HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNCHỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC
ĐỀ BÀ
BÀI TẬP CHUYÊN ĐỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP
I.Nhiệm vụ thiết kế: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO ROBOT
II.Số liệu cho trước:
5 Chiều dài cần cố định d4= 500 (mm)
1.Giải bài toán động học thuận, động học ngược Robot CN
2 Thiết kế quỹ đạo chuyển động cho Robot
- Yêu cầu: thiết kế quỹ đạo trong không gian khớp.
- Quỹ đạo là đa thức bậc 3
3 Tìm hiểu cấu trúc phần cứng, hệ thống điều khiển máy CNC
Giải bài toán động học thuận, động học ngược Robot
1.Bài toán động học thuận
Hình 1.1: Hình vẽ Rô-bốt
Từ (hình 1.1) ta nhận thấy mô hình gồm có 4 khâu động và 4 khớp động,từ đó ta thực hiện đặt hệ quy chiếu theo phương pháp D-H (Denavit-Hartenberg) như sau:
+ Khâu 0: đế ta chọn hệ tọa độ x0y0z0 có trục z0 có dọc theo trục của khâu 0, x0 được chọn như trong hình vẽ, y0 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
+ Khâu 1: ta chọn hệ tọa độ x1y1z1 có trục z1 dọc theo trục của khớp nối khâu 1 với khâu 2, x1 chọn song song theo khâu 1 có hướng về phía khâu 2, y1 được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
+ Khâu 2: ta chọn hệ tọa độ x2y2z2 có trục z2 trùng trục của khâu 3 có hướng xuống phía dưới, x2 chọn dọc theo trục của khâu 2 hướng về phía ra xa khâu 1, y2 được xác định theo quy tắc bàn tay phải.
+ Khâu 3: ta chọn hệ tọa độ x3y3z3 có trục z3 cùng phương cùng chiều với trục z2 , x3 chọn song song và cùng chiều với x2 , y3 được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ.
+ Khâu 4: Ta chọn hệ x4y4z4 có trục z4 cùng phương cùng chiều với trục z2, x4 chọn song song và cùng chiều với x2 , y4 được xác định theo quy tắc bàn tay phải, có gốc tọa độ đặt như hình vẽ. Để giải bài toán động học thuận của Rô-bốt ta cần lập bảng D-H Ta có bảng thông số D-H như sau:
Với a1 = 800 (mm) a2 = 500 (mm) d3 = 800 (mm) d4 = 500 (mm)
Ta có các ma trận hàm truyền của khâu thứ i đối với khâu thứ i = 1 được xác định công thức như sau:
Ta có các ma trận
Ta có c 1 c 2 −s 1 s 2 = C(1 + 2) ( công thức lượng giác)
Phương trình động học cơ bản của ma trận robot:
Hệ phương trình động học:
2.Bài toán động học ngược
+ Giải bằng phương pháp giải tích
Nghiệm của bài toán động học ngược của robot Scara là nghiệm của phương trình:
Ta có ma trận R là ma trận biểu diễn phép quay của hệ tọa độ x 4 y 4 z 4 vẽ hệ tọa độ x 0 y 0 z 0 phép biến đổi quay quanh trục z0, trục z0 và z4 ngược cùng nhau và ma trận có dạng :
11)Dựa vào các góc quay Robot ta vẽ được hình chiếu điểm cuối P trên mặt phẳngOxy:
Hình 1.2: Hình chiếu điểm P trên mặt phẳng Oxy Dựa vào hình vẽ ta áp dụng định lí cos trong tam giác: cos( θ 2)=−cos( π −θ 2)= − a 1
Do 2 góc bù nhau thì cos bằng nhau Đặt −a 1
Ta có hệ phương trình sau :{ a a 2 2 c s ( ( θ θ 1 1 + +θ θ 2 2 ) ) + +a a 1 1 s c ( ( θ θ 1 1 ) ) = = y x p p
Ta tìm được nghiêm như sau: { s c ( ( θ θ 1 1 ) ) = = B y B x B B p p 2 2 −C x + + + C y C C 2 2 p p tan θ 1=sθ1 sθ2=Byp−C xp
Byp+C xp => θ 1 = arctan ( Byp−C xp Byp+ C xp ) ¿>θ 1 =arctanB y p −C x p
Vậy ta có bộ nghiệm của hệ phương trình (1) là:
Thay a1 = 800mm ; a2 = 500mm ; d3 = 800mm ; d4 = 500mmvào A,B,C ta có: ¿
CHƯƠNG 2: Thiết kế quỹ đạo ở động cơ
1.Phương Trình quỹ đạo chuyển động của các khớp Robot dưới dạng đa thức bậc 3:
Gia tốc điểm xét: q ´ (t ) = 6a3.t + 2a2 Gọi thời điểm lúc đầu là t0, thời điểm kết thúc là tf Chọn vận tốc đầu và vận tốc cuối bằng 0, ta có q ´( t 0)=´ q( t f ) = 0
Khi đó ta có điều kiện đầu cuối là: q(t0) = a0 = q0 (1) q(tf) = a3.tf 3 + a2.tf 2 +a1.tf + a0 = qf (2) q´(t 0 ) = a1 = q ´ 0 (3) q´(t f ) = 3a3.tf 2 + 2a2.tf +a1 = q ´ f (4)
Từ (1),(2),(3),(4) ta giải ra được: { a a 2 =−3 3 =2 a a 0 1 = =0 q q q 0 t −q 0 0 t f −q 3 f 2 f f
Từ 4 hệ số trên ta sẽ có quỹ đạo đa thức (3) rồi từ đó xác định vị trí của các khớp tại thời điểm bất kì Những giá trị đó là tín hiệu đặt cho bộ điều khiển vị trí để truyền động khớp di chuyển đến vị trí tương ứng.
2.Ví dụ về thiết kế quỹ đạo bậc 3 cho Robot
Bài toán ví dụ: thiết kế quỹ đạo chuyển động cho robot từ vị trí A đến vị trí B trong khoảng thời gian 5s với điểm A (800 0 0) đến vị trí điểm B(-150 200√ 3 -300)
Từ phương trình động học ngược ta tính được giá trị các biến khớp tại các điểm A,B
Theo các công thức tính hệ số đã giải ở trên ta xác định được các hệ số của các khớp:
Từ các phương trình trên ta tính được: a0 = 0 ;a1 = 0 ;a2 = 8,16 ;a3= -1,088;
Ta tính được các phương trình: θ 1 =8,16t 2 −1,088t 3 θ´ 1 (t),32t−3,264t 2 θ´ 1 (t),32−6,528t
- Khớp 2:làm tương tự như khớp 1 ta được: a0 = 0; a1 =0; a2 ,64; a3 = -2,752
Ta tính được các phương trình: θ 1 ,64t 2 −2,752t 3 θ´ 1 (t)A,28t−8,256t 2 θ´ 1 (t)A,28−8,256t
- Khớp 3: làm tương tự như khớp 1 ta được: a0 = 0; a1 = 0; a2 = -24; a3 = 3.2
Ta tính được các phương trình: θ 1=−24t 2 +3,2t 3 θ´ 1 (t)=−48t+9,6t 2 θ´ 1 (t)=−48+19,2t
- Khớp 4:làm tương tự như khớp 1 ta được: a0 =0; a1=0; a2= -0,96; a3 = 7,2
Ta tính được các phương trình: θ 1=−0,96t 2 +7,2t 3 θ´ 1 (t)=−1,92t+21,6t 2 θ´ 1 (t)=−1,92+43,2t
CHƯƠNG 3: TÌM HIỂU CẤU TRÚC PHẦN CỨNG, HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY
CNC 3.1 CẤU TRÚC PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC
3.1.1 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.
Mục 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 thốngCAM 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
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
- Nút điều chỉnh tỷ lệ tốc độ
- Chuyển đổi tốc độ quay
- Nút xử lý trục chính
- Nút bắt đầu chu trình
- Phần sửa đổi chương trình
Lock/Unlock key - Door Interlock key.
3.1.4 Cấu trúc 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
TÌM HIỂU CẤU TRÚC PHẦN CỨNG, HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC
CẤU TRÚC PHẦN CỨNG BỘ ĐIỀU KHIỂN CNC
3.1.1 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.
Mục 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 thốngCAM 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
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
- Nút điều chỉnh tỷ lệ tốc độ
- Chuyển đổi tốc độ quay
- Nút xử lý trục chính
- Nút bắt đầu chu trình
- Phần sửa đổi chương trình
Lock/Unlock key - Door Interlock key.
3.1.4 Cấu trúc 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
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
Hình 3.3 Cấu trúc hoạt động của hệ thống CNC
“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
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 điều 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
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC
Đối với hệ thống điều khiển máy công cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là làm sao từ các dữ liệu của chương trình đã lập của người dùng, bộ điều khiển tiến hành xử lý, tính toán và phát lệnh đến các đông cơ dẫn động bàn máy và trục chính thực hiện các dịch chuyển cần thiết để tạo ra hình dáng hình học của chi tiết cần gia công với độ chính xác nhất định một cách tự động hoàn toàn
Khi vận tốc thực và vị trí thực được các sensor nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ servo dùng trong các máy CNC liên tục được điều khiển sao cho sai số vận tốc hoặc sai số vị trí giữa vị trí cần và vị trí thật là nhỏ nhất Hệ thống hồi tiếp đầy đủ nhất sẽ bao gồm 3 vòng lặp điều khiển độc lập điều khiển các trục của máy (hình 3.7) Vòng ngoài cùng nhất là vòng hồi tiếp vị trí, vòng giữa là vòng hồi tiếp vận tốc, và vòng trong cùng là vòng lặp về dòng điện Nói chung, vòng lặp điều khiển vị trí được bố trí trong hệ NC, do hệ NC đảm nhận, các vòng lặp khác đặt ngay trong thiết bị dẫn động servo Tuy nhiên cũng không có quy định thống nhất nào về vị trí của các vòng lặp điều khiển Chúng phụ thuộc vào nhà thiết kế máy công cụ CNC
Hình 3.12 Ba loại vòng lặp điều khiển trong máy CNC
Nếu phân loại dựa theo phương pháp mà hệ điều khiển xác định và kiểm tra vị trí, người ta chia hệ thống điều khiển thành 4 loại sau:
- Điều khiển chu trình hở (open loop)
- Điều khiển theo chu trình nửa kín (semi-closed loop)
- Điều khiển chu trình kín (closed loop)
- Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop)
Phần lớn các máy công cụ CNC có độ chính xác cao được trang bị bộ điều khiển chu trình đóng và nó kiểm soát vị trí dịch chuyển dụng cụ cắt chính xác hơn, do đó chất lượng gia công chi tiết tốt hơn Tuy nhiên điều khiển theo chu trình hở vẫn còn sử dụng ở các máy CNC có độ chính xác vị trí thấp hoặc các máy có mômen cản sinh ra trên động cơ đẫn động bàn máy là nhỏ và giá trị ổn định (ví dụ máy gia công tia lửa điện điện cực dây hoặc điện cực định hình) để giảm giá thành chế tạo a) Hệ thống điều khiển chu trình hở Ở hệ thống điều khiển chu trình hở, dữ liệu chương trình gia công nhập được đưa vào bộ điều khiển MCU (machine control unit) (xem hình 3.8) Nó giải mã thông tin và lưu trữ trong bộ nhớ cho đến khi người vận hành bấm nút bắt đầu chạy chương trình.Từng lệnh của chương trình được chuyển đổi sang các xung điện một cách tuần tự và tự động để gửi tới bộ điều khiển, kích hoạt và điều khiển các động cơ servo Lượng dịch chuyển của động cơ hay nói cách khác là bàn máy phụ thuộc vào số xung điện (electric pulses) mà động cơ nhận được
Hình 3.13 Hệ thống điều khiển theo chu trình hở
Hệ thống này khá đơn giản vì không có mạch hồi tiếp (feedback), tuy nhiên không có cách nào để kiểm tra xem động cơ servo có dịch chuyển (quay) đúng theo lệnh đã được yêu cầu hay không, tức là chúng không có mối liên hệ ngược Do vậy hệ thống điều khiển chu trình hở không thể áp dụng cho các máy CNC gia công cơ có độ chính xác lớn hơn 0,02 mm hoặc có lực cắt trong quá trình gia công lớn Đối với loại điều khiển này động cơ servo là các động cơ một chiều kiểu động cơ bước (stepper motor) Độ chính xác gia công chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác chuyển động của động cơ bước, vítme và hệ thống truyền động Khi mômen quay nhỏ và ít thay đổi thì độ chính xác dịch chuyển khá cao, do vậy các máy gia công tia lửa điện hiện nay vẫn sử dụng điều khiển theo chu trình hở b) Bộ điều khiển chu trình nửa kín Điều khiển chu trình nửa kín là loại hệ thống điều khiển phổ biến có cấu trúc như hình 3.15 Với loại này, thiết bị kiểm tra vị trí được lắp vào trục của động cơ servo và chúng kiểm tra góc quay Độ chính xác cuối cùng (chuyển động của bàn máy) phụ thuộc khá lớn và độ chính xác của trục vitme Vì thế, trục vít me bi có độ chính xác cao được dùng trong hệ truyền động cho bàn máy Khi cần thiết, một số máy hệ NC còn cho phép bù trừ sai số của bước vít me và khe hở của trục vitme để tăng độ chính xác Bù trừ sai số bước vít me bằng cách hiệu chỉnh chỉ thị đến hệ dẫn động servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy Bù trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi dấu, một lượng xung tương ứng với khe hở được gửi đến hệ điều khiển động cơ servo để hiệu chỉnh
Hình 3.14 Điều khiển chu trình nửa kín c) Điều khiển chu trình kín (closed loop system)
Mặc dù bộ điều khiển chu trình nửa kín có thể thể bù trừ sai số bước vitme và he hở vitme nhưng nói chung khó đạt được độ chính xác cao khi ảnh hưởng của khe hở sẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia công Độ mòn của trục vít me cũng khác nhau tại các vị trí khác nhau Khe hở của vitme cũng thay đổi theo nhiệt độ Thêm vào đó, chiều dài của trục vitme cũng bị giới hạn so với các máy có yêu cầu hành trình lớn Khi đó cơ cấu bánh răng thanh răng được sử dụng đối với các máy có kích thước lớn Tuy nhiên, độ chính xác của cơ cấu bánh răng thanh răng thường kém Do vậy, điều khiển chu trình kín sử dụng trong trường hợp này sẽ khắc phục được sai số của vitme hoặc bánh răng thanh răng
Hình 3.15 Hệ thống điều khiển theo chu trình kín (có hồi tiếp vị trí và tốc độ)
Trong hệ thống điều khiển chu trình kín, thiết bị giám sát vị trí được lắp trên bàn máy và vị trí thực của bàn máy được hồi tiếp về hệ điều khiển Chu trình kín và chu trình nửa kín khá giống nhau ngoại trừ vị trí của thiết bị giám sát vị trí (gọi là linear scale) được lắp ở bàn máy hay ở trục của động cơ và độ chính xác của thiết bị nhận biết vị trí của hệ điều khiển chu trình kín rất cao.