Máy công cụ là loại máy cơ khí gia công khuôn hoặc linh kiện để cấu tạo nên các máy móc khác, vì vậy có người còn gọi máy công cụ là máy mẹ. Có những máy công cụ như máy tiện, máy phay, máy cắt răng, máy khoan lỗ, máy tiện doa lỗ, máy cắt, máy bào... Chiếc máy công cụ NC đầu tiên được phát minh bởi phòng thí nghiệm MIT servomechanism vào năm 1952, sau đó thì cùng với sự phát triển của Khoa Học Công Nghệ, Những Chiếc Máy Công Cụ Cũng Được Phát Triển Lên Rất Nhiều Cả về mặt cơ khí, cũng như bộ điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ cũng như kinh tế. Sự xuất hiện của máy công cụ, mà đặc biệt là máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi nền sản xuất công nghiệp với một tốc độ chóng mặt, với khả năng tăng năng xuất và chất lượng đáng kinh ngạc. Đây là bước ngoặt lớn trong nền công nghiệp nặng của cả thế giới, giúp tiết kiệm một lượng lớn nhân lực trong quá trình gia công, tự động hóa các dây chuyền sản xuất.
Trang 1Chương 3
CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC 3.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN SỐ CNC
Máy công cụ là loại máy cơ khí gia công khuôn hoặc linh kiện để cấu tạo nên các máy móc khác, vì vậy có người còn gọi máy công cụ là máy mẹ Có những máy công cụ như máy tiện, máy phay, máy cắt răng, máy khoan lỗ, máy tiện doa lỗ, máy cắt, máy bào… Chiếc máy công cụ NC đầu tiên được phát minh bởi phòng thí nghiệm MIT servomechanism vào năm 1952, sau đó thì cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, những chiếc máy công cụ cũng được phát triển lên rất nhiều cả về mặt cơ khí, cũng như bộ điều khiển để phù hợp với yêu cầu công nghệ cũng như kinh tế Sự xuất hiện của máy công cụ, mà đặc biệt là máy CNC đã nhanh chóng làm thay đổi nền sản xuất công nghiệp với một tốc độ chóng mặt, với khả năng tăng năng xuất và chất lượng đáng kinh ngạc Đây là bước ngoặt lớn trong nền công nghiệp nặng của cả thế giới, giúp tiết kiệm một lượng lớn nhân lực trong quá trình gia công, tự động hóa các dây chuyền sản xuất
Để có được sự phát triển nhanh chóng của máy công cụ như vậy, cùng với khả năng phát triển về mặt cơ khí, thì việc phát triển bộ điều khiển cho máy công cụ là đặc biệt quan trọng vì nó quyết định trực tiếp đến khả năng gia công của máy Bộ điều khiển được sử dụng trong máy công cụ, cụ thể là máy CNC là bộ điều khiển số (Numerical Control) Điều khiển số ra đời với mục đích điều khiển các quá trình công nghệ gia công cắt gọt trên các máy công cụ Về thực chất, đây là một quá trình tự động điều khiển các hoạt động của máy (như các máy cắt kim loại, robot, băng tải vận
Hình 3.1 Máy CNC
Trang 2chuyển phôi liệu hoặc chi tiết gia công, các kho quản lý phôi và sản phẩm…) trên cơ sở các dữ liệu được cung cấp là ở dạng mã số nhị nguyên bao gồm các chữ số, số thập phân, các chữ cái và một số ký tự đặc biệt tạo nên một chương trình làm việc của thiết bị hay hệ thống
Ban đầu, các máy công cụ được điểu khiển trực tiếp bằng tay Khi đó, bộ điều khiển của các máy công cụ rất đơn giản,hầu như là chưa có gì Ở thời kỳ tiếp theo các máy công cụ gia công chép hình ra đời, các quá trình gia công cắt gọt được điều khiển theo chương trình bằng các kỹ thuật chép hình theo mẫu, chép hình bằng các hệ thống thủy lực, cam hoặc điều khiển bằng mạch logic… Ngày nay, với việc ứng dụng các thành quả tiến bộ của Khoa học – Công nghệ, nhất là trong lĩnh vực điều khiển số và tin học, đã cho phép các nhà chế tạo máy nghiên cứu đưa vào máy công cụ các hệ thống điều khiển cho phép thực hiện các quá trình gia công một cách linh hoạt hơn, thích ứng với nền sản xuất hiện đại và mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn Đặc biệt trong các hệ thống CNC các bộ điều khiển còn được tích hợp thêm với máy tính công nghiệp giúp quá trình mô phỏng, vận hành, cũng như theo dõi hệ thống CNC trở nên dễ dàng, thân thiện với người dùng
3.1 CẤU TRÚC CƠ BẢN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC MÁY TÍNH CÔNG NGHIỆP 3.1.1 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN CỐT LÕI NCK
Các bộ điều khiển trung tâm (Numerical Control Kernel) là một trong những đơn vị của hệ thống CNC, các NCK là các đơn vị điều khiển các động cơ NCK bao gồm một chương trình dịch, bộ nội suy, bộ điều khiển tăng/giảm tốc và bộ điều khiển vị trí là các thành phần chính và quan trọng không chỉ của hệ thống CNC mà còn là một bộ điều khiển vị trí điển hình, cần thiết để điều khiển động cơ Có hai loại NCK chính là NCK của điều khiển tăng/giảm tốc trước nội suy và sau nội suy
3.1.2 Chương trình dịch
Chương trình dịch là một modul phần mềm, có thể dịch các chương trình vào lệnh nội bộ để di chuyển các công cụ và thực hiện các chức năng phụ trợ trong một hệ thống CNC
Một phần chương trình được lập trình viên phát triển dựa trên biên dạng của các phần, điều kiện cắt, và các công cụ được nhập vào CNC thông qua hệ thống giao diện người dùng và bộ xử lý trung tâm, sau đó tạo ra các lệnh điều khiển cho các trình điều khiển từ phần chương trình thông qua các giai đoạn khác nhau; tính toán quãng đường di chuyển bởi việc dịch chương trình, tạo dữ liệu riêng và vận tốc cho mỗi trục nhờ bộ nội suy, làm mịn vận tốc bằng bộ điều khiển Acc/Dcc và tạo ra lệnh điều khiển vị trí Trong giai đoạn này, chương trình dịch có thể được coi như một nhiệm vụ đơn giản cho chuyển đổi G/M code để các cấu trúc dữ liệu của hệ thống CNC dễ hiểu Tuy nhiên, việc thiết kế và thực hiện các thông dịch và biên dịch của chương trình dịch là một nhiệm vụ lớn và toàn diện, bởi vì quy tắc lập hay ngữ pháp lập trình được diễn tả trong sổ tay lập trình và một khái niệm điều hành được hiển thị trong một cẩm nang hoạt động cần được xem xét khi phát triển các trình thông dịch Vì vậy, chương trình dịch là chỉ số đại diện cho thấy các khái niệm thiết kế và các khái niệm thiết kế và các khía cạnh chức năng của CNC và là một phần của CNC, nó thường dành hơn 50% tổng số thời gian để phát triển chương trình dịch
Chương trình dịch đóng vai trò chuyển đổi một phần chương trình người dùng thay đổi nội dung sang định dạng dữ liệu nội bộ để thực hiện Để hiểu được cấu trúc và xử lý bên trong của chương trình dịch, nó là cần thiết để hiểu được cấu trúc của chương trình và các lệnh được sử dụng trong đó Trong một hệ thống CNC, hệ tọa độ khác nhau, chẳng hạn như hệ tọa độ máy, hệ tọa độ phôi và hệ tọa độ cơ sở, được hỗ trợ để thuận tiện cho chỉnh sửa một chương trình và thiết lập máy Ngoài ra, di chuyển, đối xứng, và lấy tỷ lệ của hệ tọa độ được cung cấp và sử dụng các chức năng này có thể dễ dàng chỉnh sửa các chương trình Để kiểm soát công cụ chuyển động dọc theo một đường thẳng, vòng cung, đường xoắn ốc, hoặc một đường cong spline, các chức năng nội suy như lệnh G01, G02, G03, hoặc lệnh F- để xác định tốc độ cắt, và lệnh S- để xác định tốc độ trục chính được sử dụng Để thực hiện các chương trình mà hình dạng công cụ à lắp ghép là không khả quan, chức năng bù bán kính và bù chiều dài dao được cung cấp Hơn nữa các chức năng vĩ mô, cái gọi là
Trang 3“chức năng chu kỳ” được cung cấp để tiện chỉnh sửa một chương trình và đơn giản hóa các chương trình Gần đây, để thực hiện yêu cầu về gia công tốc độ cao và gia công có độ chính xác cao, các chức năng tiên tiến khác nhau như các chức năng look-ahead, chức năng điều khiển feedforward, và chức năng nội suy NURBS đã được áp dụng
Cuối cùng, chương trình dịch thực hiện các chức năng nói trên, bao gồm phân tích cú pháp, thực hiện, phát triển, thực hiện vĩ mô và xử lý các lỗi Các chương trình dịch chuyển đổi các khỗi dữ liệu đọc từ bộ nhớ văn bản vào các dữ liệu cấu trúc bên trong Dựa trên các dữ liệu giải thích, vị trí của một block được tính toán bằng cách thực hiện các phép toán khác nhau như xoay phối hợp và công cụ bù và được lưu trữ trong bộ nhớ
3.1.3 Bộ nội suy
Trong các máy công cụ điều khiển theo chương trình số, những đường tác dụng giữa dụng cụ và chi tiết được hình thành nhờ các dịch chuyển trên nhiều trục Để sản sinh một đường cong trên một máy điều khiển theo chương trình số, giữa các chuyển động trên từng trục riêng lẻ phải có một quan hệ hàm số (điều khiển phi tuyến) Các điểm tựa phải nằm dày đặc đến mức sao cho đường cong nội suy trong chuyển động phi tuyến tả chính xác và không có vị trí nào vượt qua vùng dung sai cho phép Trái với các hệ điều khiển đơn giản như dạng điều khiển điểm và điều khiển đường thì số dữ liệu cần thiết là rất lớn
Nội suy chỉ có thể làm việc theo nguyên tắc số Nó có thể được thực hiện bằng các mạch logic nối cứng (chương trình hóa các mối liên hệ NC) hoặc bằng các phần mềm nội suy được lập trình (CNC) Bộ nội suy thực chất là một máy tính phát hàm số, nó đưa ra các lệnh thích hợp với
Hình 3.2 Cấu trúc hoạt động của hệ thống CNC
Trang 4điều khiển ban đầu, điều khiển chạy dao trên các trục tọa độ riêng lẻ, trùm lên một quỹ đạo cong cho trước theo mong muốn
Bộ nội suy có nhiệm vụ:
Tìm ra các điểm trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho trước trong một giới hạn dung sai cho trước
Có thể nội suy một cách thích hợp với các yếu tố biên dạng đòi hỏi Thông thường những yếu tố biên dạng cơ bản có trong các chi tiết kỹ thuật là những đoạn thẳng và những đường cong Tương ứng với thực tế đó, các bộ điều khiển thường giới hạn trong bộ nội suy tuyến tính và nội suy đường cong
Tốc độ đưa ra tọa độ vị trí trung gian phải phù hợp với tốc độ chạy dao cho trước
Đi tới một cách chính xác các điểm kết thúc chương trình đã đưa ra trước chương trình Các dạng nội suy: các hàm số sinh ra từ bộ nội suy chủ yếu là các đường thẳng và các đường cong, đó là những biên dạng của các yếu tố kết cấu thường dùng của các đường cong bâc cao như các parabol hay hypebol thường không thực hiện trong các hệ điều khiển số vì chúng hầu như không có trong đòi hỏi thực tế Về măt tính toán có ưu điểm là quan tâm đến các sai lệch của dụng cụ cắt (ví dụ bán kính dao phay) các khoảng cách đối xứng giữ được những giá trị ngang bằng Ngoài ra còn sử dụng được “đường cong chuẩn” Thông thường trong các máy CNC là dạng nội suy thẳng và nội suy vòng (nội suy tuyến tính và nội suy phi tuyến)
3.1.4 Điều khiển tăng/giảm tốc
Để cho chuyển động của máy được mịn, không bị giật cục thì việc tăng tốc và giảm tốc sự chuyển động của trục máy cần được kiểm soát Đối với hệ thống CNC, hai dạng phương pháp điều khiển tăng tốc và giảm tốc (Acc/Dec) được phát triển; điều khiển Acc/Dec trước nội suy (ADCBI) và điều khiển Acc/Dec sau nội suy (ADCAI) Chúng được phân loại dựa trên thứ tự trong việc kiểm soát Acc/Dec được thực hiện
Phương pháp điều khiển Acc/Dec có thể được phân loại điều khiển Acc/Dec trước nội suy và điều khiển Acc/Dec sau nội suy đối với việc xử lý để tăng tốc và điều khiển giảm tốc độ Điều khiển Acc/Dec trước nội suy (ADCBI) được xây dựng khác nhau tùy theo loại nội suy như tuyến tính, hàm số mũ và đường cong Vì ADCBI cần nắm bắt nhiều thông tin liên quan đến tất cả các điểm nội suy, một lượng lớn bộ nhớ cần thiết để thực hiện loại điều khiển Acc/Dec Tuy nhiên, vì số lượng lớn các thông tin điều khiển Acc/Dec không gây ra lỗi gia công vì tăng độ chính xác Mặt khác, điều khiển Acc/Dec sau nội suy được áp dụng giống hệt nhau cho tất cả các phương pháp nội suy Vì vậy, việc thực hiện rất đơn giản nhưng lỗi gia công xảy ra bởi vì mỗi di chuyển của trục được xác định riêng Kể từ điều khiển Acc/Dec trong ADCAI được áp dụng riêng biệt cho từng trục, gia tốc và giảm tốc cho các di chuyển của mỗi trục không phụ thuộc vào vị trí Theo đó, các điểm nội suy đi chệch khỏi con đường mong muốn Một điển hình ví dụ về độ lệch này xảy ra trong quá trình gia công góc và kéo dài thời gian Acc/Dec, lớn hơn các lỗi gia công Ngược lại, lỗi gia công do ADCBI không xảy ra vì phần lệnh giống hệt với phần mong muốn Chìa khóa để thực hiện điều khiển Acc/Dec trước khi nội suy là tìm thời điểm tăng tốc và giảm tốc thời gian dựa trên tốc độ cắt, chuyển phần còn lại của lệnh, giá trị Acc/Dec và vận tốc hiện tại Vì vậy, ADCBI đòi hỏi khả năng tính toán và bộ nhớ lớn hơn ADCAI Từ điểm nhìn của thực tế thực hiện, ADCBI phức tạp hơn nhiều so với ADCAI
Điều khiển Acc/Dec sau nội suy:
Trong trường hợp của ADCAI , trước hết là NCK, Numerical Control Kernel, giải thích chương trình sử dụng các module thông dịch và tính toán khoảng cách dịch chuyển cho mỗi trục,
, Y, Z cho mỗi khoảng thời gian nội suy dựa trên các trình dịch kết quả bằng cách sử dụng module nội suy thô Tiếp theo, điều khiển Acc/Dec độc lập mỗi trục được thực hiện đối với
, Y, Zvà nội suy tinh sau đó Cuối cùng, tổng số chuyển động còn lại của từng trục cho từng vị trí điều khiển thời gian kiểm soát được tính toán bằng các module điều khiển vị trí
Trang 5Acc/Dec thuật toán điều khiển của điều khiển Acc/Dec sau nội suy là khác của điều khiển Acc/Dec trước nội suy Hình 1.4 cho thấy sơ đồ để NCK thực hiện với điều khiển Acc/Dec sau nội suy Sự khác biệt lớn với điều khiển Acc/Dec trước nội suy là sự dịch chuyển còn lại của mỗi trục được tính theo mỗi lần nội suy bằng cách nội suy thô điều khiển Acc/Dec của mỗi trục được thực hiện riêng rẽ Hình 1.3 cho thấy xự thay đổi của xung biên dạng sau khi điều khiển Acc/Dec có thể thấy rằng các biên dạng của xung mỗi trục được tạo ra bởi bộ nội suy thô và gia tốc và chương trình giảm tốc được áp dụng cho mỗi xung riêng
Phương pháp ADCAI đã được sử dụng rộng rãi cho NC và hệ thống điều khiển chuyển động trong cả phần cứng và phần mềm nội suy Không phụ thuộc vào cách thực hiện, các thuật toán là không khác nhau giữa phần cứng và các loại phần mềm
Hình 3.3 Thay đổi biên dạng xung sau điều khiển Acc/Dec
Hình 3.4 Sơ đồ NCK thực hiện điều khiển Acc/Dec sau nội suy
Trang 6Điều khiển Acc/Dec trước nội suy:
Không giống như NCK loại ADCAI, ADCBI tạo thông tinh tốc độ trước khi thực hiện nội suy thô Cũng không giống như loại ADCAI, nơi Acc/Dec kiểm soát thực hiện riêng cho các trục, ADCBI thực hiện việc hai điều khiển Acc/Dec cho cách lập trình riêng Vì vậy, về mặt lý thuyết, ADCBI không gây ra lỗi gia công ADCAI tạo ra lỗi gia công theo tỷ lệ tốc độ ăn dao và điều này đã trở thành một vấn đề nghiêm trọng xem xét rằng các tốc độ gia công của máy công cụ được nhận được nhanh hơn Vì vậy, ADCBI là điều cần thiết để thực hiện các chức năng gia công tốc độ cao đã trở thành một chức năng máy công cụ thường, các máy công cụ mới được cung cấp ADCAI như một chức năng cơ bản
Hình 3.5 cho thấy sơ đồ các quá trình của loại NCK ADCBI Hình 3.6 cho thấy trình tự thực hiện điều khiển Acc/Dec và nội suy thô và hiệu quả của từng giai đoạn Các điều khiển Acc/Dec tính toán tốc độ để xem xét khả năng tăng tốc và giảm tốc Các bộ nội suy thô sau đó tạo ra các điểm nội suy xem xét công cụ di chuyển và chiều dài còn lại của con đường lập trình cho mỗi lần lặp đi lặp lại ngay lập tức dựa trên biên dạng tốc độ
Hình 3.5 sơ đồ NCK thực hiện điều khiển Acc/Dec trước nội suy
Trang 73.1.5 Hệ thống điều khiển PID
Các thông tin của một khối chương trình cho sự di chuyển của các trục của một máy công cụ đi tuần tự thông qua chương trình dịch, bộ nội suy và điều khiển Acc/Dcc trước khi truyền tới bộ điều khiển vị trí Bộ điều khiển vị trí có độ trễ thời gian từ bộ nội suy và thực hiện kiểm soát thông tin đầu vào để giảm thiểu sai số vị trí Bộ điều khiển PID được sử dụng để làm việc này
Mặc dù lý thuyết điều khiển hiện đại đã phát triển khác nhau, nhưng bộ điều khiển PID đã được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp do kiến trúc đơn giản và dễ thực hiện cả phần cứng hay phần mềm Hơn nữa bộ điều khiển PID có thể dễ dàng được thực hiện, ngay cả khi mô hình toán học chính xác của hệ thống là không rõ ràng, có khả năng loại bỏ nhiễu tốt Tuy nhiên, bộ điều khiển PID chỉ có thể được sử dụng cho các hệ thống tuyến tính thời gian bất biến và nó là cần thiết để chỉnh tăng một cách chính xác dựa trên các động lực của quá trình Khi các trạng thái của quá trình thay đổi do sự thay đổi của trọng lượng hệ thống, quá trình điểu chỉnh phải làm lại Ngoài ra, bộ điều khiển PID có hạn chế là nó chỉ có thể áp dụng cho hệ thống SISO (Single Input Single Output)
Hệ thống CNC là hệ thống kiểm soát nhiều hơn hai trục, tuy nhiên chúng ta có thể sử dụng riêng mỗi bộ điều khiển PID cho mỗi trục bởi vì mỗi trục của máy CNC thực sự kiểm soát độc lập dựa trên các dữ liệu nội suy nhỏ theo khoảng thời gian
Bộ điều khiển PID tạo ra các đầu ra như là một đầu vào của quá trình, mà làm cho các lỗi (sự sai khác giữa quá trình phản hồi đầu ra và đầu ra tính toán) bằng không Quá trình được thể hiện trong hình dưới
Hình 3.6 phần điều khiển Acc/Dec tuyến tính
Hình 3.7 Quá trình của bộ điều khiển PID
Trang 8Chất lượng của máy CNC được quy về việc thực hiện điều khiển động cơ, Các bộ điều khiển vị trí không chỉ kiểm soát chính xác vị trí của các trục mà còn có thể kiểm soát các sự cố khác nhau Đầu tiên là điểm – điểm kiểm soát nơi đến nhanh và chính xác tại vị trí mong muốn, rât quan trọng phụ thuộc vào con đường trung gian Thứ hai là điều khiển theo vị trí, nó rất quan trọng để các trục chuyển động theo quỹ đạo chính xác Thứ ba là điều khiển contour để giám sát contour trong trường hợp hệ thống đa trục Ở vị trí điều khiển, thuật toán khác nhau đã được sử dụng để đáp ứng các điều kiện trên và bộ điều khiển PID là một trong số các bộ điều khiển điển hình
3.1.6 Phân loại NCK
Có hai loại NCK điển hình, đó là NCK loại tăng/giảm tốc trước nội suy và NCK loại tăng/giảm tốc sau nội suy
Cấu trúc NCK loại tăng/giảm tốc sau nội suy
Hình 3.8 NCK loại tăng/giảm tốc sau nội suy
Trang 9Cấu trúc NCK loại tăng/giảm tốc trước nội suy
3.2 CẤU TRÚC VÀ CHỨC NĂNG CỦA BỘ GIAO DIỆN MMI
Giao diện người dùng (MMI) cung cấp giao diện cho phép người sử dụng để vận hành một máy công cụ, chỉnh sửa một chương trình, thực hiện các chương trình, thiết lập các thông số và truyền dữ liệu Cấu trúc, cũng như các chức năng của bộ giao diện MMI sẽ được trình bày ở dưới
Trang 10Mục tiêu thiết kế cuối cùng cho hệ thống MMI là cung cấp một cách dễ dàng hoạt động và chức năng khác nhau cho người sử dụng Theo xu hướng này, MMI đã trở thành máy tính dựa trên MMI được vận hành bởi một bộ xử lý cá nhân và cho phép các chức năng khác nhau Máy tính dựa trên MMI cho phép người sử dụng một giao diện đồ họa Người dùng có thể thay thế đơn giản giao diện trước đó Nó cũng cho phép một hệ thống CAM được xây dựng trên hệ thống CNC chính nó cho phép hệ thống CNC giao tiếp với thiết bị bên ngoài Như thể hiện ở hình trên, cấu trúc phần mềm MMI có thể chia thành ba phần là: lớp ứng dụng, lớp trung tâm và lớp hệ điều hành
3.2.3 Chức năng
Bảng điều khiển: giúp người dùng vận hành máy một cách hiệu quả và sử dụng các chức năng của máy tối ưu Bảng điều khiển hoạt động cho khả năng sử dụng theo đặc điểm riêng của máy Hình dưới đây minh họa một bảng điều khiển hoạt động tiêu biểu Nói chung các hoạt động của bảng điều khiển có thể chia làm bốn khu vực
Khu vực hiển thị trạng thái: vùng này sẽ hiển thị tình trạng máy và các thông số NC, nó
cung cấp giao diện đồ họa người dùng (GUI) cho sự tương tác giữa CNC và người dùng
Khu vực dữ liệu đầu vào: khu vực này như bàn phím để nhập dữ liệu người dùng cho hệ
thống CNC, nó bao gồm nút đầu vào là chữ, số và các phím nóng để thực hiện các chức năng của CNC
Khu vực xử lý bằng tay: khu vực này bao gồm các MPG (Manual Pulse Generator), MPG
xử lý ON/OFF chuyển đổi và phím chọn tỷ lệ tốc độ cho người sử dụng di chuyển mỗi động cơ Ngoài ra, phím đóng/mở kẹp và các nút dừng khẩn cấp được đặt tại đây
Khu vực máy hoạt động: khu vực này bao gồm nhiều loại công tắc, đèn và cung cấp các
chức năng khác nhau như sau: - Chuyển đổi chế độ lựa chọn