắt sang trạng thái bật trong tín hiệu đầu vào
Giả sử rằng PLC sẽ gửi lệnh đến HMI để hiển thị thông báo trên màn hình khi thiết bị đầu vào bật Nếu logic đơn giản trong Thuật toán 2 được sử dụng bằng cách thay thế đầu ra OUT10 bằng lệnh hiển thị, HMI sẽ nhận được vài trăm lệnh mỗi giây từ PLC vì nó sẽ quét mã nhiều lần khi người dùng nhấn nút Điều này sẽáp đảo các bộ đệm truyền thông của bộ điều khiển và HMI
Thuật toán 3 cho thấy cách chúng ta có thể nắm bắt cạnh tăng của tín hiệu đầu vào và gửi lệnh hiển thị (CMD) chỉ một lần LAT1 và INP1 lần lượt là một biến bên trong và biến chân đầu vào LAT1 được sử dụng như một chốt phần mềm để nắm bắt trạng thái của đầu vào
Thuật toán 3 Chương trình mẫu PLC: Đầu ra kích hoạt cạnh [12]
1: LAT1 ← INP1 ⊳Đặt trạng thái đầu vào ban đầu thành trạng thái chốt
3: if (INP1 = 1) then ⊳ Nếu đầu vào 1 ở mức cao
4: if (LAT1 = 0) then ⊳ If input 1 was previously low
5: CMD "display" ⊳ Gửi lệnh hiển thị tới HMI
8: else ⊳ Đầu vào 1 ở mức thấp
Bộ điều khiển chuyển động có bộ hẹn giờ tích hợp Những bộ hẹn giờ này có thể được sử dụng để tạo độ trễ thời gian chính xác trong quá trình hoạt động của máy, chẳng hạn như nhấp nháy đèn sau mỗi 2 giây
Dấu tích hẹn giờ đến từ đồng hồ tham chiếu tần số không đổi hoặc chu kỳ servo Trong mỗi chu kỳ servo, bộ hẹn giờ nhận được một tích tắc và được cập nhật bằng cách đếm lên hoặc xuống Nếu chu kỳ servo dài 𝑡 𝑠𝑟𝑣 , thì đối với độ trễ dly s(delay), bộ hẹn giờ sẽ phải đếm ngược từ dly/𝑡 𝑠𝑟𝑣 , Ví dụ: nếu 𝑡 𝑠𝑟𝑣 , = 0,001s, đối với độ trễ 2 giây, bộ đếm thời gian sẽ phải đếm ngược từ 2/0,001 = 2000
Giả sử rằng bộ điều khiển có bộ đếm thời gian T1 đếm ngược từ giá trị đặt trước xuống 0 theo lượng 𝑡𝑠𝑟𝑣 trong mỗi lần đánh dấu chu kỳ servo Thuật toán 4 cho thấy cách tạo độ trễ trong vài giây chính xác
Công tắc chọn được sử dụng để chọn giữa các hành động khác nhau Giả sử rằng một máy có công tắc chọn 3 vị trí (được duy trì) như thể hiện trong Hình 5.25 Công tắc có vị trí trái, giữa và phải và được nối với ba thiết bị đầu cuối đầu vào Trong các công tắc này, các loại CAM khác nhau có thể được sử dụng dẫn đến các kết hợp tín hiệu khác nhau giữa các đầu vào để chỉ ra từng vị trí trong ba vị trí chuyển đổi Trong ví dụ này,
CAM chuyển đổi sao cho ở mỗi vị trí, một trong các đầu vào cao trong khi các đầu vào khác thấp
Chuy ển độ ng m ộ t tr ụ c
Jogging
Jogging chỉ đơn giản là di chuyển một trục Các thông số thiết lập có thể được cấu hình để xác định tốc độ và gia tốc của chuyển động jogging Các lệnh có thể được đưa ra để di chuyển theo trục dương hoặc âm đến một vị trí cụ thể, qua một khoảng cách nhất định hoặc liên tục mà không có điểm dừng xác định trước.
Homing
Bộ điều khiển chuyển động có sẵn các quy trình tìm kiếm homing Mục tiêu của việc này là thiết lập một vị trí tham chiếu tuyệt đối cho một trục Vị trí tham chiếu này được gọi là vị trí ban đầu Việc điều hướng đặc biệt cần thiết khi sử dụng phản hồi vị trí bộ mã hóa gia tăng vì khi bật nguồn, vị trí trục sẽ không xác định được Tất cả các bước di chuyển tiếp theo được xác định liên quan đến vị trí ban đầu của trục khi nó được tìm thấy
Mặc dù có một số phương pháp định vị, nhưng phương pháp phổ biến nhất sử dụng sơ đồ di chuyển cho đến khi kích hoạt để tìm vị trí gốc được thiết lập bởi cảm biến Hình 7.3 cho thấy một trục tuyến tính có hai công tắc giới hạn ở hai đầu hành trình và một công tắc chính ở giữa Thông thường, đây là các công tắc từ được nối dây tới I/O kỹ thuật số tương ứng cho trục đó trên bộ điều khiển
Hình 7.3 Trục tuyến tính với hai công tắc giới hạn và công tắc home
Hình 7.4 Tìm kiếm Homing dựa trên sơ đồ di chuyển cho đến khi kích hoạt
(Điều chỉnh theo sự cho phép của Delta Tau Data Systems, Inc [12])
Sơ đồ di chuyển cho đến khi kích hoạt bao gồm phân đoạn kích hoạt trước và sau kích hoạt (Hình 7.4) Trong phân đoạn kích hoạt trước, trục bắt đầu di chuyển về phía cảm biến homing với tốc độ dẫn đường và gia tốc mong muốn Khi trục chạm vào công tắc chính, một bộ kích hoạt sẽ được nhận và chuyển động kích hoạt trước bắt đầu giảm tốc vì trục hiện ở phía bên kia của công tắc chính Bộ điều khiển trộn chuyển động này vào chuyển động sau kích hoạt Kết quả là trục thay đổi hướng một cách trơn tru và di chuyển trở lại công tắc chính
Tại thời điểm nhận được kích hoạt, vị trí của trục (sốlượng bộmã hóa) được lưu bằng tính năng chụp phần cứng của bộ điều khiển Đây là một cách chính xác để nắm bắt vị trí tức thời của trục khi kích hoạt xảy ra Chuyển động sau kích hoạt được thực hiện trong một khoảng cách được chỉđịnh trước từ vị trí kích hoạt này
Sử dụng kết hợp tín hiệu chuyển đổi tại home switch với xung kênh chỉ số bộ mã hóa động cơ (CHC) có thể về home chính xác hơn Như thể hiện trong Hình 7.5, tính năng chụp phần cứng của bộđiều khiển có thểđược thiết lập để nắm bắt cạnh tăng của xung kênh chỉ mục bộ mã hóa đầu tiên sau khi home switch được kích hoạt Sau khi kích hoạt này, trục chậm lại đến một điểm dừng tạm thời trước khi bắt đầu chuyển động trở lại home switch (Hình 7.4) Tại thời điểm này, khoảng cách sau kích hoạt giữa điểm dừng và vị trí kích hoạt được biết rất chính xác
Do đó, bộ điều khiển có thể tính toán một quỹ đạo mới để di chuyển trục trở lại vị trí kích hoạt, được ghi lại là vị trí home
Khoảng cách home offset có thể được xác định trong phần mềm Điều này cho phép điều chỉnh thiết lập trong phần mềm cho vị trí của home sensor trái ngược với việc điều chỉnh vật lý vị trí của cảm biến trên máy Offset này được thêm vào di chuyển từ điểm kích hoạt
Hình 7.5 Kích hoạt bằng xung kênh chỉ mục của bộ chuyển mạch chính và bộ mã hóa để nắm bắt vị trí ban đầu chính xác hơn
Chuy ển động đa trụ c
động cơ dẫn độ ng m ộ t tr ụ c
Trong một số hệ thống, nhiều hơn một động cơ dẫn động một trục Một ví dụ điển hình là một máy gantry ( khung cổng trục ) thể hiện trong Hình 7.6 được tìm thấy trong các ứng dụng như cắt tia nước, hàn, khắc hoặc khuôn kẹp và lát ( pick and place ) Trong hệ thống này, hai động cơ (1 và 2) dẫn động chuyển động tuyến tính của trục cơ sở của máy Các động cơ này phải được đồng bộ hóa để tránh làm lệch trục cơ sở
Tất cả các động cơ của một trục được gán cho cùng một hệ tọa độ (nhóm) xác định trục Trong trường hợp gantry ( khung cổng trục ) trong Hình 7.6a, động cơ 1 và
2 sẽ được gán cho trục cơ sở của hệ thống Bằng cách này, khi bộ điều khiển chuyển động ra lệnh di chuyển cho trục cơ sở, cùng một điểm đặt được tính toán bởi bộ tạo quỹ đạo được lệnh cho các vòng servo của cả hai động cơ (Hình 7.6b)
Hình 7.6 Máy gantry có trục cơ sở phối hợp điểm đặt (a) Máy gantry có hai động cơ dẫn động trục cơ sở (b) Cùng một điểm đặt được lệnh cho cả hai động cơ của trục cơ sở
Sau đó, mỗi vòng servo theo dõi chuyển động được lệnh Giả sử tất cả các vòng servo đều được điều chỉnh, phương pháp này có thể tạo ra chuyển động phối hợp tốt giữa các động cơ truyền động trên cùng một trục Kiểu phối hợp này còn được gọi là chuyển động phối hợp điểm đặt Ngoài ra, hai động cơ có thể được phối hợp bằng cách đồng bộ hóa chính/theo sau được giải thích trong Phần 7.4.3.1.
Chuy ển độ ng ph ố i h ợ p c ủ a hai ho ặ c nhi ề u tr ụ c
Khi nhiều trục được điều khiển bởi bộ điều khiển chuyển động, chúng có thể được phối hợp để tạo ra chuyển động phức tạp Một cách để đạt được sự phối hợp là thông qua các chuyển động vòng tròn và đường viền được giải thích tương ứng trong
Các chuyển động tuyến tính của hai hoặc nhiều trục cũng có thể được phối hợp Ở chế độ này, mỗi động cơ điều khiển một trục nhưng tất cả các trục đều chuyển động phối hợp Thuật toán 6 hiển thị các chuyển động tuyến tính phối hợp của trục X và Y để đi theo một tam giác vuông bằng đầu dao Những động thái phối hợp được thực hiện bằng cách gán các trục cho cùng một hệ tọa độ (nhóm) và ra lệnh chuyển động của chúng cùng nhau trên cùng một đường như thể hiện ở dòng 8 và 10 đến 12 Đầu tiên, động cơ 1 và 2 được gán tương ứng cho trục X và Y của hệ tọa độ Tiếp theo, gia tốc và thời gian di chuyển được xác định cùng với chế độ di chuyển tuyến tính và tọa độ vị trí tuyệt đối Đầu dao được lệnh đi đến vị trí (0,0) Sau khi đợi ở đó trong 200 ms, đầu công cụ được lệnh vẽ một hình tam giác vuông có 5 đơn vị mỗi cạnh. Lưu ý rằng trong mỗi dòng từ 10 đến 12, tọa độ vị trí đơn giản được chỉ định cho các góc của tam giác Bộ điều khiển chuyển động phối hợp hai trục để tự động đến các vị trí này Ở dòng 11, đầu dao được lệnh di chuyển dọc theo đường chéo từ vị trí hiện tại (5,0) đến (0,5)
Vì khoảng cách đường chéo dài hơn các cạnh của hình vuông nên bộ điều khiển điều chỉnh tốc độ của từng trục sao cho đầu dao vẫn hoàn thành chuyển động chéo của nó trong thời gian di chuyển (hoặc tốc độ tiến dao) đã chỉ định Cả hai trục bắt đầu và dừng chuyển động cùng một lúc.
cách s ử d ụng đồ ng b ộ hóa Master / Slave (chính/ph ụ )
Nhiều ứng dụng điều khiển chuyển động liên quan đến các trục không nằm dưới sự điều khiển của bộ điều khiển chuyển động Ví dụ, cắt một web material liên tục, chẳng hạn như giấy, thành các chiều dài cố định liên quan đến trục cấp vật liệu(feed axis) thường không nằm dưới sự điều khiển của bộ điều khiển chuyển động cho máy cắt Trục cấp liệu (feed axis) liên tục có thể được cung cấp năng lượng bởi động cơ cảm ứng và biến tần của nó Nhưng chuyển động của máy cắt phải được đồng bộ hóa với tốc độ / vị trí của trục cấp vật liệu(feed axis) Vì bộ điều khiển chuyển động không điều khiển cả hai trục, nó không thể đồng bộ hóa chúng bằng chuyển động phối hợp Một phương pháp khác là cần thiết Đồng bộ hóa với chuyển động của trục ngoài được gọi là theo sau Nó còn được gọi là cấu hình master/slave Trục bên ngoài là trục chính(master) và chuyển động của nó thường được đo bằng bộ mã hóa Trục sau được gọi là trục phụ(slave) Lưu ý rằng nhiều trục có thể được gắn vào một trục chính
Luồng dữ liệu đến từ bộ mã hóa chính được đưa đến trục phụ dưới dạng một loạt các vị trí được lệnh Trục phụ sau đó đi theo quỹ đạo này Nói cách khác, các vị trí được lệnh cho trục phụ đến từ bộ mã hóa bên ngoài chứ không phải từ bộ tạo quỹ đạo bên trong
Bất cứ khi nào có thể, nên sử dụng chuyển động phối hợp của các trục thay vì sử dụng cấu hình master/slave Điều này là do quỹ đạo của các trục trong chuyển động phối hợp được tạo ra theo phương pháp toán học Chúng mượt mà hơn quỹ đạo được tạo dựa trên dữ liệu bộ mã hóa chính vì tín hiệu này có thể bị nhiễu.Quỹ đạo trơn tru cho phép tăng cao hơn để kiểm soát chặt chẽ hơn, dẫn đến hiệu suất cao hơn [2]
Tỷ số truyền không đổi giữa chuyển động của trục chính và trục phụ có thể được thiết lập thông qua bộ truyền động điện tử Như được hiển thị trong Hình 1.2 và được giải thích ở phần đầu của chương này, không có bánh răng vật lý nào giữa các trục này Thay vào đó, mỗi trục có động cơ riêng và việc đồng bộđược thực hiện bằng phần mềm
Ví dụ: nếu tỷ lệ bánh răng là 1:5 (master:follower (bộ theo dõi/ khâu bị dẫn) ) được lập trình, bộ theo dõi sẽ di chuyển năm đơn vị khi master di chuyển một đơn vị Chuyển số điện tử còn được gọi là vị trí theo sau(position following) vì vị trí của master được theo sau bởi vị trí của bộ theo dõi/khâu bị dẫn
Tỷ số truyền có thể được thay đổi nhanh chóng vì nó được triển khai trong phần mềm Đây là ưu điểm đáng chú ý nhất của hộp số điện tử Tuy nhiên, việc tải tỷ số truyền mới vào bộ nhớ của bộ điều khiển có thể mất một khoảng thời gian không mong muốn trong những chuyển động quan trọng về thời gian Độ chính xác của bánh răng điện tử bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi mức độ điều chỉnh của các trục Các lỗi sau có thể ảnh hưởng xấu đến việc đồng bộ hóa hệ thống Một tác động bất lợi khác có thể đến từ dữ liệu bộ mã hóa chính bị nhiễu vì trục phụ sẽ theo dõi dữ liệu đó và thậm chí khuếch đại nó
Một ví dụ điển hình cho hệ thống truyền động điện tử là gantry machine được minh họa trong Hình 7.6a Nếu sử dụng phương pháp master/slave (chính/phụ) thì một trong các động cơ trục cơ sở sẽ được chọn làm động cơ chính (ví dụ: động cơ 1) Động cơ này thực hiện các quỹ đạo được lệnh do bộ điều khiển tạo ra Động cơ thứ hai (động cơ 2) được nối với bộ mã hóa phản hồi của động cơ thứ nhất (động cơ 1) để đồng bộ hóa giữa chúng nhằm tránh làm lệch đế Nói cách khác, bộ mã hóa phản hồi của động cơ chính trở thành lệnh đầu vào cho động cơ theo (Hình 7.7a) Nếu trục chính được đưa ra lệnh jog, trục phụ chỉ cần tuân theo lệnh đó
Hiệu suất theo dõi quỹ đạo có thể bị giới hạn do quỹ đạo thực tế của động cơ chính trở thành quỹ đạo điều khiển của động cơ phụ Không thể tránh khỏi, quỹ đạo thực tế của động cơ chính có thể có một số sai lệch nhỏ so với quỹ đạo chỉ huy của nó Khi phụ nhận chuyển động chính thực tế dưới dạng lệnh, vòng lặp servo của nó có thể tăng thêm nhiều sai lệch so với quỹ đạo được lệnh mong muốn Một số bộ điều khiển cho phép vị trí lệnh tuân theo ở chế độ master/slave với tỷ số truyền được xác định trước như trong Hình 7.7b Nhưng điều này có thể thực hiện được nếu trục chính cũng nằm dưới sự điều khiển của cùng bộ điều khiển với trục phụ
Hãy xem xét cơ cấu cam-và-bộ theo dõi/khâu bị dẫn cơ khí được thể hiện trong Hình 7.8 Hình dạng của cam quyết định chuyển động của bộ theo dõi Do đó, vị trí tuyến tính của bánh dẫn (phụ) là một hàm của vị trí góc của cam (chính)
Hình 7.7 Hai loại lập trình master/slave(chính /phụ)
(a) Bộ mã hóa chính như sau: Bộ mã hóa phản hồi của động cơ chính là đầu vào lệnh cho động cơ phụ thông qua tỷ số truyền
(b) Vị trí lệnh sau: Vị trí lệnh chính cũng được gửi đến thiết bị phụ thông qua tỷ số truyền
Hình 7.8 Cơ cấu Cam-và-bộ theo dõi cơ học
Do hình dạng của Cam không đồng nhất nên tỷ số giữa vị trí của bánh dẫn và vị trí Cam có thể thay đổi Một khả năng là sử dụng hộp số điện tử giữa trục chính và trục phụ và thay đổi tỷ số truyền khi đang di chuyển Tuy nhiên, sự chậm trễ trong việc tải tỷ số truyền mới vào bộ nhớ có thể gây ra các lỗi sau
Thay vào đó, tỷ lệ thay đổi có thể được thực hiện trong phần mềm bộ điều khiển chuyển động bằng cách sử dụng Cam điện tử trong đó sự thay đổi tỷ lệ là tức thời Cam có thể được xác định trong phần mềm chuyển động bằng cách sử dụng tỷ lệ sau [5], phương trình toán học, bảng tra cứu [4] hoặc điều khiển cơ sở thời gian [12] Điều quan trọng cần chú ý là vị trí phụ được lập trình như một chức năng của vị trí chính chứ không phải thời gian Đây là cách hai trục được khóa lại với nhau để đồng bộ hóa
Mặc dù khái niệm này bắt nguồn từ cơ chế Cam-và-bộ theo dõi cơ học, khả năng thực hiện một tỷ lệ thay đổi trong phần mềm vượt xa việc chỉ thay thế cam-và-bộ theo dõi cơ học bằng thiết bị điện tử tương đương Nhiều ứng dụng phức tạp của chuyển động đa trục được thực hiện bằng cách sử dụng Cam điện tử
Flying knife (hoặc dao cắt theo chiều dài) là một trong những ứng dụng phổ biến của Cam điện tử Như được hiển thị trong Hình 7.9, một bộ cuộn kẹp nạp vật liệu liên tục với tốc độ không đổi qua máy Thông thường trục cấp liệu(feeding axis) này được dẫn động bởi một động cơ cảm ứng có bộ điều khiển riêng và do đó không nằm dưới sự điều khiển của bộ điều khiển chuyển động cho máy
Một bộ mã hóa chính được gắn vào các cuộn kẹp (nip rolls) cung cấp thông tin vị trí và vận tốc cho bộ điều khiển chuyển động để điều phối trục phụ mang dao Để có thể cắt vật liệu chuyển động, tốc độ của trục phụ phải phù hợp với tốc độ của vật liệu trong quá trình cắt Đầu tiên, điều này đòi hỏi phải tăng tốc trục phụ đến tốc độ vật liệu, sau đó di chuyển với tốc độ đó trong khi thực hiện cắt Tiếp theo, trục phụ phải được giảm tốc cho đến khi dừng lại và nhanh chóng di chuyển trở lại vị trí ban đầu của dao để chu kỳ cắt tiếp theo bắt đầu
Hình 7.9 Ứng dụng Flying knife để cắt vật liệu liên tục thành các chiều dài cố định
Hình 7.10 Tỷ lệ tốc độ so với vị trí chính cho chuyển động đồng bộ của dao bay (Điều chỉnh theo sự cho phép của ABB Corp [5])
Một cách để mô tả chuyển động đồng bộ là vẽ tỷ lệ tốc độ so với khoảng cách chính Hình 7.10 cho thấy các yêu cầu chuyển động đồng bộ cho ứng dụng Flying knife trong đó [5, 14] speed ratio (SR)= 𝑠𝑙𝑎𝑣𝑒 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑
Ki ể m soát t ả i tr ọ ng
Xử lý web(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) là một ứng dụng điển hình của kiểm soát độ căng trong đó vật liệu mỏng, dài, linh hoạt được gọi là web(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) cần được dẫn hướng qua máy xử lý Web (sản phẩm dệt (dạng cuộn)) có thể là phim, màng bọc, giấy nhôm, tiền tệ, giấy, thảm, băng keo, v.v Ngành công nghiệp giấy, sản xuất vài trăm tấn giấy mỗi ngày chỉ ở Hoa Kỳ, có lẽ là ngành lâu đời nhất trong số các ngành xử lý web Ngành in ấn là ngành xử lý web lớn nhất với các sản phẩm như báo và tạp chí Một ngành xử lý web khác là ngành chuyển đổi, nơi nguồn cung cấp nguyên liệu web thô được thay đổi thành các sản phẩm khác chẳng hạn như cuộn khăn giấy có đục lỗ
Việc xử lý web (sản phẩm dệt (dạng cuộn)) yêu cầu định tuyến vật liệu thông qua một loạt các cuộn chạy không tải và cuộn truyền động để dẫn nó đi qua máy xử lý Nếu lưới trượt qua các cuộn thì nó không thể được điều khiển chính xác Vì vậy, vật liệu phải được căng đúng cách để giữ nó có lực kéo với các cuộn Sự khác biệt nhỏ về tốc độ giữa các cuộn nip có thể làm vật liệu bị chùng hoặc căng thêm, cuối cùng có thể làm đứt mạng Phải áp dụng lực căng thích hợp để vật liệu không bị giãn quá mức và bị hư hỏng Hơn nữa, nếu độ căng không được kiểm soát, mạng có thể bị co rút, cuộn hình nón và nếp nhăn
Hình 7.16, các quy trình chuyển đổi thường bao gồm ba vùng căng thẳng: (1) Thư giãn, (2) Nội bộ và (3) Tua lại Mỗi vùng này được kiểm soát độc lập và có thể có yêu cầu về độ căng riêng Khi các cuộn thư giãn và cuộn lại được xử lý, đường kính của chúng thay đổi Để giữ cho độ căng của lưới không đổi, mô-men xoắn và tốc độ trên mỗi cuộn phải được điều chỉnh liên tục Trong quá trình xử lý màng ở vùng bên trong, độ căng và tốc độ khá ổn định do đường kính cuộn ở vùng này không thay đổi
Hình 7.17 cho thấy một máy chuyển đổi đơn giản hóa trong đó các cuộn nip được điều khiển bởi một động cơ kéo vật liệu từ một ống cung cấp để đưa màng vào máy với tốc độ không đổi Một lõi được gắn trên một trục gá điều khiển bằng động cơ để quấn vật liệu web trên lõi Sự sắp xếp này được gọi là cuộn dây trung tâm
Hình 7.16 Quá trình chuyển đổi điển hình với các vùng căng thẳng thư giãn, bên trong và tua lại
Hình 7.17 Máy chuyển đổi đơn giản hóa Để tránh làm hỏng vật liệu, máy cần giữ tốc độ web(đường trượt) và độcăng không đổi Mô-men xoắn được áp dụng bởi ổ đĩa tua lại (trục gá) được cho bởi
(7.8) trong đó F là lực căng của vải và 𝐫 𝐫𝐨𝐥𝐥 cuộn là bán kính của cuộn tua lại Khi vật liệu được quấn, bán kính cuộn tăng lên Do đó, để giữ cho độ căng của vải không đổi, mô- men xoắn tác dụng bởi bộ truyền động tua lại phải tăng tỷ lệ thuận với bán kính cuộn Tương tự, mô men phanh do bộ truyền động thư giãn tác dụng phải giảm tỷ lệ thuận với bán kính của cuộn cấp
Tốc độ web, 𝐕𝐰𝐞𝐛 có thể được tìm thấy từ tốc độ tiếp tuyến của cuộn nip Vì tốc độ của cuộn giấy phải không đổi nên máy đánh ống phải duy trì tốc độ tiếp tuyến tương tự Sau đó chúng ta có thể viết (7.9) trong đó 𝐫𝐧𝐢𝐩 là bán kính của cuộn nip, 𝜔nip 𝛚𝐧𝐢𝐩và 𝛚𝐫𝐞𝐰𝐢𝐧𝐝lần lượt là tốc độ góc của cuộn nip và bộ truyền động tua lại Chúng ta có thể viết lại phương trình này như (7.10)
Nếu các cuộn nip đang hoạt động ở tốc độ không đổi, thì ổ đĩa tua lại phải chậm lại khi bán kính cuộn tăng lên
7.4.4.1 Ki ểm soát căng thẳ ng web( đường trượ t) vòng h ở
Theo cách tiếp cận này, các cuộn nip được lệnh chạy ở tốc độ cố định, 𝛚 𝐧𝐢𝐩 , trong khi trục tua lại được điều khiển ở chế độ mô-men xoắn, áp dụng mô-men xoắn theo yêu cầu để tua lại Tốc độ của cuộn nip và trục tua lại có thể được đo từ bộ mã hóa động cơ của chúng Bán kính của cuộn nip đã được biết Nếu chúng ta có thể đo bán kính cuộn, cuộn 𝐫𝐫𝐨𝐥𝐥 (ví dụ: bằng cảm biến siêu âm), thì mômen xoắn cần điều khiển có thể được tính từ Phương trình (7.8) Nếu không thể đo được bán kính cuộn thì có thể tính toán từ Công thức (7.9) vì tốc độ của các cuộn nip và trục tua lại sẽ có sẵn từ bộ mã hóa của chúng Sau đó, mô men xoắn yêu cầu có thể được tìm thấy từ trong đó F là độ căng mong muốn của web do người dùng đặt Cách tiếp cận này được coi là vòng lặp mở vì độcăng của màng không được đo trực tiếp
Trong thực tế, có thể sử dụng cách triển khai khác để đạt được kết quả tương tự Thay vì điều khiển trục tua lại ở chế độ mô-men xoắn, chúng ta có thể vận hành nó ở chế độ vận tốc với giới hạn mô-men xoắn Vì tốc độ của cuộn nip đã biết và giả sử bán kính của cuộn được đo, nên chúng ta có thể tính toán tốc độ cần được yêu cầu cho trục tua lại từ Phương trình (7.10) Để tạo lực căng, tốc độ cao hơn một chút được yêu cầu như: (7.11) trong đó 𝛚 𝐨𝐟𝐟𝐬𝐞𝐭 là tốc độ bổ sung do người dùng điều chỉnh Khi trục tua lại cố gắng đạt đến tốc độ cao hơn một chút này, nó sẽ tạo lực căng lên vật liệu web Giới hạn mô-men xoắn được đặt trên trục để ngăn bộ điều khiển áp dụng mô-men xoắn quá mức trong khi cố gắng đạt tốc độ yêu cầu Hơn nữa, nếu màng bị đứt, giới hạn mô-men xoắn sẽ giữ cho trục không tăng tốc đến tốc độ cao nguy hiểm
7.4.4.2 Ki ể m soát căng thẳ ng web( đường trượ t) vòng kín
Phương pháp vòng lặp mở hoạt động tốt nếu web được tăng tốc hoặc giảm tốc chậm Trong các ứng dụng cần vận hành tốc độ cao và kiểm soát lực căng tốt hơn, điều khiển lực căng vòng kín được sử dụng Bộ điều khiển được cấu hình theo cấu hình vòng lặp xếp tầng trong đó đầu ra của vòng điều khiển độ căng bên ngoài trở thành lệnh đầu vào của vòng lặp vận tốc bên trong Để điều chỉnh độ căng trong điều khiển vòng kín, chúng ta phải đo nó Có hai cách triển khai đo phổ biến trong thực tế: (1) Load cell và
Trong quá trình triển khai cảm biến tải trọng, bộ điều khiển cố gắng duy trì lực căng có lệnh bằng cách so sánh nó với sức căng web(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) thực tế được đo bằng cảm biến tải trọng (Hình 7.18) Lỗi căng thẳng được sử dụng như một lệnh tốc độ cho trục cuộn dây
Trong cách tiếp cận dancer roll,web(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) tiếp xúc với một dancer roll, áp dụng lực căng trên web Trong các thiết kế cũ, độ căng được điều chỉnh bằng cách thêm hoặc loại bỏ trọng lượng gắn vào cuộn dancer roll Trong các máy mới hơn, xi lanh khí nén được sử dụng để tạo áp lực lên cuộn dancer roll [11] Áp suất không khí trong xi lanh, do đó lực căng mong muốn trên webweb(sản phẩm dệt (dạng cuộn)), có thể được đặt rất chính xác bằng cách sử dụng bộ điều chỉnh áp suất điện tử với khả năng cảm biến / điều chỉnh áp suất vòng kín tích hợp Khi dancer roll ở vị trí trung lập, lực dancer roll được cân bằng bởi lực căng web(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) Nếu độ căng web(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) phù hợp với lực dancer roll, dancer roll vẫn ở vị trí trung lập Nếu độ căng của webweb(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) thay đổi, dancer roll di chuyển lên hoặc xuống Vị trí của cuộn dancer roll được đo bằng một bộ mã hóa gắn liền với nó
Hình 7.18 Kiểm soát căng thẳng web vòng kín với cảm biến tải trọng
Hình 7.19 Kiểm soát độ căng web vòng kín với dancer roll Độ căng mong muốn của web được thiết lập bởi trọng lượng hoặc lực cuộn của dancer roll nhưng nó được duy trì bằng một vòng lặp vị trí như trong Hình 7.19 Lỗi vị trí dancer roll, tương ứng với lỗi căng thẳng, sau đó được sử dụng để điều chỉnh tốc độ được yêu cầu đối với trục tua lại Nếu dancer roll đang di chuyển lên trên thì lực căng sẽ tăng lên và trục tua lại sẽ chậm lại Nếu dancer roll đang di chuyển xuống thì độ căng giảm đi do đó trục tua lại được tăng tốc
Cách tiếp cận cuộn dancer roll có tác dụng giảm chấn đối với việc kiểm soát độ căng để làm dịu các biến động Do đó, nó có thể điều chỉnh các biến thể trong tài liệu web(sản phẩm dệt (dạng cuộn)) hoặc chuyển đổi giữa các tài liệu các lớp như trong cáp cuộn hoặc dây dày Hơn nữa, nó có thể hoạt động như một khu vực lưu trữ để tích lũy thêm một số chiều dài tài liệu trong khi trang web đang chạy qua máy
Khi bán kính của cuộn tua lại tăng lên, mỗi lớp bổ sung sẽ tạo ra lực nén lên các lớp bên trong Kết quả là các lớp gần lõi có thể bị nhăn hoặc lõi có thể bị nghiền nát Độ căng côn là một cách để giải quyết vấn đề này bằng cách giảm độ căng của màng khi bán kính cuộn tăng Độ căng côn chỉ được sử dụng trong vùng tua lại
Độ ng h ọ c
Các máy móc được chế tạo hệ thống định vị, chẳng hạn như vận hành khuôn kẹp và lát, có một công cụ để định vị trong không gian 2D hoặc 3D Trong những máy như vậy, chúng ta có tọa độ mũi dao và tọa độ khớp Xét máy gantry trong Hình 7.6a Tọa độ đầu dao là tọa độ X, Y, Z của đầu dao tương tác với môi trường Tuy nhiên vị trí quay của mỗi trục động cơ chính là tọa độ khớp của trục đó Tọa độ đầu dao có thể tính bằng inch trong khi tọa độ khớp thường tính bằng số lượng động cơ (cts)
Nếu mỗi động cơ được quay qua một số lần đếm nhất định thì đầu dao sẽ ở đâu và hướng của nó sẽ như thế nào? Đây được gọi là bài toán động học thuận Cụ thể, việc tính toán vị trí và hướng của đầu dao từ một tập hợp tọa độ khớp cho trước là động học thuận [10]
Bài toán động học nghịch đảo yêu cầu tìm tọa độ khớp để định vị đầu dao tại vị trí mong muốn theo hướng mong muốn trong không gian 3D Đúng như tên gọi, bài toán này ngược lại với bài toán động học thuận Nó thường phức tạp hơn nhiều so với bài toán động học thuận
Trong hệ thống định vị, người dùng sẽ xác định chuyển động theo tọa độ đầu dao
X, Y, Z khi dao đi từ điểm A đến điểm B Tuy nhiên, bộ điều khiển chuyển động hoạt động theo tọa độ khớp vì nó ra lệnh cho động cơ đếm Điều này đòi hỏi khả năng tính toán động học nghịch đảo của máy
Hầu hết các máy định vị đều được chế tạo bằng cơ chế Descartes với ba trục vuông góc Trong các cơ chế này, một trục được căn chỉnh theo hướng X, một trục khác theo hướng Y và trục thứ ba theo hướng Z của khung tọa độ Descartes 3D Sau đó, vị trí đầu dao mong muốn được chỉ định làm một điểm trong khung tọa độ Descartes này Điều này làm cho bài toán động học nghịch đảo trở nên đơn giản vì trong cơ chế Descartes, động học nghịch đảo là hệ số tỷ lệ đơn giản hoặc phương trình tuyến tính Trong máy gantry trong Hình 7.6a, nếu vít bi của trục cơ sở tiến lên X = 1 inch trong
8000 cts vòng quay động cơ của nó, thì động học nghịch đảo có thể được tính từ 8000X Nếu chúng ta muốn trục di chuyển 2 in, động cơ phải được lệnh 16 000 cts Tương tự, để di chuyển trục chéo Y = 3 inch, động cơ cho trục Y sẽ được điều khiển 24 000 cts Động học nghịch đảo rất đơn giản vì nó ánh xạ từng tọa độ của đầu dao tới một động cơ riêng biệt thông qua hệ số tỷ lệ đơn giản Điều này làm cho cơ chế Descartes rất phổ biến Hơn nữa, cơ cấu Descartes không tạo ra bất kỳ thay đổi nào về quán tính khi chuyển động, điều này làm cho thiết kế và kích thước động cơ của chúng trở nên đơn giản hơn
Với những tiến bộ gần đây trong bộ điều khiển chuyển động và sức mạnh tính toán cao hơn, các cơ chế phi Descartes đã có thể thực hiện được Những cái phổ biến nhất là các cơ chế robot bao gồm SCARA và robot delta được hiển thị trong Hình 7.21 Các cơ chế này có thể mang lại những cải thiện đáng kể về tốc độ sản xuất so với cơ chế Descartes cho cùng một ứng dụng Có xu hướng không gian làm việc lớn hơn nhiều so với dấu chân của cơ chế Descartes cho cùng một không gian làm việc Hơn nữa, trong cơ chế Descartes, ít nhất một trục phải mang một trục khác đòi hỏi động cơ lớn hơn và nhiều công suất hơn.
Trong cơ chế phi Descartes, động học nghịch đảo bao gồm tập hợp các phương trình phi tuyến, phức tạp phải được giải trong thời gian thực Trong thực tế, đôi khi không thể giải các phương trình này ở dạng đóng Hơn nữa, nhiều giải pháp có thể tồn tại hoặc một giải pháp có thể không tồn tại
Hình 7.21 SCARA và robot delta là những ví dụ về cơ chế phi Descartes(hệ tọa độ)
(a) Robot SCARA Bản quyền © 2015, Adept Technology, Inc (Được sao chép dưới sự cho phép của Adept Technology, Inc.) [8]
(b) Robot Delta (Được sao chép dưới sự cho phép của ABB Corp.) [7]
Bộ điều khiển chuyển động xử lý các phép tính động học nghịch đảo cho các cơ chế không phải Descartes theo một trong các cách sau:
1 Tính toán trên máy tính chủ: Do tính phức tạp của các phương trình, chúng có thể được tính toán bằng một chương trình chạy trên máy tính chủđược kết nối với bộ điều khiển chuyển động Chương trình này chuyển đổi tọa độ đầu dao thành vị trí động cơ và gửi chúng đến bộ điều khiển chuyển động thông qua liên kết truyền thông Bộ điều khiển sau đó chỉ cần thực hiện các chuyển động động cơ mong muốn
2 Tính toán trong chương trình chuyển động: Thông thường, yêu cầu cập nhật động học sau mỗi 5 đến 10 mili giây Nếu bộ điều khiển chuyển động có bộ xử lý nhanh thì có thể kết hợp trực tiếp các phương trình động học nghịch đảo vào chương trình chuyển động Theo cách tiếp cận này, trước tiên, một tập hợp các vị trí đầu dao dọc theo quỹ đạo dao mong muốn sẽ được chương trình tạo ra Sau đó, các vị trí này được sử dụng để tính toán các vị trí khớp tương ứng để đưa vào bảng tra cứu Tiếp theo, các vị trí khớp liền kề được sử dụng theo cặp để tính toán đường dẫn giữa chúng bằng các lệnh đường viền Bước này chuyển đổi các vị trí khớp tuyệt đối trong bảng tra cứu thành dữ liệu đường viền tăng dần và xác định đường dẫn trơn tru kết nối tất cả các vị trí khớp thành quỹ đạo khớp cho mỗi động cơ Cuối cùng, những quỹ đạo này được sử dụng để thực hiện các chuyển động theo đường viền của từng khớp Kết quả là đầu công cụ đi theo đường dẫn mong muốn trong không gian 3D [3]
3 Mô phỏng cơ chế Descartes(hệ tọa độ).: Trong cách tiếp cận này, bộ điều khiển chuyển động tính toán các phương trình động học nghịch đảo và cho ward được đặt vào các chương trình con trong bộ đệm đặc biệt [12] Chương trình chuyển động chính được viết như thểcơ chếđó là cơ chế Descartes(hệ tọa độ) Điều này làm cho việc lập trình chuyển động trở nên rất đơn giản Ví dụ, để di chuyển đầu dao 2 inch theo hướng X và 3 inch theo hướng Y, chúng ta chỉ cần nhập X2 Y3 vào chương trình chính Khi chương trình chuyển động được thực hiện lần đầu tiên, bộ điều khiển sẽ tự động gọi chương trình con động học thuận để tính toán vị trí đầu dao hiện tại, với các vị trí khớp tại thời điểm chương trình được bắt đầu Điều này thiết lập tọa độ bắt đầu của mũi dao Sau đó, khi nó tiếp tục thực hiện chương trình chuyển động, nó gọi chương trình con động học nghịch đảo khi nó gặp một dòng như X2 Y3 trong chương trình Các chuyển động chung tương ứng được tính toán và ra lệnh cho động cơ
4 Sử dụng thư viện plug-in: Một số bộ điều khiển chuyển động có quy trình động học nghịch đảo được phát triển cho các loại cơ chế robot phổ biến cụ thể Các nhà cung cấp cung cấp chúng dưới dạng mô-đun thư viện trình cắm thêm [16, 20] Phần mềm điều khiển chuyển động có thể gọi mô-đun hoặc chức năng tương ứng với cơ cấu mà nó đang điều khiển đểtính toán động học nghịch đảo
5 Nhúng vào phần sụn: Các phương trình động học thuận và nghịch cho một máy cụ thể có thể được lập trình trực tiếp vào phần sụn trong bộ điều khiển chuyển động Đây là phần mềm nhúng cấp thấp chạy ở tốc độ rất cao cho phép cập nhật động học ở tốc độ rất cao (chẳng hạn như ở 32 kHz) Sau đó, người dùng có thể viết chương trình chuyển động theo tọa độ đầu dao Vì cách tiếp cận này tùy chỉnh bộ điều khiển chuyển động cho một loại máy rất cụ thể nên nó đòi hỏi phải hợp tác chặt chẽ với nhà cung cấp bộ điều khiển chuyển động [13]
Như đã đề cập trước đó, một trong những cơ chế phi Descartes(hệ tọa độ ) phổ biến nhất được sử dụng trong các ứng dụng định vị là cánh tay robot SCARA Như được hiển thị trong Hình 7.22a, robot này có bốn trục Trục 1, 2 và 3 quay Trục 4 là tịnh tiến Đầu dụng cụ (đầu ngón tay của dụng cụ kẹp) có thể được định vị tại một điểm có tọa độ x, y, z đối với hệ quy chiếu Descartes gắn vào đế của robot Hơn nữa, góc 𝜽𝒕𝒐𝒐𝒍 so với khung cơ sở được người dùng chỉ định để chỉ định hướng dao mong muốn (Hình
Hình 7.22 Robot SCARA bốn trục để phân tích động học.(a) Robot SCARA bốn trục (b) Nhìn từ trên xuống
Tham khảo Hình 7.22b, các phương trình động học thuận cho robot này có thể được viết là [10] (7.13) trong đó 𝜃1, 𝜃2 và 𝜃3 là các vị trí khớp đã biết được đo bằng bộ mã hóa L1 và L2 là độ dài liên kết được đo giữa các trục khớp dọc theo pháp tuyến chung giữa chúng Chuyển vị tuyến tính của trục 4 được đo bằng d4 Khi trục này ở vị trí ban đầu, đầu dao ở khoảng cách z0 so với mặt phẳng ngang của khung đế