một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay cnc dựa trên rung động của máy

Một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC dựa trên rung động của máy Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một thuật toán điều khiển lượng chạy dao F cho máy phay CNC trên cơ sở đó

Một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC dựa trên rung động của máy

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một thuật toán điều khiển lượng chạy dao (F)

cho máy phay CNC trên cơ sở đó và phân tích rung động của máy Nghiên cứu cũng đã đưa ra một phương pháp xác định biên độ và vận tốc rung động từ gia tốc rung động Hiện nay, tuy nghiên cứu mới đang ở trong giai đoạn xây dựng thuật toán điều khiển và mô phỏng trên máy tính nhưng mục tiêu xa hơn của chúng tôi trong tương lai là tích hợp thuật toán này vào trong các chíp vi điều khiển để tạo thành các mô đun điều khiển mở rộng cho máy phay CNC nhằm mục đích nâng cao và chất lượng gia công

1 Giới thiệu chung về rung động của máy phay CNC và phân tích các phương

án điều khiển

Rung động của máy phay CNC là một hiện tượng vật lý sinh ra trong quá trình gia công Dưới tác dụng của lực cắt, cơ hệ (hệ thống công nghệ) gồm máy phay – đồ gá – dao phay – chi tiết bị rung động cưỡng bức Rung động này gây ra một số tác hại chính như: làm giảm chất lượng bề mặt, gây ra sai số kích thước của chi tiết gia công, làm lệch các bộ phận của máy dẫn đến giảm độ bền của máy và làm gãy dụng cụ cắt Trong ba đặc trưng (tần số, biên độ và pha) của rung động thì đặc trưng biên độ gây ảnh hưởng trực tiếp và lớn nhất Biên độ của rung động phục thuộc chủ yếu vào các yếu tố sau: chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S) và lượng chạy dao (F) Đây là bốn thông số công nghệ đặc trưng cho chế độ gia công trên máy phay CNC Trước khi đặt ra bài toán điều khiển máy phay CNC trên

cơ sở rung động của máy, cần phải xét đến khả năng có thể thay đổi các yếu tố nào trong bốn thông số công nghệ nêu trên Để cụ thể chúng tôi đã chọn máy phay CNC 5 trục V30 sử dụng bộ điều khiển 18MC của hãng Fanuc làm đối tượng nghiên cứu và đã tìm ra một số khả năng có thể thay đổi các thông số công nghệ (F,S,B,t) như sau:

- Trong quá trình gia công trên máy phay CNC, người vận hành có thể thay đổi trực tiếp vận tốc cắt thông qua hai nút ấn và lượng chạy dao thông qua một công tắc xoay 16 tiếp điểm trên bộ điều khiển CNC

- Nếu điều khiển máy phay CNC theo phương pháp CNC (computer numerical control) nghĩa là toàn bộ chương trình gia công (đường chạy dao gia

công) do phần mềm CAM sinh ra sẽ được truyền vào bộ nhớ của bộ điều khiển CNC vì vậy không thể thay đổi được các thông số công nghệ trong chương trình gia công Do đó chỉ có thể thay đổi hai thông số là vận tốc cắt và lượng chạy dao bằng các nút ấn và công tắc trên bộ điều khiển CNC

- Nếu điều khiển máy phay CNC theo phương pháp DNC (direct numercial control) nghĩa là từng lệnh gia công (G- code) sẽ được máy tính gửi tới bộ điều khiển CNC Vì vậy chỉ có thể thay đổi được các thông số công nghệ (F, S, B, t) trong công lệnh G – code tiếp theo Câu lệnh mà máy đang thực hiện không thể sửa đổi được Như vậy khi sử dụng phương pháp này có thể xãy ra trường hợp dụng cụ cắt đã bị gãy trước khi các thông số công nghệ (F, S, B, t) được thay đổi trong câu lệnh G – code tiếp theo

Trên cơ sở phân tích này, chúng tôi đề xuất hai phương án như sau:

- Phương án 1: Xấp xỉ (chia nhỏ) từng câu lệnh G – code thành nhiều câu lệnh G – code khác Số lượng bước chia nhỏ được chọn sao cho có thể kiểm soát được trạng thái rung động của máy Phương án này cho phép thay đổi được cả bốn thông số công nghệ (F, S, B, t) tuy nhiên sẽ gây ra sai số lớn trong quá trình gia công và chỉ có thể được áp dụng khi điều khiển máy theo phương pháp DNC

- Phương án 2: Can thiệp trực tiếp vào phần cứng của bộ điều khiển CNC để thay đổi hai thông số công nghệ là vận tốc cắt và lượng chạy dao nhờ thay thế hai nút ấn và công tắc xoay 16 tiếp điểm bằng các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài Phương án này có ưu điểm bằng các tín hiệu điều khiển từ bên ngoài Phương án này có ưu điểm là không gây ra sai số trong quá trình gia công và có thể được áp dụng trong cả hai trường hợp điều khiển máy theo phương pháp CNC và DNC

Để tránh sai số, chúng tôi lựa chọn phương án 2 Tuy nhiên vì đây là bước nghiên cứu đầu tiên nên chỉ có lượng chạy dao được lựa chọn để thay đổi Vì vậy hướng nghiên cứu của chúng tôi là xây dựng một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC dựa trên rung động

2 Xây dựng hệ thống đo và xử lý tín hiệu rung động

Hệ thống đo rung động cho máy phay CNC 5 trục V30 gồm 3 cảm biến đo rung động có dải đo là ±68g với g là gia tốc trọng trường (g = 9,8m/s2) Ba cảm biến đo rung động này được gắn trên chi tiết theo ba phương x, y, x Vì tín hiệu ra

của các cảm biến này rất nhỏ nên cần phải đưa qua bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu (hình 1) Đặc tính chuyển đổi của bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu là hoàn toàn tuyến tính Đầu ra của bộ khuếch đại và chuẩn hóa tín hiệu là giá trị điện áp một chiều trong khoảng -10V đến 10V Sử dụng một card biến đổi ADC (Analog Digital Converter) 12 bit để biến đổi các giá trị điện áp đo được thành các giá trị

số Máy tính sẽ đọc dữ liệu từ card ADC và tính toán để tìm ra biên độ rung động tổng hợp của máy phay theo ba phương x, y, x Dựa vào độ lớn của biên độ rung động tổng hợp, lượng chạy dao sẽ được chỉnh định theo một thuật toán điều khiển thông qua bốn cổng ra số (P1, P2, P3, P4) của card ADC

Điều khiển tỷ lệ phần trăm

F (0÷150)

±68g

Bộ khuếch đại và chuẩn

hóa tín hiệu

±10 VDC

Card ADC (12 bit) Máy tính làm nhiệm vụ đo lường, xử lý

tín hiệu rung động và điều khiển máy

phay CNC

P1 …P4

3 cảm biến đo rung động được gắn trên chi tiết theo ba phương (x, y, z)

RS 232 truyề tới máy phay Các lệnh G-code

theo DNC Máy phay CNC5 trục V30

Hình 1: Mô hình hệ thống đo và xử lý tín hiệu rung động

Tổ hợp của bốn cổng ra số này tạo ra 16 trạng thái khác nhau của lượng chạy dao F (xem bảng 1) Các giá trị của lượng chạy dao trong bảng được tính bằng tỷ lệ phần trăm so với lượng chạy dao hiện thời lưu trong bộ nhớ của bộ điều khiển CNC Ví dụ: Nếu F= 50% (P1=1, P2=0, P3=1, P4=0) thì độ lớn của lượng chạy dao F thực tế chỉ bằng 50% độ lớn của lượng chạy dao F hiện đang lưu trong bộ nhớ của bộ điều khiển CNC

Bảng 1: Bảng xác định độ lớn của lượng chạy dao thực tế

3 Kết quả đo rung động

Chúng tôi đã tiến hành đo và thu thập dữ liệu rung động của máy trong nhiều chế độ gia công khác nhau Hình 2 biểu diễn một kết quả đo rung động trên máy phay CNC 5 trục V30 với dụng cụ cắt là dao phay ngón (thép gióφ12 không phủ, 4 răng cắt) và phôi gia công là thép C45 Chế độ gia công gồm các thông số sau: phay nghịch, vận tốc cắt S = 20m/ph (ứng với tốc độ quay trục chính n=530v/ph), chiều sâu cắt t=1mm và lượng chạy dao F= 21,2mm/ph Tần số lấy mẫu là 1kHz

Tổng hợp các kết quả đo này, chúng tôi nhận thấy rằng mỗi khi dụng cụ cắt vào phôi sẽ gây ra rung động có gia tốc lớn có dạng như trong hình 3 ( ứng với trường hợp phay nghịch) Tín hiệu gia tốc rung động này xuất hiện khi lưỡi dao phay ăn vào chi tiết gia công Khi lưỡi dao bắt đầu ăn vào chi tiết, gia tốc rung động còn nhỏ Gia tốc rung động sẽ lớn nhất khi lưỡi dao ăn sâu vào chi tiết nhiều nhất và giảm dần khi lưỡi dao phay đi ra khỏi chi tiết Khi tốc độ quay của trục chính càng cao thì tần số xuất hiện các tín hiệu này càng lớn Khi phay thuận, gia tốc rung động sẽ lớn nhất khi lưỡi dao bắt đầu ăn vào chi tiết và giảm dần khi lưỡi dao phay đi ra khỏi chi tiết

Hình 3: Dạng tín hiệu gia tốc rung động ứng với trường hợp phay nghịch

4 Xây dựng thuật toán điều khiển lượng chạy dao

Với mục tiêu giữ cho rung động của máy luôn nằm trong một giới hạn cho phép nhưng đồng thời phải giảm thời gain gia công tức là nâng cao năng suất, chúng tôi đưa ra một luật điều khiển có dạng một khâu phi tuyến tính

Hình 4: Luật điều khiển lượng chạy đaoựa trên rung động

Thuật toán điều khiển lượng chạy dao của máy phay CNC dựa trên rung động (hình 5) có các thông số chính như sau:

- T là chu kỳ lấy mẫu (ms)

- n là số lượng mẫu GX, GY GZ được sử dụng trong phép tính tích phân rời rạc theo thời gian và m là số lượng giá trị biên độ rung động tổng hợp Ai được dùng để tính giá trị biên độ rung động trung bình ATB

- Agh là giá trị biên độ rung động giới hạn (lớn nhất cho phép) của cụm trục chính máy Giá trị này phụ thuộc vào các yếu tố như: loại dao phay, vật liệu làm dao và chi tiết, chế độ cắt như chiều sâu cắt (t), chiều rộng cắt (B), vận tốc cắt (S)

… Giá trị Agh do người vận hành máy thiết lập và có thể thay đổi trong quá trình gia công Đơn vị tính của Agh là mm

Hình 5: Lưu đồ thuật toán điều khiển lượng chạy dao

- GX, GY GZ là các giá trị gia tốc rung động của máy tính theo đơn vị gia tốc trọng trường g (với g= 9,8m/s2) Vì ba cảm biến đo rung động có giới hạn đo là

±68g nên các giá trị GX, GY GZ đo được sẽ nằm trong khoảng [-666.4 ÷666.4] m/s2 hay [-666400÷ 666400] mm/s2

- AX, AY, AZ là các giá trị biên độ rung động hiện thời của máy, đơn vị tính

là mm

- Am là giá trị biên độ rung động tổng hợp theo ba phương hiện thời của máy, đơn vị tính là mm

- ATB là giá trị biên độ rung động trung bình của m giá trị biên độ rung động tổng hợp của máy (Ai), đơn vị tính là mm

Trong thuật toán điều khiển lượng chạy dao, cần phải thực hiện hai lần tích phân rời rạc theo thời gian để xác định các giá trị biên độ rung động hiện thời AX,

AY, AZ (mm) từ các giá trị gia tốc rung động GX, GY GZ (mm/s2) trong khoảng thời gian (Nt) Sử dụng phương pháp Ơ le lùi (Backward Euler) trong phép tính tích phân rời rạc Biểu thức tính của phương pháp này là: y(k)=y(k-1) +T*u(k) với x(k)=y(k-1), k=1÷n

Hình6: Mô hình mô phỏng phương pháp xác định vận tốc và biên độ rung động

từ gia tốc rung động

Khi sử dụng phương pháp Ơle lùi, khâu tích phân được xấp xỉ bằng biểu tức T*z/(x-1) Để kiểm tra tính chính xác của phương pháp xác định biên độ rung động

từ gia tốc rung động trước khi xây dựng thành phần mềm hoàn chỉnh, chúng tôi đã

sử dụng công cụ Simelink của Matlab để xây dựng một mô hình mô phỏng Khâu

“Giả tạo tín hiệu dao động” sẽ tạo ra tín hiệu gia tốc của rung động có dạng như trong hình 3 Kết quả mô phỏng được biểu diễn như trong hình 7

Hình 7: Kết quả mô phỏng phương pháp xác định biên độ và vận tốc rung động

từ gia tốc rung động

5 Các kết quả đạt được của nghiên cứu

Đề xuất một thuật toán điều khiển lượng chạy dao cho máy phay CNC trên

cơ sở rung động của máy

Đưa ra một phương pháp xác định biên độ và vận tốc rung động từ gia tốc rung động

Ngoài ra, chúng tôi cũng đã xây dựng được một phần mềm điều khiển DNC cho máy phay CNC 3 trục với chức năng tương tự như một số phần mềm khác của nước ngoài

6 Đề xuất một vài hướng phát triển trong tương lai

Tích hợp thuật toán này vào trong các chip vi điều khiển để tạo thành các mô đun điều khiển mở rộng cho máy phay CNC nhằm mục đích nâng cao năng suất và chất lượng gia công

Vì lượng chạy dao F chỉ có 16 giá trị khác nhau nên thuật toán điều khiển lượng chạy dao còn nhiều hạn chế Vì vậy cần đưa thêm vận tốc cắt vào để hình thành bài toán điều khiển đồng thời cả lượng chạy dao và vận tốc cắt cho máy phay CNC

Xây dựng bài toán tối ưu hóa quá trình xấp xỉ (chia nhỏ) từng câu lệnh G – code thành nhiều câu lệnh G – code khác với phiếm hàm mục tiêu là sai số nhỏ nhất Nếu thành công phương pháp này cho phép thay đổi được cả bốn thông số công nghệ (F, S, B, t) khi điều khiển máy phay CNC theo phương pháp DNC