bo dieu khien thong minh

Hình 1.2: Sơ đồ máy thông minh của dự án INC Để có thể nghiên cứu các tính chất của bộ điều khiển này cần có các cơ cấu chấp hành nhiều cấp đặc trưng cho một hệ thống phức tạp trong ngà

1.1.1 Giới thiệu đề tài nghiên cứu

Hiện nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, các quá trình sản xuất phức tạp được thực hiện một cách linh hoạt và chính xác

Sự phát triển và những thành tựu của công nghiệp thông tin cho phép chúng ta có thể giám sát trực tuyến hiện trạng của các hệ thống sản xuất và gia công phức tạp Không những thế người ta còn điều khiển được các quá trình cũng như hệ thống gia công hoạt động để đạt được những mục tiêu mong muốn

Như chúng ta đều rõ vai trò của máy công cụ để chế tạo ra các thiết bị máy móc khác Máy phay là một trong những máy công cụ phức tạp về kết cấu cũng như điều khiển, được áp dụng nhiều trong sản xuất

Hiện nay máy công cụ CNC ra đời đã đem lại những hiệu quả to lớn Tuy nhiên với những bộ điều khiển thông thường thì khó đạt được các chỉ tiêu mong muốn về chất lượng cũng như năng suất khi mà các yếu tố ngẫu nhiên luôn thay đổi và ảnh hưởng đến hệ thống gia công Chính vì lẽ đó mà bộ điều khiển CNC thông minh đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu

Với ưu việt nổi trội của bộ điều khiển CNC thông minh ngoài việc áp dụng cho các máy công cụ nó còn đang được nghiên cứu để áp dụng vào cho các quá trình sản xuất và hệ thống gia công phức tạp khác

Do vậy việc nghiên cứu để thiết kế và chế tạo bộ điều khiển thông minh cho máy phay CNC là cấp thiết

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới việc nghiên cứu bộ điều khiển thông minh đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là việc nghiên cứu trong lĩnh vực ứng dụng trên máy

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 2

CNC Trong quá trình nghiên cứu các tác giả đã đưa ra một số khái niệm về máy thông minh

Cho đến nay, có khá nhiều định nghĩa về máy công cụ thông minh Trong cuốn sách viết năm 1988, Wright và Bourne đã đưa ra một số ý tưởng và mức độ thông minh cho máy công cụ Nacsa J [1, 2, 3, 4] đã tổng quan lại những công trình nghiên cứu liên quan đến máy công cụ thông minh Trong các bài báo này đã đưa ra những nhu cầu thương mại về máy công cụ thông minh theo dự báo của Wright từ năm 1988 và cho đến nay Monostoris lại phân loại các máy thông minh thành 3 phần:

Điều khiển giám sát dụng cụ

Mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của máy

Điều khiển thích nghi

Hệ thống gia công thông minh đầu tiên được trình bày bởi K Mori và Kasashina vào

năm 1993 có tên gọi là thiết bị MEL-MASTER ( Hình 1.1)

Hình 1.1: Hệ thống thiết bị

MEL-MASTER

Máy công cụ thông minh đang được nghiên cứu ở phòng thí nghiệm Kakino, trường

đại học Kyoto (Nhật Bản), từ dự án đầu tiên về điều khiển số thông minh (INC) Dự án INC được bắt đầu từ năm 1997 và vẫn đang tiếp tục nghiên cứu

• Giai đoạn đầu tiên từ năm 1997÷2000 là nghiên cứu về máy khoan thông minh

• Giai đoạn thứ hai từ năm 2000 ÷ 2002 là nghiên cứu quá trình ta rô và phay thông minh

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 3

• Giai đoạn thứ ba từ năm 2002 trở đi là nghiên cứu các quá trình gia công khác

• Từ năm 1997 nhóm nghiên cứu của Giáo Sư Kakino đã công bố nhiều bài báo về các máy công cụ thông minh cho các quá trình khoan, ta rô Nguyên lý điều khiển thông minh quá trình khoan được thể hiện qua sơ đồ tổng thể hình 1.2

Hình 1.2: Sơ đồ máy thông minh của dự án INC

Để có thể nghiên cứu các tính chất của bộ điều khiển này cần có các cơ cấu chấp hành nhiều cấp đặc trưng cho một hệ thống phức tạp trong ngành chế tạo máy Theo Atsuhi Matsubara, Soichi IBARAKU và Yoshiaki KaKINO ở trường Kyoto, máy khoan thông minh được thể hiện ở 3 mức điều khiển sau:

Mức 1 : Điều khiển dòng điện, vận tốc, vị trí

Mức 2 : Điều khiển lực cắt

Mức 3: Điều khiển trực tuyến và không trực tuyến

Ngoài ra theo Yoshiaki Kakino máy thông minh có hai loại: feedback, hoặc feedforward

Còn theo Altintas, Đại học British Columbia Canada thì cấu trúc chung phần cứng

của máy thông minh chỉ ra trên hình 1.3

Lực, rung động, nhiệt độ, được sensor gắn trên máy nhận biết

3 thành phần tạo nên chuyển động cắt

Hình 1.3 : Cấu trúc của hệ thống máy thông minh cuả Altintas

Hệ thống gia công thông minh này có thể đáp ứng các yêu cầu thông minh khác nhau như: Điều khiển thích nghi, giám sát điều kiện gia công và điều khiển quá trình

Theo Altintas, trong máy phay thông minh cần phải có:

Phần cứng là một máy phay CNC truyền thống

Các cảm biến khác nhau để nhận biết về tiếng ồn, rung động, lực cắt,…

Bộ điều khiển giám sát

Bộ điều khiển CNC

Hệ thống gia công thông minh do Dharan và Won [5] đề xuất bao gồm một trung tâm

gia công truyền thống được trang bị thêm các cảm biến lực, cảm biến vị trí và bộ điều khiển thông minh để điều khiển quá trình khoan vật liệu composite

Ozaki và Sheng nghiên cứu quá trình khoan vật liệu composite trên trung tâm gia công

NAOSSURA MC 510-VSS được tích hợp với các cảm biến lực Kistler 9271A và bộ điều khiển thông minh

N.K.Mehta Viện kỹ thuật Roorkee- Ấn độ đưa ra mô hình điều khiển thông minh cho

quá trình tiện (Hình 1.4)

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 5

Hình 1.4: Mô hình điều khiển thích nghi khi gia công tiện

Tae Young Kim và Jongwon Kim ( Đại học quốc gia Seoul- Hàn quốc ) nghiên cứu giới

thiệu bộ điều khiển thích nghi lực cắt cho quá trình phay (Hình 1.5)

Hình 1.5: Sơ đồ máy phay CNC ngang có điều khiển thích nghi

Ngoài ra còn rất nhiều các công trình nghiên cứu tại các nước khác như : Thụy Điển, Trung Quốc v.v Qua các công trình này chúng tôi nhận thấy hệ thống gia công thông minh có thể đáp ứng các yêu cầu thông minh khác nhau như: Điều khiển thích nghi, giám sát và điều khiển quá trình gia công

Ở trong nước đã có những nghiên cứu về lĩnh vực máy gia công thông minh ở Viện máy công cụ IMI, Viện kỹ thuật quân sự Các công trình nghiên cứu này đã đạt được những kết quả nhất định như giám sát quá trình gia công, điều khiển thích nghi khi thông số lực cắt vượt quá giá trị cho phép

Có lẽ mọi tiêu chí về điều khiển thông minh, hệ thống thông minh và bộ điều khiển thông minh có thể được kiểm định bởi hoạt động của hệ thống gia công thông minh, vì vậy chính bộ điều khiển thông minh sẽ quyết định tính thông minh của hệ thống

Có cảm biến

Các vòng lặp điều khiển

Cấu trúc mở

Điều khiển thích nghi

Điều khiển dùng Neural

Điều khiển dùng Fuzzy

Điều khiển giám sát

Cấu trúc của một hệ thống gia công thông minh bao gồm hệ thống gia công CNC được điều khiển bởi bộ điều khiển thông minh

Bộ điều khiển thông minh CNC là bộ phận quan trọng nhất quyết định khả năng đạt mục tiêu của một hệ thống gia công thông minh

1.1.4 Mục đích và nội dung nghiên cứu

Mục đích chính của đề tài là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển CNC thông minh cho một máy phay

Tuy nhiên nếu chỉ có bộ điều khiển thì chúng ta không thể nghiên cứu thử nghiệm cũng như đánh giá hiệu quả của bộ điều khiển này Chính vì lẽ đó mục đích tổng thể của đề tài là thiết kế và chế tạo bộ điều khiển cho máy CNC thông minh, tích hợp và điều khiển máy phay CNC

Để đạt được mục tiêu này chúng tôi thấy cần nghiên cứu những nội dung sau đây: Nghiên cứu tổng quan tài liệu về điều khiển thông minh cũng như hệ thống gia công thông minh

Xác định cấu trúc của máy phay CNC thông minh

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 7

Nghiên cứu phần cứng máy phay CNC và phần mềm điều khiển

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ điều khiển thông minh trên cơ sở điều khiển thích nghi

Phân tích lựa chọn chỉ tiêu để điều khiển thích nghi

Nghiên cứu điều khiển quá trình phay dùng Neural

Nghiên cứu thực nghiệm điều khiển thích nghi quá trình phay và quá trình điều khiển dùng neural

1.2 CẤU TRÚC CỦA MÁY PHAY CNC THÔNG MINH

1.2.1 Sơ đồ cấu trúc máy phay CNC thông minh

Cấu trúc của máy phay CNC thông minh được mô tả cụ thể trên hình 1.6

Lực cắt tham chiếu CNC

Máy tính 1 + CNC Controller

Card PCL -812PG

Điều chỉnh

lượng chạy dao

Luợng chạy dao Lực kế

Hình 1.6: Cấu trúc của máy phay CNC thông minh

Hệ thống bao gồm có các bộ phận sau đây:

Máy phay CNC 3 trục với bộ điều khiển PC-based được xây dựng trên nền card điều khiển chuyển động PCI-7344: Đây là một máy phay CNC 3 trục hoàn chỉnh, có đầy đủ các chức năng của các máy CNC thông thường Ngoài ra phần mềm điều khiển còn có khả năng nhận tín hiệu hồi tiếp từ máy tính, xử lý tín hiệu lực cắt và hiệu chỉnh trực tuyến tốc độ chạy dao

Lực kế đo lực cắt theo 3 phương X,Y,Z

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 8

Phần thu nhận và xử lý tín hiệu cảm biến lực cắt: Phần này có chức năng thu nhận, lọc, khuyếch đại và xử lý các tín hiệu từ cảm biến lực cắt, tính toán và đưa

ra các giá trị mới của lượng chạy dao Hoạt động của hệ thống này được mô tả theo sơ đồ hình 1.7

Hình 1.7 : Sơ đồ máy phay thông minh thực hiện

tại trường ĐH.Bách Khoa.TPHCM

Quá trình lập trình và giám sát có thể thực hiện trên bộ điều khiển cấu trúc mở (OAC), ở đây chúng tôi thực hiện cấu trúc mở về phần mềm, quá trình lập trình, gia công, giám sát và điều khiển thích nghi được thực hiện trên máy CNC có cấu trúc OAC để có thể cùng một lúc chạy chương trình và điều khiển thay đổi thông số công nghệ của quá trình gia công Chi tiết được thể hiện ở dạng 3D, sau đó chuyển sang ngôn ngữ máy

Lập trình đường chạy dao: Các phần mềm CAM có khả năng tạo ra các đường chạy dao cho bất kỳ chi tiết nào Việc chế tạo cần phải phân tích từ các yêu cầu kỹ thuật của chi tiết, các đường chạy dao, khả năng của máy CNC và quyết định các thông số hình học của dao và các thông số công nghệ của quá trình gia công

Mô hình hóa hình học và cơ chế cắt: Mô phỏng quá trình gia công của chi tiết và dụng cụ cắt được thực hiện, lượng chạy dao và tốc độ trục chính Biết loại dao và các thông số công nghệ sẽ tính được lực cắt Giá trị lực cắt phải đảm bảo cho lưỡi cắt và chi

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 9

tiết không có hiện tượng quá nhiệt và bị mòn Giữa lực cắt và lượng chạy dao có mối quan hệ với nhau

Bộ điều khiển trung tâm: Máy CNC có cấu trúc OAC, thu thập dữ liệu và phối hợp dữ liệu cùng với việc chạy dữ liệu xảy ra đồng thời Ví dụ như: Lực cắt, lượng chạy dao, tốc độ trục chính được thu thập trong khoảng một miligiây bởi OAC từ các cảm biến khác nhau trên máy, và lưu trữ lại như là biến trong thời gian thực của máy Các dữ liệu này có thể được giữ cho hệ thống điều khiển thích nghi và cho mô hình điều chỉnh Chương trình chạy bởi máy CNC bao hàm lượng chạy dao xác định thông qua việc dùng mô hình quá trình Do vậy chúng ta cố gắng thu nhận lực với giá trị cực đại cho phép, điều này rất quan trọng để đảm bảo môø hình dự đoán lực là chính xác Chúng thực hiện so sánh lực đo được với lực dự đoán trong suốt quá trình gia công Nếu sự khác nhau này có thì hệ thống có thể tăng hoặc giảm lượng chạy dao trong thời gian điều khiển thực hoặc thay đổi lượng chạy dao trong chương trình

Mô hình điều chỉnh và điều khiển thích nghi: Mô hình điều chỉnh và điều khiển lực là cần thiết khi việc xác định lực cắt là khác nhau đáng kể từ các giá trị lực đo được Điều này là do độ không chính xác của mô hình tính toán, độ mòn dụng cụ, sự thay đổi hướng gia công, thay đổi độ cứng của vật liệu chi tiết và nhiều ảnh hưởng khác có thể gây ra độ không chính xác Chúng ta có hai cách để điều chỉnh lực cắt đạt đến giá trị lớn nhất cho phép là mô hình điều chỉnh và điều khiển thích nghi Mô hình điều chỉnh là phương pháp trực tuyến để tính toán và cập nhật lượng chạy dao của quá trình gia công để thay đổi chúng Thuật toán bình phương nhỏ nhất trực tuyến để xác định hằng số Dữ liệu lực từ OAC được thích hợp với các thông số hình học của dao và được sử dụng là đầu vào của thuật toán xác định Một số mới đã được xác định, chương trình lượng chạy dao sẽ tính toán lại Chương trình mới sẽ được tải tới OAC để thay đổi chương trình Mặt khác chú ý rằng ở đây chỉ điều chỉnh lượng chạy dao của OAC thông qua việc sử dụng thông số Feedrate Override Thông số này tồn tại trong cơ sở dữ liệu của OAC và thực hiện cùng một chức năng như Feedrate Overide pot

Việc điều khiển thích nghi cung cấp gần như điều khiển lực ngay lập tức Việc thu nhận các giá trị lực đo được trực tuyến được so sánh với lực mong muốn và điều chỉnh

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 10

lượng chạy dao dựa vào sự khác nhau giữa chúng Đó là điều quan trọng để chú ý rằng hệ thống vòng kín này không duy trì điều khiển trên toàn bộ các lượng chạy dao Nó chỉ thay đổi trong mô hình đã chọn lượng chạy dao theo phần trăm sự thay đổi

1.2.2 Sơ đồ bộ điều khiển thông minh

Để thực hiện thiết kế máy phay CNC thông minh thì bộ điều khiển đóng một vai trò quan trọng Sơ đồ của bộ điều khiển thích nghi được trình bày trên hình 1.8

Hình 1.8: Sơ đồ bộ điều khiển thông minh 1.3 MÁY PHAY VÀ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN

1.3.1 Giới thiệu chung

Máy phay CNC là một dạng máy công cụ được điều khiển theo chương trình số Trước đây hệ điều khiển NC cũng là hệ điều khiển theo chương trình số nhưng có nhược điểm là kém linh hoạt Điều này làm tăng thời gian phụ (Thời gian dừng máy ) Ngày nay các hệ thống điều khiển này được thay thế ngày càng rộng rãi bằng các hệ thống điều khiển CNC Đặc điểm chính của hệ thống điều khiển CNC là có sự tham gia của máy vi tính hay dùng PLC kết hợp với các phần mềm hỗ trợ CAD/CAM mạnh Thông thường chúng sử dụng các động cơ servo hay động cơ AC để điều khiển, còn động cơ bước ít được sử dụng Như vậy, máy phay CNC là một máy phay có cấu tạo về bản thân máy giống như là một máy phay truyền thống nhưng thay vì trước đây là điều khiển bằng tay hoặc hệ điều khiển NC thì nay lại được điều khiển bởi hệ điều khiển CNC Trong các hệ thống điều khiển này có một phần mềm chương trình hệ thống CNC do

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 11

nơi chế tạo máy đó cài đặt vào trong máy tính Thông qua các phần mềm riêng lẻ mà các chức năng CNC riêng lẻ được thực hiện Với việc ứng dụng máy vi tính vào trong điều khiển làm cho hệ thống điều khiển CNC linh hoạt hơn, tối ưu hơn Quá trình thực hiện gia công chi tiết được giảm thời gian gia công và giá thành gia công Đồng thời làm cho việc gia công các bề mặt phức tạp trở nên đơn giản hơn với độ chính xác và độ tin cậy cao

Tùy từng loại máy phay CNC mà công suất và độ chính xác khi gia công khác nhau (Độ chính xác có thể đạt tới µm), với những máy CNC hiện đại luôn có hộp chứa dao có số lượng dao lớn và tự động thay dao khi ra lệnh thay dao Còn những máy CNC loại thường không có hộp chứa dao thì khi muốn thay dao thì người điều khiển máy phải thay bằng tay

Bộ điều khiển CNC đóng vai trò là bộ não của một máy CNC Bộ điều khiển thu nhận tất cả các thông tin (Chương trình, biến trạng thái, …), xử lí và điều khiển nội suy các chuyển động, các thiết bị ngoại vi để đáp ứng các yêu cầu của người điều khiển Hình 1.9 thể hiện rõ vị trí và chức năng của bộ điều khiển

BÀN MÁYVÍT ME / ĐAI ỐC

BỘ KHUẾCH ĐẠI TRỤC CHÍNH

CÁC THIẾT BỊ NGOẠI VI

Hình 1.9: Sơ đồ chức năng

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 12

Trong hệ thống điều khiển CNC thông tin về quá trình gia công (Hình dáng, bề mặt gia công, tốc độ chạy dao ) cũng được mã hoá dưới dạng các ký tự và các con số Việc nhập dữ liệu chương trình gia công trong hệ thống CNC có thể đưa vào trong hệ thống điều khiển thông qua bảng điều khiển của hệ thống điều khiển số Xử lý dữ liệu và đưa dữ liệu ra đối với chương trình gia công đã đưa vào có thể gọi ra bất cứ lúc nào từ bộ phận lưu giữ chương trình gia công

Việc sửa chữa thay đổi và tối ưu hóa một chương trình có thể tiến hành bất kỳ lúc nào ngay tại máy, các câu lệnh có thể bổ sung thay đổi lại Việc kiểm tra tính toán nhận biết mã và tách ra thành các dữ liệu hình học và các dữ liệu công nghệ do chương trình giải mã đảm nhiệm Việc nội suy các số liệu về quỹ đạo gia công do thiết bị nội suy phần cứng đảm nhiệm

Việc nội suy các số liệu về quỹ đạo gia công do thiết bị nội suy phần cứng đảm

nhiệm

Nhờ các phần mềm và bằng các cách truyền dữ liệu trực tiếp với hệ thống điều khiển cho phép chúng ta đưa chương trình vào một cách nhanh chóng và tránh được các sai sót về lập trình vẫn thường xảy ra trong các thế hệ điều khiển NC trước đây

1.3.2 Sơ đồ điều khiển của máy đã thưc hiện

Sau khi phân tích các phương án cũng như tình hình thực tế chúng tôi đã thiết kế sơ đồ điều khiển máy được trình bày trên hình 1.10

PCI-7344 PCL812PG

TRỤC CHÍNH BÀN MÁY

CHI TIẾT LỰC KẾ

Hình 1.10: Sơ đồ khối điều khiển máy

Trong khuôn khổ đề tài, bộ điều khiển phay máy CNC 3 trục được xây dựng trên nền

một máy PC gắn thêm mạch điều khiển chuyển động PCI-7344 của National Instruments Corp (NI) Các cụm công suất và motor điều khiển các trục X,Y,Z sử dụng

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 13

loại DC servo của FANUC, trục chính quay dao sử dụng motor 3P (induction) điều khiển tốc độ bằng biến tần Fuji Frenic 5000G, các thiết bị ngoại vi điều khiển bằng PLC Mitsubishi Fx1S

Phần mềm điều khiển được phát triển trên nền Visual C++ 6.0 sử dụng thư viện API của NI để điều khiển nội suy các chuyển động

Các thiết bị ngoại vi được điều khiển bằng giao tiếp PC-PLC PCI-7344 của NI Corp sẽ tích hợp hai bộ điều khiển servo và step motor Cả hai hỗ trợ đầy đủ việc lập trình điều khiển chuyển động cho phép điều khiển tối đa 4 trục đồøng thời và độc lập

Các cổng I/O được tích hợp sẵn như các công tắc giới hạn hành trình, các công tắc hỗ trợ cho việc thiết lập gốc tọa độ (Set home) máy và một số cho các mục đích chung khác Ta có thể sử dụng PCI-7344 để điều khiển điểm-điểm, di chuyển theo vector hay các chuyển động phức tạp bất kỳ

Với bộ điều khiển servo ta có thể điều khiển động cơ servo, servo thủy lực, servo van và các thiết bị servo khác

1.3.3 Giới thiệu các phần tử của hệ thống

1.3.3.1 Giới thiệu phần cơ của máy

Hình ảnh máy thực hiện nghiên cứu được trình bày trên hình 1.11

Hình 1.11: Máy ENSHU-FANUC 330D

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 14

Phần cơ máy phay là phần cơ của một máy phay hiệu ENSHU-FANUC 330D, máy có các đặc tính sau:

Dạng máy: Máy phay 3 trục dạng bàn nâng

Tầm máy: XYZ=650x350x400mm

Cơ cấu chuyển động dùng Visme đai ốc bi

Motor: FANUC DC servo nắp vàng model 5M dạng A06B-0642-8003

Spindle: Motor Hitachi 2.1 KW truyền động đai 16 cấp tốc độ

1.3.3.2 Giới thiệu các motor và driver fanuc

Motor: Đây là loại DC servo của hãng FANUC được sản xuất vào đầu những năm 80

và là dòng DC servo cuối cùng của hãng FANUC Nguyên thủy trên mỗi motor này có gắn bộ bộ phát tốc và một cảm biến vị trí resolver Do card điều khiển PCI-7344 không hỗ trợ resolver nên chúng tôi đã thay bằng 3 encoder của hãng OMRON (Hình 1.12)

Hình 1.12: Động cơ DC của FANUC và encoder Driver: Đây là các driver đi kèm nguyên bộ với các motor trên do vậy về mặt tương

thích giữa driver và motor là chắc chắn Các driver này điều khiển motor dưới dạng điều tốc nên tín hiệu hồi tiếp tốc độ từ các bộ phát tốc đưa về các driver Các driver nhận tín hiệu điều khiển từ card điều khiển PCI-7344 dưới dạng analog ±10V Đây là loại A4L-0001-0094 fanuc 342658 (Hình 1.13) và sơ đồ nguyên lý làm việc trình bày trên hình 1.14

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 15

Hình 1.13: Driver A 44L-0001-0094

Hình 1.14: Sơ đồ khối của Driver

1.3.3.3 Giới thiệu biến tần fuji FRENIC 5000G (Hình 1.15)

Đây là loại biến tần hiện đại của hãng FUJI-Nhật có các đặc tính sau:

Có nhiều chức năng điều khiển theo vector

Điều khiển theo V/f hay vector đối với các motor đồng bộ

Điều khiển vector cho các motor chuyên biệt đạt đến những đặc tính nổi trội trong công nghiệp như: Độ chính xác trong điều khiển tốc độ ±0,005%, đáp ứng

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 16

tốc độ 100Hz, đáp ứng dòng điện 800Hz, độ chính xác trong điều khiển môment (Độ tuyến tính) là ±3%

Biến tần sử dụng trong máy để điều khiển motor trục chính là loại Hitachi 2.1KW, tốc độ trục chính quay tuyến tính từ 100-4000 vòng/phút

Hình 1.15: Biến tần FUJI FRENIC 5000G và sơ đồ nối dây

1.3.3.4 Giới thiệu PLC MITSUBISHI FX1S

Cũng như các đời PLC họ FX khác của hãng Mitsubishi, họ FX1s cũ có bộ nguồn, CPU, các phần tử I/O được tích hợp trong một khối nhỏ gọn Điều này làm giảm giá thành, tăng khả năng của hệ thống Đây là loại PLC nhỏ nhất của Mitsubishi Ngoài ra PLC họ FX1s còn có khả năng nổi trội khác là khả năng truyền thông với các thiết bị khác thông qua cổng giao tiếp RS_232C, RS_485 với sự hỗ trợ của các phụ kiện thích hợp Trong hệ thống, PLC được gắn thên card kết nối FX1N-232BD để giao tiếp với máy tính thông qua chuẩn giao tiếp “Computer link” của Mitsubishi (RS-232C, RS-485

FX COMMUNICATION USER'S MANUAL)

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 17

Hình 1.16: PLC mitsubishi fx1s

Mitsubishi “Computer link”:

“Computer link” là một trong bốn kiểu truyền thông của PLC Mitsubishi (N:N Network, Parallel link, Computer link, No Protocol) Có hai dạng “Computer link”:Sử dụng RS-

485 Sơ đồ kết nối của kiểu truyền thông CL được thể hiện trên hình sau:

Hình 1.17: Sơ đồ kết nối dây của kiểu truyền thông Computer link

Với kiểu truyển thông này ta có thể kết nối tối đa 16 trạm PLC song song với nhau bằng chuẩn giao tiếp RS-485 Mỗi một PLC muốn liên kết mạng phải gắn thêm một mạch giao tiếp RS-485 tương ứng tùy theo loại PLC (FX1N + FX1N-485-BD, FX1S + FX1N-485-BD, FX2N + FX2N-485-BD, …) Chuẩn giao tiếp RS-485 sẽ được chuyển thành chuẩn RS-232C thông qua bộ chuyển đổi FX-485PC-IF để liên kết với cổng COM của máy tính

Hình 1.18: Bộ chuyển đổi FX-485PC-IF

Bằng kiểu kết nối này chúng ta có thể nối bất kỳ một PLC họ FX nào với máy tính để trao đổi dữ liệu hoặc để điều khiển trực tiếp một PLC Tùy loại PLC ta phải gắn

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 18

thêm một thiết bị giao tiếp tương ứng Chúng tôi đã dùng kiểu truyền thông “Computer link” dạng RS-232 để liên kết máy tính với một PLC FX1S30MT có gắn card giao tiếp FX1N-232BD làm thiết bị I/O Lưu đồ quá trình giao tiếp với PLC (Hình 1.19)

BẮT ĐẦU

ĐỌC CÁC NGÕ VÀO TỪ PLC LƯU VÀO CÁC BIẾN

CẦN TÁC ĐỘNG NGÕ RA?

TÁC ĐỘNG NGÕ RA

Hình 1.19: Lưu đồ giao tiếp với PLC

Phần cấu trúc một câu lệnh, đọc các ngõ vào, tác động một ngõ ra (Phụ lục 1.1)

1.3.3.5 Giới thiệu bàn phím và bảng điều khiển

Panel điều khiển máy CNC thông thường gồm:

Màn hình hiển thị trạng thái hoạt động của máy (Tọa độ, chương trình, các thông số gia công, …)

Một bàn phím nhập chữ, số

Các nút điều khiển (Chọn chế độ hoạt động, tắt mở dung dịch trơn nguội, chạy các trục, …)

Màn hình có thể ở dạng đơn giản là LED 7 đoạn, màn hình CRT, màn hình tinh thể lỏng Bàn phím chữ và số thông thường là các phím nhấn Các nút điều khiển có thể là các núm xoay (Rotary switches), các nút nhấn (Push button), các nút bật tắt (toggle

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 19

switches) hay màn hình chạm, tùy vào từng loại máy, bộ điều khiển Nói chung xu hướng là sử dụng các phím nhấn mềm (Soft keys), màn hình chạm (Touch screen) Bộ điều khiển đề tài thực hiện là dạng PC-based nên màn hình sử dụng là loại màn hình CRT 14” của máy để bàn thông thường Loại này có ưu thế là tương đối rẻ, dễ mua, tuổi thọ cao Nếu có điều kiện ta có thể dễ dàng thay bằng loại màn hình tinh thể lỏng cho đẹp và gọn hơn

Bàn phím và các nút điều khiển tổng cộng có khoảng 78 tín hiệu input Nếu thực hiện mạch điện thông thường đủ để nhận các tín hiệu này sẽ mất rất nhiều công sức Nhóm thực hiện đã chọn giải pháp sử dụng một bàn phím máy tính thông thường tách bỏ phần vỏ, nút nhấn chỉ giữ lại phần mạch điều khiển, sau đó thiết kế một mạch nút nhấn với các phím được thiết kế lại chuyên dụng cho các máy phay CNC 3 trục theo hình vẽ sau( Hình 1.20)

Bảng chuyển đổi giữa các nút nhấn trên bàn phím mới và các nút nhấn trên bàn phím thông thường của máy tính (Xem phụ lục 1.2)

Mạch phím nhấn này sau đó được kết nối với mạch xử lý bàn phím thông thường và kết nối với máy tính qua cổng bàn phím Phần mềm điều khiển giải mã phím nhấn phát

ra từ bộ xử lý bàn phím để biết phím nào được nhấn và đáp ứng lại yêu cầu của người điều khiển

Hình 1.20: Sơ đồ mạch các phím điều khiển (SCH)

N 9

N1

N 5

JP78 SHIFT

1 2

JP26 Y

1 2

N 3

N 4

N 5

T3

N 1

JP17 Y+

1 2

JP2 EDIT

1 2

N7

JP71 HOLD

1 2

JP38 LEFT

1 2

N 1

T 2

T 1

N1

T 5

T 3 T

3

N 9

JP3 AUTO

1 2

T 0

N 1

JP21 NO

1 2

N6

N 1

N9

JP8 ZERO

1 2

JP51 I/J/K

1 2

N 2

T 6

T 5

N 6

JP9 SBLK

1 2

N 8 T

3

T 6

T 4

N

T 4

N1

N 8

N

JP42 O

1 2

JP44 H

1 2

CNC Key board Title

N8

N 3

N 1

T 5

T

N 1

1

JP36 UP

1 2

JP6 JOG

1

2

2

N 1

T 4

T 4

JP10 ZNEG

1 2

JP76 CTRL

1 2

N 1

T 6

N1

JP57 ALTER

1 2

JP31 JOVER+

1 2

T 2

T 6

N 5 T 0

N 1

T 2

TP5

T POINT A

1

T 3

JP18 Y-

1 2

T 1

JP67 PARAM

1 2

N 6

T 5

T 3

T

JP29 10

1 2

N 6

N 1

N 4

T 3

JP69 AUX

1 2

T4

T 0

T 6

T 4

T 7

N 1

JP70 START

1 2

JP53 Z

1 2

T2

N 1

JP74 F3

1 2

JP45 M

1 2

JP46 D/B

1 2

T 6

T 7

N 1

JP65 PROG

1 2

JP15 X+

1 2

N 1

T 6

T 7

TP14

T POINT A

1

JP30 100

1 2

N 1 T

2

N6

JP32 JOVER-

1 2

N 1

N 0

T 6

TP4

T POINT A

1

N 9

T 2

T 2

N 2

TP15

T POINT A

1

JP11 MABS

1 2

JP55 T

1 2

JP20 Z-

1 2

JP7 HANDLE

1 2

N9

N8

T 7

N 2

JP43 X

1 2

N 0

N 2

JP41 PDWN

1 2

JP63 STAR

JP33 SOVER+

1 2

JP25 X

1 2

JP60 EOB

1 2

JP22 COOL

1 2

T 6

N 1

T 0

JP47 N

1 2

N8

N 1

T 1

N 1

T 5

T 6

JP68 ALARM

T 5

T 3

T 6

N1

JP62 INPUT

1 2

N 7

JP40 PUP

1 2

JP16 X-

N 8

N 1

JP54 R

1 2

JP28 1

1 2

JP1 I/O

1 2

J2 CON8

1 2 3 4 5 6 7 8

T 1

N 7

N 5

1 2

T 5

N 1

T 1

P 4

T 1

JP14 MLCK

1 2

JP27 Z

1 2

N1

T 7

TP7

T POINT A

1

JP73 F2

1 2

N 7

N 1

N1

JP19 Z+

1 2

JP59 DEL

1 2

N1

JP66 OFFSET

1 2

T 2

T 7

TP9

T POINT A

1

JP23 SPDL

1 2

JP52 G

1 2

T0

T 0

N 5

T 4

T 7

T 6

T

JP24 LIGHT

1 2

JP39 RIGHT

1 2

N 9

T 1

T 1

JP77 ALT

1 2

T 3

N 1

TP2

T POINT A

1

JP75 PAUSE

1 2

N 8

N3 N1

JP5 RAPID

1 2

N1

N 1

N 1

T0

N 6

JP49 F

1 2

JP50 S

1 2

JP34 SOVER-

1 2

T 3

T2

N 1 T

0

N 1

J1 CON18

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1 1 1

T 2

N 8

T 2

JP37 DOWN

1 2

TP12

T POINT A

1

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 20

Hình 1.21: Sơ đồ mạch các phím điều khiển (PCB)

Bàn phím được thiết kế lại chuyên dụng cho các máy phay CNC 3 trục Mạch phím sử dụng các nút nhấn mềm của OMRON, bộ xử lý bàn phím sử dụng bộ xử lý bàn phím máy tính thông dụng của hãng MITSUMI kết nối qua cổng điều khiển bàn phím thông thường của máy tính.Với việc thiết kế này sẽ thuận lợi cho quá trình sử dụng trong điều kiện xưởng( Hình 1.22)

Hình 1.22: Bàn phím cải tiến lắp trên máy

1.3.3.6 Giới thiệu PCL-812

PCL-812 là card thu nhận dữ liệu đa chức năng với độ tin cậy cao, được dùng cho các loại máy tính IBM PC/XT/AT và các máy tính tương thích (Hình 1.23) Card có 5 tiêu chuẩn đo lường và phương thức điều khiển: Chuyển đổi A/D, chuyển đổi D/A, thu tín hiệu số, phát tín hiệu số, bộ định thì / đếm Thực hiện chuyển đổi A/D đa kênh, mạch quét kênh tự động và có SRAM trên board, sẽ giúp bạn dễ dàng thực hiện với khả năng

DMA (truy cập bộ nhớ trực tiếp – sẽ làm cho chương trình hay thiết bị có thể việc truyền dữ liệu giữa 2 thiết bị hoặc giữa thiết bị và bộ nhớ mà không cần sự can thiệp của CPU

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 21

giúp cho khả năng truyền dữ liệu nhanh hơn) và có thể chọn độ lợi độc lập cho từng

kênh

PCL-812 là 1 kiểu mới hơn so với 812 thông dụng Chúng hợp nhất các tính năng trên chip 160 pin ASIC Chip này đạt độ chính xác cao, độ tin cậy cao với giá thành và năng lượng tiêu thụ thấp

PCL-812 thích hợp với việc thu nhận dữ liệu, điều khiển quá trình, kiểm tra tự động và dây chuyền tự động

Cấu trúc của PCL-812, nhận tín hiệu tương tự (Bộ chuyển đổi A/D), xuất tín hiệu tương tự ( bộ chuyển đổi D/A), đặc tính chung, cũng như phần lập trình PCL-812 ( Xem phụ lục 1.3)

Hình 1.23: Card PCL –812

1.3.3.7 Giới thiệu PXI 7344 ( Hardware )

Với bộ điều khiển 7344, chúng ta có thể thực hiện điều khiển hoạt động bốn trục đồng thời, điều khiển dịch chuyển gốc tọa độ trong một môi trường ưu tiên, đa nhiệm và thời gian thực

Một cấu trúc bộ xử lý kép tiên tiến mà sử dụng chip thời gian thực xử lý 32 bit MC68331 kết hợp với thiết bị Analog ADSP2185DSP đưa bộ điều khiển 7344 lên một khả năng hoạt động cao

Giao diện FIFO bus và những chức năng mạnh được cài đặt làm cho tốc độ kết nối truyền thông cao trong khi những chức năng dịch chuyển phức tạp đang được tải xuống từ máy tính làm tăng sự tối ưu hoạt động của hệ thống (Hình 1.24)

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 22

Bộ điều khiển 7344 sử dụng bộ xử lý các tín hiệu số cho tất cả các vòng lặp kín, gồm cả việc theo dõi vị trí, sự tính toán điều khiển vòng lặp PID, và các quỹ đạo sinh ra Chip DSP được hỗ trợ thêm vào bởi yêu cầu của FPGA mà thi hành giao tiếp với encoder tốc độ cao, chức năng nắm bắt vị trí và tạo điểm dừng, xử lý các tín hiệu dịch chuyển vào và ra, và sự sinh ra các xung bước cho chức năng mạnh về thời gian thực Thêm vào đó là những chức năng CPU xử lý thời gian thực kết nối với máy chủ, sự xử lý các câu lệnh, các phép nội suy nhiều trục, thi hành chương trình ngay trên bo mạch, thông báo các lỗi, giao tiếp đa năng các tín hiệu số vào và ra, và toàn bộ các chức năng về sự chuyển động đã được tích hợp vào hệ thống

Hình 1.24: Card PXI-7344

1.3.3.8 Một số các đặc tính quan trọng của card 7344

*Hệ thống hoạt động thời gian thực (Real Time Operating System – RTOS):

Những chương trình trong phần cứng là trung tâm RTOS và cung cấp cho hoạt động hệ thống tối ưu đối với chuyển động Nhiệm vụ dịch chuyển là được ưu tiên hàng đầu, thứ tự thi hành các nhiệm vụ tùy thuộc vào quyền ưu tiên của mỗi nhiệm vụ, trạng thái chuyển động của hệ thống, sự xuất nhập hoặc các sự kiện khác của hệ thống, và thời gian thực

Chip DSP là một bộ xử lý độc lập riêng lẻ, hoạt động của nó không phụ thuộc vào CPU nhưng nó được làm đồng bộ chặt chẽ bởi một khối cơ sở bên trong là những câu lệnh, dữ liệu Bộ điều khiển 7344 thực sự là một bộ đa xử lý và đa nhiệm ï

*Bộ nội suy theo quỹ đạo:

Bộ nội suy quỹ đạo của bộ điều khiển là sự tính toán những câu lệnh về vị trí tức thời để điều khiển gia tốc và vận tốc trong khi di chuyển các trục tới vị trí yêu cầu Tùy

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 23

thuộc vào cấu hình của trục, các câu lệnh sẽ được gửi tới vòng lặp servo PID hoặc bộ tạo xung

Để điều khiển những quỹ đạo không xác định, bộ điều khiển 7344 có tám bộ quỹ đạo được ứng dụng thêm vào trong chip DSP (hai ứng dụng cho mỗi trục) Mỗi bộ tính toán một vị trí tức thời cho mỗi kỳ PID cập nhật dữ liệu

*Tín hiệu hồi tiếp dạng tương tự (Analog):

Bộ điều khiển 7344 có 8 kênh đa thành phần, 12 bit ADC Các giá trị chuyển đổi Analog được truyền cho cả hai bộ chip DSP và CPU theo bus nối tiếp bên trong đã được dành riêng với tốc độ cao Tốc độ quét của các kênh đa thành phần này xấp xỉ 50µs trên một kênh ADC Bốn trong số các kênh này được dùng để kiểm tra, để lại 4 kênh kia cho tín hiệu Analog phản hồi

*Bộ nhớ Flash ROM:

Bộ nhớ flash ROM là bộ nhớ có thể dùng để xóa và nạp lại chương trình của riêng người sử dụng Khi tất cả các chương trình phần cứng bao gồm mã chương trình của RTOS và DSP của bộ điều khiển 7344 được ghi vào trong flash ROM chúng ta có thể nâng cấp lên theo yêu cầu sử dụng

Bộ nhớ flash ROM cũng cho phép những đối tượng chẳng hạn những chương trình, những mảng dữ liệu có thể ghi vào, có thể ghi toàn bộ các thông số trạng thái của bộ điều khiển vào trong flash ROM Vào lần làm việc kế tiếp, bộ điều khiển sẽ tự động tải và chạy cấu hình đã được lưu lần trước đó Cấu hình FPGA cũng được ghi vào trong bô nhớ flash ROM Khi mở máy, FPGA được khởi động cùng với những chương trình này

*Những thành phần tín hiệu cho trục và sự dịch chuyển:

Bộ điều khiển 7344 có thể điểu khiển di chuyển cho 4 trục Những trục đó có thể hoàn toàn độc lập, kết hợp nhau, hoặc ánh xạ trong nhóm đa chiều mà được gọi là không gian vector Chúng có thể đồng bộ không gian vector để phối hợp các chuyển động Hình 1.25 và 1.26 trình bày cấu hình nguồn tín hiệu dùng động cơ servo và dùng động cơ

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 24

Hình 1.25: Cấu hình nguồn tín hiệu cho cho trục dùng động cơ servo

Chúng ta có thể thi hành toàn bộ những chức năng của Flexmotion đã được cài đặt từ ngay chương trình onboard Ngoài ra, chương trình onboard cung cấp thêm những phép toán cơ bản và các chức năng xử lý dữ liệu khác nhau

Chương trình onboard có thể hỗ trợ chúng ta rất nhiều trong việc thực hiện các nhiệm vụ chuyển động với thời gian thực Làm cho quá trình vừa thực hiện chuyển động vừa tải những câu lệnh tối ưu từ máy tính chủ

Chúng ta có thể chạy chương trình onboard từ RAM hoặc ghi lai vào trong flash ROM Bộ điều khiển 7344 có 64KB RAM và 128 KB ROM để dành ghi các chương trình và các mục đích khác

* Phần mềm FlexMotion

Phần mềm FlexMotion cung cấp cho chúng ta một chương trình giao tiếp ứng dụng API một cách toàn diện Phần mềm FlexMotion kết hợp với bộ điều khiển 7344 cung cấp năng lượng và các chức năng cho hệ thống chuyển động tích hợp

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 25

Để cho việc lập trình được dễ dàng, phần mềm FlexMotion được nổi bật lên nhờ vào hộp điều khiển của phần mềm, thư viện các hàm chức năng và thư viện các chức năng của Window đã được bổ sung vào toàn bộ phần chương trình giao tiếp ứng dụng của phần mềm FlexMotion

Phần mềm FlexMotion là một khối bao gồm đo lường và khảo sát tự động MAX, nó liên kết về mặt vật lý giữa các bus địa chỉ với các địa chỉ trên board mạch được sử dụng vào việc phân biệt các bộ điều điều khiển khác nhau MAX cũng có khả năng kiểm tra bộ điều khiển FlexMotion được lắp đặt chính xác chưa và có đang kết nối với máy tính hay không

Cấu hình của môi trường làm việc dưới dạng MAX cho phép chúng ta cài đặt giá trị ban đầu dùng làm giá trị ban đầu cho bộ điều khiển, giao diện FlexMotion MAX cung cấp một môi trường giao tiếp dễ dàng cho việc kiểm tra và điều chỉnh những sai xót trong hệ thống

Để phát triển những phần mềm ứng dụng, phần mềm FlexMotion là khối gồm một số chương trình ví dụ ứng dụng

Một công cụ của FlexMotion bao gồm một thư viện công cụ về các chuyển động một cách hoàn chỉnh, nhiều chương trình có thể sử dụng cùng với phần mềm công cụ FlexMotion của National, như LabVIEW, Dasylab, LabWindows/CVI, hoặc những môi trường biên dịch cấp 3 như Borland C/C++, Microsoft Visual C/C++, Microsoft Visual Basic, hoặc những trương trình biên dịch nào đó có thể chạy trên Window và có thể gọi các thư viện DLL trong Window cho việc sử dụng phần mềm FlexMotion Thư viện phần mềm FlexMotion dạng DLL trong Windows 2000/NT/Me/9x

*Giới thiệu các hàm API cơ bản của FlexMotion (Xem phụ lục 1.4)

1.3.3.9 Kết nối hệ thống điện

*Giới thiệu chung:

Với các thiết bị đã giới thiệu trên để có một hệ thống hoàn chỉnh hoạt động được ta cần kết nối chúng lại với nhau theo đúng các nguyên tắc kết nối mạch điện

Panel điều khiển

Trục chính

Ngoại vi

Hình 1.27: Sơ đồ kết nối toàn hệ thống

Về mặt nối dây toàn hệ thống có thể phân chia thành các nhóm chính sau: Kết nối các thiết bị chuẩn của máy PC, kết nối hệ thống servo, kết nối trục chính, kết nối các thiết bị ngoại vi khác Chúng tôi sẽ lần lượt giới thiệu sau đây:

Các kết nối chuẩn (Màn hình, bảng điều khiển): Đối với màn hình và bảng điều khiển (Bàn phím) việc nối dây không có gì đặc biệt ngoại trừ khoảng cách có xa hơn so với máy để bàn thông thường

Kết nối hệ thống dẫn động: Hệ thống dẫn động bao gồm 3 motor DC servo có gắn kèm bộ phát tốc và encoder, 3 bộ điều khiển motor, card điều khiển servo PCI-7344 gắn trong máy tính, tất cả các thiết bị trên được nối với nhau theo sơ đồ hình 1.28

Tín hiệu phát ra từ bộ phát tốc (Tacho) được nối vào bộ khuếch đại servo (Servo amplifier) tạo thành một mạch kín điều khiển tốc độ Tín hiệu từ encoder được đưa thẳng vào bộ giải mã vị trí trong mạch điều khiển PCI-7344, tín hiệu điều khiển tốc độ (VCMD, dạng analog) phát ra từ PCI-7344 được đưa vào các bộ khuếch đại servo tạo thành mạch kín điều khiển vị trí Các tín hiệu RDY, ENB dùng để điều khiển hoạt động của bộ khuếch đại servo Tín hiệu báo lỗi ALM bộ khuếch đại servo báo về khi có lỗi

NATIANNAL INSTRUMENTS PCI7344

Power

Tacho

E VCMD

RDY ENB

POSITION FEEDBACK PCI BUS

X AXIS SERVO AMP

Power

Tacho

E VCMD

RDY ENB

POSITION FEEDBACK

X AXIS SERVO AMP

M

T Power

Tacho

E VCMD

RDY ENB

POSITION FEEDBACK

Hình 1.28: Sơ đồ nối dây hệ thống điều khiển motor servo

Kết nối trục chính

PC

PLC Mitsubishi FX1S RS-232

FUJI FRENIC INVERTER

M

U V W

FOR REV ALM

NI PCI-7344

Hình 1.29: Sơ đồ kết nối mạch điều khiển trục chính

Mạch điều khiển trục chính chủ yếu gồm các tín hiệu:

SPEED: Đây là tín hiệu analog có giá trị 0÷10VDC được phát ra từ ngõ analog của card PCI-7344 làm tín hiệu điều khiển biến tần

FOR/REV: Dùng để tác động trục chính quay thuận/nghịch (dạng tiếp điểm) Các tín hiệu này được phát ra PLC

ALM: Biến tần báo về bộ điều khiển khi có lỗi (dạng tiếp điểm)

Kết nối các thiết bị ngoại vi khác

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 28

PC

PLC Mitsubishi FX1S RS-232

Bơm d/d trơn nguội

X+

HOME Z Z- Z+

HOME Y Y- Y+

HOME XEMG

X-EMG

Hình 1.30: Sơ đồ kết nối bơm trơn nguội và các công tắc hành trình

Đây đơn giản là các tín hiệu vào ra được nối vào bộ PLC PLC sẽ nhận lệnh tác động và báo về trạng thái các công tắc hành trình thông qua giao tiếp RS-232 Tín hiệu EMG (EMERGENCY) là tín hiệu dừng khẩn cấp, khi có sự cố rơle EMG sẽ ngắt mạch điện động lực của toàn hệ thống

1.3.4 Phần mềm điều khiển

1.3.4.1 Giới thiệu chung

Như đã giới thiệu trong các phần trước, bộ điều khiển máy được xây dựng dạng based Chuyển động của các trục được điều khiển thông qua card điều khiển servo PCI-

PC-7344, các thiết bị ngoại vi được điều khiển thông qua giao tiếp với PLC FX-1S

Quá trình hoạt động của chương trình chính được thể hiện bằng lưu đồ trên hình 1.31, vòng lặp chính của chương trình nhận lệnh từ người sử dụng, phân tích và đáp ứng tùy theo lệnh

Các lệnh điều khiển được chia ra làm hai loại chính: lệnh chuyển động và lệnh tác động các thiết bị ngoại vi Các lệnh chuyển động sẽ được thông dịch chuyển sang ngôn ngữ của thư viện FlexMotion để thực hiện chuyển động Các lệnh tác động ngoại vi sẽ được gởi đến PLC

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 29

NHẬN LỆNH

GIẢI MÃ LỆNH

BIÊN DỊCH RA NGÔN NGỮ CỦA

FLEX MOTION

GỌI HÀM THỰC THI CỦA FLEX

MOTION

DI CHUYỂN ? GIẢI MÃ LỆNH

TÁC ĐỘNG RA NGOẠI VI

Hình 1.31: Giải thuật phần mềm điều khiển máy CNC

Phần mềm điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ và trên môi trường

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 30

Toàn bộ các thao tác điều khiển máy được thực hiện thông qua panel điều khiển Để vận hành máy, trước tiên người vận hành phải chọn chế độ hoạt động (mode) Các chế độ hoạt động bao gồm:

I/O: Chép chương trình G code và bộ nhớ

EDIT: Sửa chương trình có trong bộ nhớ

AUTO: Thực thi chương trình có trong bộ nhớ

MDI: Thực thi từng câu lệnh (người sử dụng phải nhập vào từng câu lệnh)

RAPID: Định vị các trục bằng tay

JOG: Chạy bằng tay theo tốc độ cài đặt

HANDLE: Chạy các trục bằng bộ phát xung MPG (bánh quay)

ZERO: Trở về điểm zero của máy bằng tay

Các chế độ hoạt động được chia ra làm hai nhóm: AUTO (AUTO, MDI),vàø MANUAL (RAPID, JOG, HANDLE, ZERO) Ở nhóm AUTO máy hoạt động theo câu

lệnh còn ở nhóm MANUAL máy hoạt động theo các thao tác bằng tay

Các chế độ hoạt động bằng tay

a/ ZERO

Máy vừa khởi động xong thường người ta cho máy dò điểm “Home” của máy Ởû điểm “home” tọa độ máy (MACHINE CORRDINATE) có giá trị 0, đây là điểm 0 tuyệt đối của máy Ta có thể dò điểm “Home” bằng hai cách

- Nhấn O trục Z sẽ được “zero” trước, sau đó hai trục X, Y sẽ được “zero”

- Lần lượt nhấn các nút X+ , Y+ , Z+ để “zero” các trục tương ứng

b/ HANDLE

Ở chế độ “HANDLE” người sử dụng quay MPG một nấc trục hiện hành sẽ đi một

đơn vị chiều dài 1, 10 hoặc 100 µm Người sử dụng nhấn các nút X , Y ,

Z

để chọn trục hiện hành, 1 10 100 để chọn đơn vị chiều dài tương ứng là 1,10,100 µm

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 31

c/ JOG

Ở chế độ JOG máy sẽ di chuyển các trục tương ứng khi người sử dụng nhấn các phím

sau: X+ , X- , Y+ , Y- , Z+ , Z- , tốc độ di chuyển thay đổi khi

nhấn các phím

FEED/JOG SPEED

và được thể hiện trên màn hình

d/ RAPID

Rapid là chế độ chạy định vị nhanh giống như chạy G00 có 4 tốc độ chạy định vị: Fo,

25%, 50%, 100% Để thay đổi tốc độ nhấn các phím

Chế độ AUTO cho phép chạy một chương trình đã có trong bộ nhớ Người sử dụng

chọn chương trình bằng cách nhấn phím hoặc trên màn hình PROGRAM sẽ hiện tên chương trình và một đoạn đầu của chương trình Khi chọn đúng chương trình

cần, nhấn phím START để thực thi

Hình 1.33:Màn hình PROGRAM

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 32

b/MDI

Hình 1.34: Nhập chương trình ở chế độ MDI

Ở chế độ MDI người sử dụng nhập từng câu lệnh vào màn hình PROGRAM sau đó

nhấn START máy sẽ thực thi câu lệnh vừa nhập vào

c/ EDIT

Chế độ EDIT cho phép sửa chương trình trong bộ nhớ Khi ở chế độ này, màn hình PROGRAM trở thành màn hình soạn thảo, người sử dụng thao tác trên bàn phím KEYPAD để sửa chương trình

Hình 1.35: KEYPAD trên bàn phím panel

1.3.4.3 Phần mềm điều khiển máy cnc ( xem phụ lục 1.5)

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 33

1.4 BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH QUÁ TRÌNH PHAY

Để thực hiện bộ điều khiển thông minh trong quá trình nghiên cứu chúng tôi đã thực

hiện theo hai hướng:

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi

Thiết kế bộ điều khiển dùng mạng neural

1.4.1 Khái niệm về điều khiển thích nghi

Có rất nhiều khái niệm về hệ thống điều khiển thích nghi theo đó :“ Thích nghi là quá trình thay đổi thông số và cấu trúc hay tác động điều khiển trên cơ sở lượng thông tin có được trong quá trình làm việc với mục đích đạt được một trạng thái nhất định, thường là tối ưu khi thiếu lượng thông tin ban đầu cũng như khi điều kiện làm việc thay đổi “Hay là :” Điều khiển thích nghi là tổng hợp các kỹ thuật nhằm tự động chỉnh định các bộ điều chỉnh trong mạch điều khiển nhằm hiện thực hay duy trì ở một mức độ nhất định chất lượng của hệ khi thông số của quá trình được điều khiển không biết trước hay thay đổi theo thời gian “

Karl Johan Åstrom và Bjom Wittenmark (Viện Kỹ thuật Lund – Thụy Điển ) đưa ra định nghĩa tổng quát về hệ thích nghi như sau :

Thích nghi là sự thay đổi hành vi của hệ thống để phù hợp với các điều kiện mới Một bộ điều chỉnh thích nghi là một bộ điều chỉnh có thể thay đổi các tính năng của nó nhằm đáp ứng được với các thay đổi động lực học của quá trình và các tác động tạo ra

do nhiễu

Điều khiển thích nghi là một dạng đặc biệt của quá trình điều khiển phản hồi phi tuyến trong đó các trạng thái của quá trình có thể được chia thành hai tốc độ thay đổi khác nhau :

Các trạng thái thay đổi nhanh cho mạch phản hồi thông thường

Các trạng thái thay đổi chậm dùng để cập nhật các thông số của bộ điều khiển Như vậy các bộ điều chỉnh có thông số tuyến tính không thay đổi, không được xem là hệ điều khiển thích nghi Trong hệ điều khiển thích nghi chúng ta xem rằng hệ có

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 34

một mạch phản hồi các trạng thái hoạt động của hệ thống tạo thành một hệ kín Một bộ điều khiển thích nghi có thể bao gồm ba chức năng sau :

• Nhận dạng các đặc tính động học của đối tượng điều khiển

Các đặc tính động học của đối tượng điều khiển phải được đo lường và nhận dạng liên tục Việc nhận dạng này không được ảnh hưởng đến hoạt động bình thường của hệ Để nhận dạng, chúng ta phải kiểm tra và phân tích các kết quả Việc nhận dạng có thể dựa trên các dữ liệu hoạt động bình thường của đối tượng điều khiển hay từ các tín hiệu kiểm tra Tuy nhiên không phải tất cả các hệ thích nghi đều cần việc nhận dạng rõ ràng Một vài hệ chỉ nhận dạng trong phạm vi các giá trị đo lường chỉ số hiệu quả của hệ, chỉ số này có thể cho biết các thông số bộ điều khiển phải thay đổi như thế nào Nói cách khác, khi việc nhận dạng hệ gặp nhiều khó khăn, thì chúng ta cần đo trực tiếp chỉ số hiệu quả và xây dựng bộ điều khiển thích nghi dựa trên nó Khó khăn trong việc nhận dạng thực tế sẽ phụ thuộc vào mức độ lượng thông tin về đối tượng điều khiển cần biết và phụ thuộc vào lượng kiến thức có từ trước của đối tượng điều khiển

• Ra quyết định dựa trên việc nhận dạng hệ

Các quyết định tham khảo các đặc tính cơ bản của đối tượng điều khiển đã được nhận dạng và dựa trên chỉ số hiệu quả được tính toán Một khi đối tượng điều khiển đã được nhận dạng, nó được so sánh với các đặc tính tối ưu mong muốn và ra quyết định thay đổi các thông số điều chỉnh để duy trì hiệu quả tối ưu Quá trình này có thể thực hiện trên máy tính

• Hiệu chỉnh dựa trên các quyết định

Sự hiệu chỉnh tham khảo sự thay đổi của tín hiệu điều khiển theo các kết quả nhận dạng và quyết định Trong hầu hết các sơ đồ, các quyết định và hiệu chỉnh nằm trong một khối hoạt động, với sự hiệu chỉnh bao gồm các cơ cấu chuyển đổi tín hiệu ra của quyết định thành tín hiệu điều khiển (Tín hiệu ra của đối tượng điều khiển )

Tín hiệu này có thể được hiệu chỉnh theo hai cách : Cách thứ nhất là điều chỉnh các thông số bộ điều khiển để bù cho sự thay đổi trong động lực học đối tượng điều khiển

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 35

Cách thứ hai là để tổng hợp các tín hiệu điều khiển tối ưu, dựa trên hàm truyền đối tượng điều khiển, chỉ số hiệu quả và đáp ứng tạm thời mong muốn

1.4.2 Các khái niệm về điều khiển thích nghi

Để phân loại điều khiển thích nghi có thể phân loại theo sơ đồ điều khiển hoặc theo mục đích điều khiển

*Theo sơ đồ điều khiển có các loại hệ thống điều khiển như

• Hệ thống điều khiển bền vững độ khuyếch đại lớn

• Hệ thống thích nghi tự dao động

• Bộ điều khiển thích nghi khuếch đại chọn lọc

• Bộ điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu ( Model Reference

Adaptive system - MRAS)

• Bộ tự điều chỉnh (Self-tuning Regulators- STRs)

1.4.2.1 Hệ thống điều khiển bền vững độ khuyếch đại lớn

Hình 1.36: Sơ đồ khối hệ thống bền vững độ khuếch đại lớn

Hệ thống điều khiển bền vững độ khuyếch đại lớn là hệ thống điều khiển có vòng hồi tiếp với độ khuyếch đại lớn và làm cho tín hiệu ra y được điều chỉnh theo tín hiệu tham chiếu ym trên một dải thông tần số góc có độ rộng ωB Độ rộng của dải thông tần số góc này ωB sẽ thay đổi với động lực học của quá trình điều khiển Nếu độ rộng của dải thông của tần số góc thấp hơn giá trị ωB, tín hiệu ra y sẽ đáp ứng theo tín hiệu điều

khiển uc cho dù có sự thay đổi thông số động lực học của quá trình Vấn đề chính ở đây là thiết kế một vòng phản hồi dẫn tiếp ( Feedforward ) hoặc vòng hồi tiếp (Feedback ) sao cho hệ vẫn duy trì được các tính năng hoạt động và đảm bảo được độ ổn định bất chấp các thông số trong quá trình có thay đổi hay không Cấu trúc của hệ được gọi là hệ có hai bậc tự do

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 36

Ta thấy rõ ràng các thông số của đối tượng điều khiển không được tác động trực tiếp mà các thay đổi của quá trình được “ đoán “ trước , việc điều chỉnh dựa trên giá trị thực và giá trị “ đoán “ để tín hiệu ra của hệ thống được ổn định

1.4.2.2 Hệ thống thích nghi tự dao động

Hình 1.37: Sơ đồ khối của hệ thống thích nghi tự dao động

Hệ thống bao gồm một mạch hồi tiếp có độ khuyếch đại lớn (Giống như hệ thống điều khiển bền vững độ khuyếch đại lớn ) và một bộ rơ le trong mạch điều khiển để tạo nên một dao động có tần số giới hạn Với các tín hiệu có tần số thấp hơn nhiều so với chu kỳ dao động giới hạn Biên độ được khuếch đại xấp xỉ 2 lần Vì vậy hệ thống với mạch phản hồi rơ-le tự điều chỉnh để cho ra một biên độ thích hợp Cần chú ý rằng hệ thống luôn bị kích hoạt bởi một dao động chu kỳ giới hạn Tần số dao động này có thể

bị tác động bởi bộ lọc sớm – trễ, biên độ dao động có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ lớn của biên độ rơ le Tuy hệ có hiện tượng tự dao động trong bản thân hệ thống nhưng trong một số các trường hợp hiện tượng này đôi khi có thể chấp nhận được

1.4.2.3 Bộ điều khiển thích nghi khuếch đại chọn lọc

Trong một vài hệ thống, các thông số phụ có mối quan hệ mật thiết với các đặc tính động lực học của quá trình Nếu các biến này có thể đo được, chúng có thể được sử dụng để thay đổi các thông số của bộ điều chỉnh Sơ đồ hình 1.38 về cơ bản được dùng để hiệu chỉnh các thay đổi của độ khuyếch đại quá trình

Bộ điều chỉnh thích nghi khuyếch đại chọn lọc là một mạch bù vòng hở và có thể được xem như hệ điều khiển phản hồi, trong đó độ khuyếch đại phản hồi được điều chỉnh với mạch bù dẫn tiếp ( Feedforward )

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 37

Hình 1.38:Sơ đồ khối của bộ khuếch đại thích nghi điều khiển chọn lọc

1.4.2.4 Bộ điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu ( Model Reference adaptive system - MRAS)

Hệ điều khiển thích nghi mô hình tham chiếu xuất phát từ việc điều khiển các hệ

thống mà trong đó các đặc tính được cho trước dưới dạng mô hình tham chiếu và mô

hình này sẽ qui định phương thức mà tín hiệu ra sẽ đáp ứng với tín hiệu vào Trong sơ đồ khối của hệ có 2 vòng lặp : (1) vòng lặp trong có tác dụng như một đường hồi tiếp thông thường và (2) vòng lặp ngoài có tác dụng điều chỉnh các tham số của bộ điều chỉnh sao cho sai số giữa tín hiệu ra của mô hình ym và tín hiệu ra của quá trình y là nhỏ nhất Vòng lặp ngoài là vòng điều khiển.Vấn đề chính là xác định cơ cấu điều chỉnh sao cho hệ ổn định, đưa sai số trở về giá trị 0

Hình 1.39: Sơ đồ khối của hệ thống ĐK thích nghi theo mô hình tham chiếu

1.4.2.5 Bộ tự điều chỉnh (Self-tuning Regulators- STRs)

Bộ tự điều chỉnh thích nghi có thể được xem như bao gồm 2 vòng lặp: (1) vòng lặp

trong bao gồm quá trình và một mạch hồi tiếp tuyến tính thông thường (2) bao gồm một

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 38

Hình 1.40: Sơ đồ khối của hệ tự điều chỉnh

bộ ước lượng thông số hồi qui và một bộ thiết kế Các thông số của bộ điều chỉnh được thực hiện bởi vòng lặp ngoài

Thuật ngữ “ tự điều chỉnh “ được sử dụng để nhấn mạnh đến khả năng tự điều chỉnh các thông số để đạt được các tính năng theo yêu cầu đặt ra Hệ thống trực tiếp tác động lên các thông số thay đổi và xuất ra tín hiệu tương ứng sao cho tín hiệu này điều chỉnh

thích nghi tương ứng

*Theo mục đích điều khiển có các hệ thống:

• Điều khiển thích nghi có ràng buộc

• Điều khiển thích nghi tối ưu

1.4.2.6 Điều khiển thích nghi có ràng buộc ACC

Là cách điều khiển mà các thông số công nghệ như: Tốc độ cắt, tốc độ ăn dao, chiều sâu cắt, được bảo toàn một cách tự động để dùng hết công suất tối đa của động cơ hay, giới hạn biến dạng của lưỡi cắt hay, giới hạn nhiệt độ dụng cụ cắt hay, giới hạn biên độ dao động của lưỡi cắt

1.4.2.7 Điều khiển thích nghi tối ưu ACO

Là xác định các thông số công nghệ sao cho tối ưu theo một vài chỉ số hay tiêu

chuẩn tốc độ sản xuất dạng trọng số của các ràng buộc

Hầu hết các điều khiển thích nghi trong công nghiệp là dạng ACC Sau khi phân tích với điều kiện làm thực nghiệm thực tế và nhằm tăng năng suất, tăng mức tự động bằng việc giảm các thao tác điều khiển, tăng tuổi thọ dao và tuổi thọ máy, cũng như góp

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 39

phần đảm bảo chất lượng của chi tiết trong quá trình gia công chúng tôi chọn giải thuật thích nghi theo phương pháp tự điều chỉnh có ràng buộc

1.4.3 Xác định thông số cho quá trình điều khiển thích nghi

Để giám sát quá trình gia công có thể thông qua các thông số như lực cắt, độ nhám bề mặt của sản phẩm trong quá trình gia công, dao động của dụng cụ cắt hoặc tình trạng của dao v.v.v Do vậy việc giám sát máy công cụ cần phải có nhiều loại cảm biến khác nhau để nhận biết các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình cắt kim loại Vấn đề

ở đây là xác định loại cảm biến chỉ một thông số mà thông số này biểu thị đủ trạng thái của quá trình gia công, đặc biệt là trong quá trình phay là quá trình gia công với dao phay gồm nhiều lưỡi cắt cùng làm việc với tốc độ cao

Qua quá trình nghiên cứu có thể nói lực cắt là một thông số cần biết nhất trong quá trình gia công có hệ thống giám sát và điều khiển Do lực cắt phụ thuộc vào các thông số hình học phần cắt, vật liệu làm dao, vật liệu gia công, chế độ cắt ( Chiều sâu cắt , lượng chạy dao , tốc độ cắt ), chất lượng lưỡi cắt ( Mòn,nứt , gãy ), , nhiệt ( Dung dịch trơn nguội ) và bất kỳ rung động liên quan giữa dụng cụ và chi tiết Lực cắt là yếu tố sinh ra nhiệt cắt trong quá trình gia công, là nguyên nhân chính dẫn đến mòn dụng cụ và là nhân tố chủ yếu gây nên các biến dạng của hệ thống công nghệ trong quá trình gia công Giữ ổn định lực cắt trong quá trình gia công sẽ giúp ta cải thiện được chất lượng bề mặt gia công, tăng năng suất và giảm bớt việc mòn và gãy dụng cụ trong quá trình gia công

Ngoài ra, sự đo lường lực cắt ngay trong quá trình gia công sẽ cung cấp một tín hiệu có thể được sử dụng để phát hiện lưỡi cắt bị mỏi hay gãy, hoặc để phát hiện va đập v.v.Thông số đo là lực để điều khiển thích nghi lượng chạy dao f nhằm duy trì lực cắt không đổi khi điều kiện cắt thay đổi Sơ đồ điều khiển thích nghi quá trình phay như sau:

Chương 1: Bộ điều khiển máy CNC thông minh 40

Hình 1.41: Sơ đồ hệ thống điều khiển thích nghi trong gia công kim loại

Tín hiệu đầu vào là lực cắt lớn nhất mong muốn ( Giá trị tham chiếu ), lực cắt thực được xác định bằng các cảm biến gắn trên trục chính hay bàn máy Lực cắt lớn nhất tại mỗi lưỡi cắt được xác định và được truyền qua bộ thuật toán điều khiển thích nghi Lực cắt lớn nhất Fp (k) được đánh giá tại từng chu kỳ trục chính và so sánh với lực cắt được thiết lập ban đầu Fr ( k ) Thuật toán điều khiển thích nghi xác định tốc độ cắt mới để làm giảm thiểu sai số lực cắt ( So với giá trị tham chiếu ) Tín hiệu tốc độ điều khiển fc

(k) được truyền đến máy CNC để điều khiển động cơ bộ truyền động, làm bàn máy di chuyển để đạt tốc độ cắt thực fa (k )

Hình 1.42:Bộ điều khiển thích nghi

Bộ điều khiển thích nghi dùng thêm một vòng hồi tiếp nữa bên cạnh các vòng hồi tiếp thông thường trong điều khiển vị trí để hiệu chỉnh một cách linh hoạt các thông số

công nghệ trong quá trình gia công