GIÁO TRÌNH máy CNC và công nghệ gia công trên máy CNC (TS nguyễn quốc hưng)

b Máy công cụ Machine Tool: Tương tự như các máy công cụ thông thường, nhưng các chuyển động của các trục được thực hiện bởi động cơ servo hoặc động cơ bước thông qua truyền động vít me

CHƯƠNG 1

TỰ ĐỘNG HÓA QÚA TRÌNH SẢN XUẤT – SỰ RA ĐỜI CỦA MÁY

CNC -

Trong nửa thập kỷ qua, thế giới đã chứng kiến sự ra đời và phát triển như vũ bão của KTĐK tự động Và nhanh chóng KTĐK tự động đã được ứng dụng vào công nghệ chế tạo sản phẩm cơ khí Sự phát triển của tự động hóa QTSX có thể được tóm lược như sau

1.1/ NC (Numerical Control)

1.1.1/ Lịch sử ra đời của NC

Cũng như các kỹ thuật tiên tiến khác, NC ra đời vào đầu thập niên 50 tại phòng thí nghiệm của học viện Massachusetts Khi mới ra đời, máy NC chỉ có thể cắt được những đường thẳng chính xác và hiệu qủa Điều này gây ra rất nhiều khó khăn vì máy phải thực hiện vô số các đường thẳng ngang, dọc để gia công các biên dạng cong (hình 1.1)

Hình 1.1 Vấn đề này dẫn đến sự ra đời của APT (Automatically Programme Tools) Đây là loại ngôn ngữ lập trình đầu tiên cho NC, dùng các câu lệnh tiếng Anh để định nghĩa đường di chuyển hình học, dụng cụ và các chỉ thị cần thiết khác Đây cũng là tiền đề cơ bản cho sự phát triển của NC Ban đầu chương trình NC được mã hóa trên các băng đục lỗ, sau đó dùng các băng từ Sau khi máy tính ra đời, các băng đục lỗ, băng từ được thay thế bởi thiết bị xử lý dự liệu của máy tính

1.1.2/ Máy NC là gì

Máy NC bao gồm 2 bộ phận chính

a) Bộ điều khiển máy (Machine Control Unit : MCU)

Là bộ phận thực hiện các chức năng sau:

- Đọc và giải mã chương trình

- Đưa ra các lệnh điều khiển

- Nhận các tín hiệu phản hồi và xử lý

¾ MCU bao gồm 2 bộ phận sau:

CLU nhận các dự liệu được giải mã từ DPU, đưa ra các lệnh điều khiển máy, nhận các tín hiệu phản hồi so sánh và xử lý cho đến khi đạt độ chính xác yêu cầu DPU sau đó sẽ đọc khối lệnh tiếp theo

b) Máy công cụ (Machine Tool):

Tương tự như các máy công cụ thông thường, nhưng các chuyển động của các trục được thực hiện bởi động cơ servo hoặc động cơ bước thông qua truyền động vít me đai ốc bi (sẽ trình bày ở chương sau)

Trên hình 1.2 là sơ đồ các thành phần cấu tạo của máy NC

Hình 1.2 thành phần của máy NC

Máy NC đã khắc phục được những hạn chế mà các máy công cụ truyền thống không thực hiện được Với máy NC, độ chính xác gia công cao hơn, tiết kiệm dụng cụ hơn, dễ tự động hóa hơn Sự ra đời của NC cũng đã đưa đến sự ra đời của hàng loạt các phương pháp gia công hiện đại, tiên tiến khác như:

1.2/ DNC (Direct NC):

Vào giửa thập niên 60, với sự ra đời của máy tính, người ta đã nghĩ đến việc thay đổi việc mã hóa dữ liệu trên băng đục lỗ, băng từ bằng máy tính nhằm giảm bơt các yêu cầu về phần cứng, lập trình đơn giản hơn, nhanh chóng và linh hoạt hơn

Vào thời điểm này, máy tính rất đắt tiền nên người ta dùng một máy chủ (host) để điều khiển chung nhiều máy NC qua mạng kết nối Hệ thống trên gọi là DNC (Hình1.3)

Hình 1.3 Hệ thống DNC

1.3/ CNC (Computer Numerical Control)

Vào cuối thập niên 60, sự ra đời của công nghệ vi xử lý đã đưa đến sự xuất hiện của PLC,

Microcomputer Các thiết bị này ngay sau khi ra đời đã được ứng dụng trên các máy NC, và thế hệ máy CNC đã ra đời Với CNC, mỗi máy NC được phục vụ bởi 1 PLC hoặc Computer riêng Điều này cho phép chương trình có thể nhập và lưu trữ riêng trên mỗi máy CNC Nhưng lại xuất hiện các vấn đề mới đó là quan lý dữ liệu (giữa các máy không có sự liên hệ chặt chẽ với nhau) Các thành phân cơ bản của máy CNC bao gồm: Hình 1.4

• 1/ Chương trình gia công (Part program )

• 2/ Thiết bị đọc chương trình (Program input device )

• 3/ Machine control unit (MCU)

• 4/ Hệ thống truyền động (Drive system )

Hình 1.4 Cấu trúc của máy CNC

1.4/ DNC II (Distributed NC)

Để việc quản lý dữ liệu giửa các CNC tốt hơn, hệ thống DNCII đã được đưa vào ứng dụng trong sản xuất, là sự kết hợp giửa DNC và CNC Hệ thống DNC II bao gồm các máy tính chủ (Host Computer) và các máy tính cục bộ (Local computer) kết nối với nhau Nó cho phép các chương trình gia công được lưu trên máy chủ nên việc quản lý tốt hơn Các chưưng trình này có thể được download xuống các local computer hoặc PLC Và ta cũng có nhập chương trình và dao diện trực tiếp từ các máy cục bộ (local) Và nếu máy chủ bị ngưng thì các máy CNC vẫn có thể hoạt động bình thường Đây là ưu điểm cơ bản của DNC II so với DNC

Hình 1.5 Hệ thống DNCII

1.5 Hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS: Flexible Manufacturing System)

Vào giửa thập niên 60, công ty Molins Ltd (anh) đã phát triển hệ thống 24, là tiền thân của hệ thống FMS Tuy nhiên do hạn chế về kỹ thuật nên hệ thống sản xuất linh hoạt vẫn chỉ dừng lại

ở mức độ lý thuyết, ý tưởng trong suốt những năm 60s, 70s vào cuối thập niên 1970, đầu thập niên 1980s, với sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển phức tạp nhờ máy tính, hệ thống FMS đã được ứng dụng thành công Hệ thống FMS dược ứng dụng chủ yếu ở US trong các lĩnh vực chế tạo ô tô, xe cơ giới, máy bay…Hệ thống FMS điển hình bao gồm:

• Hệ thống trao đổi thông tin

• Hệ thống điều khiển bằng máy tính (Computer controlled system)

• Con người ( Human operator)

• Hệ thống thay dao tự động (automated tool changers)

FMS tạo nên một bước tiến mới hướng đến việc tích hợp hoàn toàn qúa trình sản xuất, dựa trên các hệ thống, quan điểm tự động hóa sau:

• CNC

• DNC II

• Hệ thống xử lý phôi liệu tự động (Automated material handling system.)

• Công nghệ nhóm (Group Technology)

¾ Một số mô hình FMS điển hình

Hình 1.6 Single machine cell

Hình 1.7 Multiple workstation Cell

Hình 1.9 FMS ở hãng sản xuất Vought Aircraft

1.6/ Hệ thống sản xuất tích hợp (CIM: Computer Intergated Manufacturing/ flexible

design and manufacturing)

- Ý tường về hệ thống sx tích hợp được Josheph Harington đề cập đến vào năm 1974, nhưng phải qua hàng chục năm đến đầu thập niên 1990s, hệ thống này mới được ứng dụng thành công

ở Mỹ CIM là hệ thống tích hợp toàn bộ các thành phần của qúa trình sx, được xử lý và điều khiển bởi máy tính Từ việc phân tích thị trường,thiết kế, chuẩn bị phôi liệu, chuẩn bị và tổ chức

sx, kiểm tra chất lượng sản phảâm cho đến cả việc phân phối ra thị trường Với sự ra đời của công nghệ CIM, lịch sử phát triển của sản xuất xã hội đã trải qua các giai đoạn sau:

- Sản xuất thủ công

- Sản xuất cơ khí hóa, chuyên môn hóa

- Tự đông hóa sản xuất

- Tích hợp sản xuất

- Các thành phần cơ bản của hệ thống CIM bao gồm (Hình 1.10)

• CAD/CAM (Computer-aided design/Computer-aided manufacturing)

• CAPP (Computer-aided process planning)

• ERP (Enterprise resource planning)

• CNC machine tools

• DNC

• FMS

• ASRS( automated storage and retrieval systems )

• AGV ( automated guided vehicles )

• Robotics

• Automated conveyance systems

• Computerized scheduling and production control

• CAQ (Computer-aided quality assurance)

• A business system integrated by a common database

• Lean Manufacturing

Hình 1.10 Các thành phần của hệ thống CIM

Với việc tích hợp qúa trình sản xuất, năng xuất tăng lên nhiều lần, giảm chi phí lao động, giảm thời gian thiết kế và phát triển sản phẩm, chất lượng thiết kế cao hơn, tính linh hoạt của hệ thống rất cao giúp đáp ứng nhanh nhu cầu của thị trường, tăng lợi thế cạnh tranh Trong hệ thống CIM, cần có sự chia sẽ thông tin giửa các bộ phận để tăng tính linh hoạt và hoạt động của các khâu hiệu qủa hơn

Chương 2: MÁY ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG TRÌNH SỐ

2.1 Khái Niệm Cơ Bản

2.1.1/ Điều khiển

Là sự thay đổi của các đại lượng đầu ra theo quy luật nhất định nào đó của các đại lượng đầu vào

2.1.2/ Điều khiển số NC ( Numeric Control )

Là hệ thống các hoạt động được điều khiển trực tiếp bởi dữ liệu số được mã hóa bằng

chương trình Chương trình gồm các chỉ thị được mã hóa dưới dạng số, kí tự chữ, và các kí tự đặc biệt khác Các chỉ thị này bao gồm:

¾ Chỉ thị điều khiển: Được chuyển thành 2 dạng:

Tín hiệu xung điện (Pulse): điều khiển tốc độ, số vòng quay của động cơ truyền

động

Tín hiệu đóng/ngắt (ON/OFF) : cung cấp chất bôi trơn và làm nguội, chọn và thay

dao, dừng máy, kẹp nhả phôi…

¾ Thông tin hình học ( Geometrical Information): Là hệ thống thông tin điều khiển

các chuyển động tương đối giữa dao cụ và chi tiết, còn gọi là thông tin về đường

dịch chuyển

¾ Thông tin công nghệ ( Technological Information ): Là hệ thống thông tin cho phép máy thực hiện gia công với những giá trị công nghệ yêu cầu Vd: chuẩn hóa gốc tọa độ, chiều sâu cắt, tốc độ chạy dao, số vòng quay trục chính, chiều quay trục chính,

đóng hay tắt dung dịch trơn nguội

2.1.3/ Điều khiển số bằng máy tính (CNC)

Định nghĩa: CNC là hệ thống NC sử dụng máy tính thiết lập trực tiếp trên hệ điều khiển

máy

Đặc điểm:

¾ Được điều khiển bởi các chỉ thị lưu trữ trên bộ nhớ máy tính để thực hiện một phần

hay toàn bộ các chức năng điều khiển số

¾ Được phát triển dựa trên những thành tựu của công nghệ vi điện tử, vi xử lí

¾ Các hệ điều khiển CNC có khả năng thực hiện các chức năng điều khiển bởi phần

mềm -> đơn giản các mạch điều khiển, giảm giá thành , tăng độ tin cậy

*** Hầu hết các hệ điều khiển số thế hệ mới đều ở dạng CNC

2.1.4/ Máy công cụ điều khiển theo chương trình số (CNC Machine)

Là thế hệ máy công cụ (machine tool) được điều khiển bởi bộ điều khiển CNC

2.2 Cấu trúc hệ thống máy CNC:

Hệ thống máy CNC gồm 6 phần chính: Hình 2.1

- Chương trình gia công(part program) - Thiết bị đọc chương trình ( program input device)

- Bộ điều khiển máy (MCU) - Hệ thống truyền động ( drive system)

- Máy công cụ (machine tool) - Hệ thống phản hồi ( feedback system)

Hình 2.1 Cấu trúc của máy CNC Lưu ý: Đối với máy gia công CNC, chương trình gia công, thiết bị đọc chương trình và bộ xử lý

dữ liệu (DPU) đều được thực hiện bởi máy tính

2.3 Khả năng của máy CNC

Về cơ bản, máy gia công CNC co’ thể thực hiện được các công việc sau:

+ Nhập dữ liệu

+ Biên tập chương trình, lập trình

+ Lưu trữ chương trình

+ Kiểm tra chương trình

+ Chẩn đoán lỗi

+ Hiển thị chương trình và mô phỏng bằng đồ họa quá trình gia công

+ Bù trừ đường kính và chiều dài dao

+ Nội suy hình học

2.4 Ưu và nhược điểm của CNC

• Ưu điểm của CNC

+ Độ chính xác và độ chính xác lặp lại cao

+ Đáp ứng nhanh nhu cầu thị trường, gia công nhiều bề mặt phức tạp

+ Nâng cao năng suất đặc biệt là trong sản xuất đơn chiếc các chi tiêt phức tạp

+ Giảm giá thành điều hành gián tiếp

+ Hạ giá thành sản xuất

+ Thuận lợi cho việc tự động hoá quá trình sản xuất

• Nhược điểm của CNC

+ Chi phí đầu tư ban đầu cao

+ Chi phí lập trình và máy tính kèm theo

+ Chi phí bảo trì cao và cần phải có thợ bảo trì chuyên nghiệp

2.5 Các loại máy CNC

Ngày nay, nhiều loại máy CNC đã được ngiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong chế tạo cơ khí

như:

- Máy phay CNC

- Máy tiện CNC

- Máy gia công tia lửa điện CNC dùng điện cực nhúng

- Máy gia công tia lửa điện CNC dùng dây cắt

- Máy khoan CNC

- Máy mài CNC

- Máy gia công dùng tia laser CNC

- Máy gia công tia nước CNC

- Máy hàn CNC

- Máy đo tọa độ CNC (CMM: Coordinate Measuring Machine)…

Hình 2.2 Máy Phay CNC đứng (CNC Vertical Milling Machine)

Hình 2.4 Trung tâm phay CNC ngang (CNC Horizontal machining center )

Hình 2.5: Máy khoan ngang CNC (horizontal Drilling CNC)

Hình 2.6 Máy tiện CNC

Hình 2.9 Máy đo toạ độ CNC ( CNC Coordinate Measuring machine)

Hình 2.10 Máy gia công tia lửa điện EDM Wire Cut

2.6 Một số bộ phận cơ bản của máy CNC

2.6.1/ Hệ thống điều khiển truyền động CNC (CNC drive systems)

Hệ thống điều khiển CNC bao gồm mạch điều khiển tốc độ (velocity loop) ở trong hệ thống

động cơ truyền động và mạch điều khiển vị trí(position loop control) ở bên ngoài hệ thống động

cơ truyền động Hệ thống điều khiển CNC có thể là hệ thống điều khiển hở (open loop) hoặc hệ thống điều khiển kín (closed loop) Sự khác nhau cơ bản là hệ thống điều khiển kín có phản hồi nhằm đảm bảo độ chính xác yêu cầu

a Hệ điều khiển hở (Open Loop System ) hình 2.11

Hệ thống điều khiển hở không có mạch phản hồi, bộ điều khiển máy xem như sự di chuyển bàn máy đúng như mong muốn Hệ điều khiển hở rất nhạy cảm với sự thay đổi của tải trọng Các sai số vị trí và tốc độ có thể xảy ra khi cắt với lực cắt lớn Tuy nhiên hệ điều khiển hở có ưu điểm là đơn giản, rẻ tiền Do vậy, hệ điều khiển hở chỉ nên dùng trong di chuyển Điểm-> Điểm (PTP)

hoặc trong các máy công suất cắt nhỏ

b Hệ điều khiển kín (Closed Loop System )

Với hệ điều khiển kín, mạch phản hồi được sử dụng để theo dõi đáp ứng thực của đại lượng điều khiển và đưa ra tín hiệu sửa đổi khi có sự sai lệch giữa giá trị mong muốn và gía trị thực Hệ

thống phản hồi có thể là hệ tương tự (analog) hoặc số (digital)

Analog systems: đo sự biến đổi của tín hiệu điều khiển (vị trí, vận tốc) dưới dạng tín hiệu hiệu điện thế Điển hình là dùng máy phát tốc (Tachometers) để đo vận tốc và resolvers để đo vị

trí

Hình.2.12 Mạch điều khiển kín tuần tự (Analog type closed loop CNC drive system)

Digital feedback systems: Dùng bộ xác định vị trí số (digital position transducers ) trong mạch phản hồi Bộ mã hoá (Encoders) được sử dụng phổ biến nhất Còn mạch phản hồi tốc độ vẫn

giống như hệ phản hồi tương tự Hình 2.13

Hình 2.13 Mạch điều khiển CNC kín số (Digital type closed loop CNC drive system)

Ngày nay đa số hệ điều khiển máy CNC đều là hệ kín, Sơ đồ điều khiển máy CNC kín tổng

quát được mô tả như hình 2.14

Hình 2.14 Sơ đồ điều khiển CNC

2.6.2/ Truyền động vít me đai ốc bi (recirculating Ball Screw)

Trong máy CNC, hệ thống truyền động được sự dụng là vitme đai ốc bi (hình2.15) Để thấy rõ

ưu nhược điểm của hệ thống vitme đai ốc bi so với các hệ thống truyền động khác ta xem bảng 2.1

Tín hiệu phản hồi tốc

Hệ thống điều khiển trục

Đai ốc bi

truyền động Máy phát tốc

Hình 2.15 Truyền động vítme – Đai ốc bi

Bảng 2.1 : Ưu điểm của truyền động vít me đai ốc bi

đai ốc bi

Vít me thường

Thủy lực Xích, đai Brăng &

thanhrăng

Kha nang công suất

nhỏ

Chi phí bảo trì thấp X

Độ tinh cậy cao X

Hiệu qủa cao X

Khả năng truyền tải

lớn

X X X

2.6.3/ Động cơ bước (Stepper Motor)

Hình 2.16 mô tả sơ đồ nguyên lý dùng động cơ bước cung cấp điều khiển số không phản hồi về

vị trí của bàn máy khi gia công trên máy CNC Bộ điều khiển nhận tín hiệu về chiều quay và

tính hiệu xung điện để điều khiển góc quay của động cơ Ưùng với mỗi tính hiệu xung điện, bộ

điều khiển sẽ đưa ra tính hiệu cường độ hoặc hiệu điện thế để làm cho động cơ quay một góc

nhất định nào đó (one step) Trục vít me đai ốc bi sẽ biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của các trục

Hình 2.16 Dùng động cơ bước để truyền động trong máy CNC

Về cơ bản động cơ bước được chia làm 3 loại sau: động cơ bước từ trở thay đổi

(Variable-reluctance), Động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Permanent-magnet ) và động cơ bước kết hợp

(hybrid stepper motor)

Động cơ bước từ trở thay đổi ra đời sớm nhất, tuy nhiên ngày nay không được sử dụng rộng rãi

vì độ phân giải và công suất không cao Để nâng cao công xuất ta có thể dùng động cơ bước

nam châm vĩnh cửu Tuy vậy, loại động cơ này độ phân giải cũng không cao (48-24 bước/vòng)

Động cơ bước được dùng rộng rải nhất trong công nghiệp hiện nay la Hybrid stepping motor

Động cơ bước hybrid có Roto từ trở thay đổi với nam châm vĩnh cửu gắn trong các rãnh từ của

nó Từ hybrid muốn chỉ đến sự kết hợp của 2 nguồn từ trường: trừ trường từ các cuộn dây Stato

và từ trường của nam châm vĩnh cửu Hybrid Stepping Motor thường được dùng khi yêu cầu các bước quay góc nhỏ Động cơ bước với bước góc 1.8 độ (200 bước/vòng) là động cơ tiêu chuẩn

được dùng nhiều nhất trong công nghiệp tự động hóa

a Điều khiển đầy bước

Bằng việc điều khiển cường độ dòng điện cung cấp lần lượt cho từng cuộn dây trên Stato của động cơ bước ta sẽ có được các vị trí chính xác tương ứng của Roto (nam châm) Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào tần số xung điện cung cấp cho các cuộn dây Trong trường

hợp này, độ phân giải vị trí của trục vít dẫn động được tính như sau

N

l

u =

Δ Với: l (lead): bước ren (mm/vòng hoặc inch/vòng)

b Điều khiển không đầy bước(vi bước)

Bằng việc điều khiển cung cấp cường độ dòng điện đồng thời cho các cuộn dây stato ta có

thể định vị trí của Roto ở các vị trí trung gian giủa các cuộn dây tương ứng, phương pháp

điều khiển động cơ bước theo cách này được gọi là điều khiển vi bước Điều khiển vi bước

thường được sử dụng khi yêu cầu độ phân giải cao hơn, do vậy độ chính xác cao hơn Tuy

nhiên việc điều khiển phức tạp hơn Các vi bước thường được sử dụng là 1/10, 1/16, 1/32,

1/125 Trong trường hợp điều khiển vi bước độ phân giải được tính như sau

m N

l u

.

=

Δ ; m: số vi bước trong một đầy bước

¾ Lưu ý: Ở đây chỉ nêu lên những khái niệm chung nhất về động cơ bước, việc nghiên

cứu kỹ cấu cạo, cách điều khiển các loại động cơ này nói chung khá phức tạp và sẽ

được học trong các môn học khác

Một số ưu điểm của động cơ bước là

• Giá thành rẻ (Low cost )

• Có thể điều khiển mạch hở (Can work in an open loop , no feedback required)

• Duy trì mô men rất tốt (không cần thắng, biến tốc)

• Mô men xoắn cao ở tốc độ thấp

• Chi phí bảo dưỡng thấp (không có chổi quét) (Low maintenance , brushless)

• Định vị chính xác

• Không phải điều chỉnh các thông số điều khiển

Nhược điểm

Động cơ làm việc không đều, đặc biệt là ở tốc độ thấp (điều khiển đầy bước)

Tiệu thụ dòng diện không phụ thuộc vào tải

kích cở hạn chế

làm việc việc ồn

Mô men giảm theo tốc độ

không có phản hồi nên có thể xảy ra các sai số

2.6.4/ Động cơ Servo

Sự khác nhau cơ bản nhất của động cơ servo so với động cơ bước là động cơ servo có mạch điều khiển kín (close loop control).Như vậy trong động cơ servo cần phải có hệ thống phản hồi để

nhận biết các thông số về vị trí, tốc độ mong muốn Có nhiều phương pháp điều khiển vòng kín trong đó phương pháp dùng bộ điều khiển PID là được sử dụng rộng rải nhất

Ưu điểm cơ bản của động cơ servo so với động cơ bước là

• Mô men trên trục đều hơn (High intermittent torque )

• Tốc độ cao hơn (High speeds )

• Mạch điều khiển tốc độ chính xác và đều hơn (Work well for velocity control)

• Có nhiều kích cở hơn (Available in all sizes )

• Làm việc êm hơn (Quiet)

• Độ chính xác cao hơn

Nhược điểm cơ bản của động cơ servo so với động cơ bước là

Đắt tiền hơn

Không làm việc tốt ở chế độ mạch điều khiển hở, yêu cầu phải có hệ thống phản hồi Yêu cầu phải điều chỉnh các thông số vòng điều khiển

Bảo dưỡng tốn kém hơn, đặc biệt là động cơ DC servo

Hiện này đã có động cơ DC servo và AC servo Động cơ DC servo ra đời trước và đã được sử

dụng rất rộng rãi Nhưng sau rày với khả năng của việc sử dụng các Transistor với cường độ làm việc lớn , các động cơ AC servo đã được chế tạo và được sử dụng ngày càng rộng rãi

Hình 2.19 Hình cắt của động cơ Servo 2.6.5/ Hệ thống phản hồi

Các loại cơ cấu phản hồi

- Biến trở (potentionmeter)

- Đo góc quay (resolvers)

- Bộ mã hoá (Encoder)

- Máy phát tốc (Tachometers)

a Biến trơ û(chiết áp): Có 2 loại cơ bản Biến trở thẳng tuyến tính (linear) và biến trở góc

(Rotary) Nguyên lý hoạt động của chiết áp được mô tả như hình 2.20

Hình 2.20-Chiết áp

Chiết áp khá phổ biến vì giá thành rẽ, không cần các điều khiển xử lý tín hiệu đặc biệt Nhưng

chúng bị giới hạn về độ chính xác, thường khoảng 1% và hao mòn cơ học

b Encoder

Encoder là cảm biến xác định góc xoay tín hiệu đầu ra là tính hiệu số Theo cách nhận tính hiệu

ta có các encoder sau: quang học (optical), điện dung (capacitive), từ (magnetic), bán dẫn Theo nguyên lý xác định vị trí ta chia ra: Encoder tuyệt đối và Encoder gia số

¾ Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder)

Encoder dạng Absolute có ngõ ra là tín hiệu được mã hoá nhị phân Bên trong Encoder bao gồm một dĩa tròn bên trên có khắc các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ theo đường tròn đồng tâm Tuỳ theo độ phân giải của Encoder mà số đường tròn đồng tâm đó nhiều hay ít

Xét trên một đường vạch tròn, một diode phát quang sẽ phát chùm tia đi xuyên qua các vạch trong suốt và bị chặn lại ở những vạch tối Bên kia mặt đĩa, song song với diode phát là một diode thu có nhiệm vụ như một cảm biến, ghi nhận các tín hiệu do diode phát đưa tới Có bao nhiêu đường vạch tròn thì có bấy nhiêu diode thu tín hiệu

Các tín hiệu đọc được từ diode thu sẽ được đưa ra ngoài dưới dạng tín hiệu điện Các tín hiệu điện này sẽ có dạng mã nhị phân phản ảnh vị trí của trục quay Encoder Thông thường để dễ dàng trong chế tạo người ta mã hoá các vạch trong suốt và vạch tối theo mã Gray vì vậy để ứng dụng được trong các hệ thống sử dụng mã Binary thì ta phải có chương trình chuyển đổi từ mã Gray sang mã Binary Một ưu điểm nưa của mã Gray là ở mỗi vị trí kế nhau thì chỉ có một bit được thay đổi, do đó sai số ở ngõ ra chỉ có thể tối đa là một đơn vị Còn ở mã Binary thì có thể gây sai số lớn vì khi thay đổi vị trí thì có thể chỉ có một bit có trọng số cao được thay đổi còn các bit trên hàng khác chưa kịp thay đổi

Bảng 2.2 mã Gray

- Encoder loại Incremental có ít kênh ngõ ra hơn loại Absolute, vì thế cấu tạo của nó đơn giản hơn Trên bề mặt dĩa tròn bên trong Encoder có hai đường tròn đồng tâm Mỗi đường có các vạch trong suốt và các vạch tối xen kẽ nhau Cũng như loại Absolute Encoder, diode phát quang sẽ phát tín hiệu đi xuyên qua vạch trong suốt đến diode thu Hai diode thu này sẽ chuyển đổi thành tín hiệu điện và đưa ra ngoài

- Vị trí các vạch trong suốt của hai đường lệch nhau một góc 0

90 và dựa vào góc lệch pha giữa hai tín hiệu ra là sớm pha hay trễ pha mà ta xác định chiều quay là thuận hay nghịch

- Nguyên lý hoạt động của encoder như sau

- đường tính hiệu bên ngoài (outer track) dùng để xác định vị trí

- đường tính hiệu giữa (middle track) dùng xác định hướng quay

- đường tín hiệu trong (inner track) dùng xác định số vòng

- Bộ đếm sẽ đếm số xung (cạnh lên hoặc xuống) để xác định vị trí

Hình 2.23 Nguyên lý hoạt động của Incremental Encoder

Dạng xung ngõ ra :

ứng bởi tín hiệu trong cuộn dây E1và E2 Khi quay cuộn E3 sẽ gây lên sự khuếch đại tín hiệu

cảm ứng và biến thiên theo hàm số góc quay Ứng với mỗi vị trí sẽ tạo nên một giá trị kết hợp

khác nhau giữa hiệu điện thê cuộn E1 và cuộn E2 như hình 2.27

Hình 2.27

điện áp ở cuộn E1 là V1=V isin(ω γt+ , cuộn E) 2 là V2=V icos(ω γt+ )

V i = hiệu điện thế vào

ω = vận tốc góc

d Bộ đo vận tốc góc (Tachometer)

Bộ đo tốc độ góc quay đo lường vận tốc góc của trục quay Ta có thể dùng phát tốc DC (phát ta hiệu điện thế DC theo tốc độ quay) hoặc phát tốc AC(phát ra hiệu điện thế AC) Ngoài

ra ta còn dùng phát tốc xung (Frequency type tachometer,Kỹ thuật phổ biến là gắn nam châm trên trục quay Khi nam châm di chuyển qua lõi cảm biến cố định, dòng điện được sinh ra Mỗi vòng xoay của trục tạo ra một xung điện áp, xử lý tính hiệu xung này ta sẽ biết được tốc độ

quay) Hình 2.28

Hình 2.28 – Đo vận tốc góc

2.7/ Chuyển động nội suy

2.7.1/ Phương thức di chuyển dao

có 2 phương thức di chuyển dao trong điều khiển số

+ Di chuyển điểm tới điểm (PTP)

+ Di chuyển theo biên dạng (Contour)

a Di chuyển điểm tới điểm

Theo phương thức này, dao di chuyển theo các hành trình thẳng tới vị trí yêu cầu Chuyển động này được sử dụng để di chuyển nhanh - định vị

Có 3 chế độ di chuyển PTP (hình 2.29õ):

+ Di chuyển hướng trục ( axial path )

Dao được di chuyển tuần tự theo các trục : theo phương X, sau đó theo phương Y, hoặc ngược

lại

Ưu điểm: hệ điều khiển đơn giản, di chuyển theo các trục độc lập

+ Di chuyển theo phương xiên 450:

Dao di chuyển theo phương xiên 450 cho đến khi đạt được một trong hai thành phần tọa độ ( X

hoặc Y), sau đó di chuyển theo một trục để đạt được vị trí yêu cầu

+ Di chuyển trực tiếp(linear path):

Dao di chuyển theo hành trình ngắn nhất tới điểm đích

Hình 2.29 Các phương pháp di chuyển PTP

b Di chuyển theo biên dạng (contour)

Dao di chuyển theo biên dạng yêu cầu để thực hiện quy trình gia công Biên dạng (contour)

bao gồm chuỗi các đường cong(curve), tùy thuộc vào hình dạng của các đường cong trong không gian ta có thể phân ra đường cong 2D, 2.1/2D, 3D, 4D, 5D…Hình 2.30->2.33

Hình 2.30 Hệ thống tạo biên dạng 2D

Hình 2.31 Hệ thống tạo biên dạng 2.1/2 D

Hình 2.32 Hệ thống tạo biên dạng 3 D

Chỉ tạo ra các đường cong trong mặt phẳng xy, trục z được điều khiển độc lập với xy

Có thể điều khiển đồng thời theo hai trục bất kỳ để tạo nên các đường cong trong mặt xy, yz, zx, phương còn lại thường là phương tiến dao

Có thể điều khiển đồng thời theo 3trục để tạo nên các đường cong trong không gian Thường dùng để gia công các bề mặt phức tạp

Hình.2.33 Hệ thống tạo biên dạng 4 D Các loại đường cong thường gặp trong chuyển động gia công CNC là:

Đường bậc 1 (linear) : đường thẳng

Đường bậc 2 (conic) : cung tròn, elip, parabol, hyperbol

Đường bậc 3 (cubic)

Các đường bậc cao hơn Thực hiện: Các đường cong bậc cao được xấp xỉ bởi chuỗi phần tử

hình học cơ bản bởi 3 nhóm trên

# Trong điều khiển số, các di chuyển cơ bản này được gọi là chuyển động nội suy

2.7.2/ Chuyển động nội suy

+ Điều khiển số sử dụng 5 chế độ nội suy:

- Nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, nội suy đường xoắn, nội suy parabol, nội suy bậc 3

+ Bộ nội suy:

Là thiết bị điện tử ( đối với hệ NC), là phần mềm ( đối với hệ CNC) có các nhiệm vụ :

- Tìm ra vị trí trung gian cho phép hình thành một biên dạng cho trước trong một giới hạn

dung sai xác định trước

- Nội suy một cách thích hợp các yếu tố biên dạng đòi hỏi

- Tốc độ đưa ra 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 trong chương

trình

Hệ thống CNC thực hiện nội suy ở hai mức:

- Nội suy thô: xác định tọa độ các điểm đầu và điểm cuối của đoạn biên dạng

- Nội suy tinh: thực hiện tiếp nội suy tuyến tính giữa các điểm trung gian này

Trong hầu hết các máy CNC thông thường chỉ sử dụng nội suy đường thẳng và nội suy vòng

tròn các dạng nội suy khác như parabol, hyperbol hay bậc cao hơn không thực hiện vì chúng

hầu như không có trong đòi hỏi thực tế Với nội suy thẳng và nội suy vòng, có thể thực hiện

được những khả năng sau:

Nội suy thẳng theo 2 trong n trục

Nội suy thẳng theo n trong n trục

Nội suy vòng theo 2 trong n trục

Nội suy vòng theo 2 trong n trục đồng thời với nội suy thẳng theo trục vuông góc ( nội suy

đường xoắn ốc)

Ngoài 3 trục điều khiển x, y,z còn thêm vào trục điều khiển góc quay của bàn máy

2.7.3/ Phương pháp nội suy:

Để xác định giá trị cần về vị trí trên các trục riêng lẻ, người ta ứng dụng các phương pháp nội

suy khác nhau

Nếu phân loại theo thuật toán sử dụng, ta có thể phân bố nội suy theo 2 nhóm:

- Nhóm 1: các thiết bị làm việc theo nguyên tắc hàm đánh giá và bộ phân tích vi phân số

- Nhóm 2: các thiết bị làm việc theo nguyên tắc tích phân số

Nếu phân loại theo phương pháp thực hiện, có 2 loại:

Nội suy đường thẳng theo 2 hay 3 trục rất thông dụng

+ Các thông số yêu cầu:

Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối

Tốc độ di chuyển trên mỗi trục

+ Khả năng:

Về lí thuyết, nội suy đường thẳng có thể lập trình quỹ đạo cong bất kì, nhưng lượng dữ liệu

cần xử lí rất lớn Sử dụng nội suy cung tròn, parabol, đường xoắn làm giảm đáng kể lượng dữ

liệu cần lập trình

Hình 2.34 Nội suy đường thẳng

Ví dụ: Nội suy từ điểm A đến điểm E

Sử dụng phương pháp “ Phân tích vi phân số” DDA ( Digital Differenttial Analyse)

Xét một dao cần chuyển động từ:

PA (điểm khởi xuất) đến PE (điểm kết thúc) theo một đường thẳng với một tốc độ chạy

dao

u xác định (hình vẽ)

Gọi L: đoạn đường từ PA đến PE

Vậy trong thời gian T = L/u các đoạn đường thành phần (xE-xA) và (yE-yA) phải được thực hiện Tọa độ vị trí các điểm trung gian được tính theo hàm thời gian:

Chia thời gian T thành các khoảng Δt= T/N đủ nhỏ, phép tích phân cho phép thay bởi phép cộng số:

Với mỗi bước cộng, giá trị về vị trí lại tăng thêm một bước bằng hằng số Để đảm bảo độ chính xác của biên dạng nội suy, các bước cộng phải nhỏ hơn suất đơn vị Δf của truyền động chạy dao Thông thường Δf = 0,001 mm

b Nội suy cung tròn

+ Khái niệm:

Dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo một cung tròn bởi một câu

lệnh (block) đơn giản, thay thế cho rất nhiều câu lệnh nội suy đường thẳng Hình 2,35

+ Thực hiện:

Nội suy đường tròn theo 2 trục

+ Các thông số yêu cầu:

Tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối, tâm hoặc bán kính cung tròn

Tốc độ di chuyển trên mỗi trục

+ Khả năng:

Nội suy cung tròn hay toàn bộ đường tròn

+ Phương pháp thực hiện:

Phương pháp nội suy DDA cũng được ứng dụng trong nội suy cung tròn

Hình 2.35 Nội suy cung tròn vdụ: Nội suy cung tròn từ PA đến PE:

Nội suy vòng

PA: điểm khởi xuất PE: điểm đích P: điểm thuộc đường cong

c Nội suy xoắn ốc (Helical Interpolation)

Là phương pháp nội suy kết hợp giữa nội suy kết hợp giữa nội suy cung tròn theo hai trục và nội suy tuyến tính theo trục thứ 3 (hình 2.36)

Hình 2.36 Nội suy xoắn ốc

d Nội suy parabol (Parabolic Interpolation)

Dủng điểm không thẳng hàng để xấp xỉ đường cong có biên dạng tự do Lạoi nội suy này thường dùng trong tạo khuôn mẫu khi mà các đường cong biên dạng tự do(free shape) được yêu cầu

thay vì là các đường cong có biên dạng chính xác Ta có thể dùng nội suy Parabol để tạo các

đường cong bậc cao So với nội suy đường thẳng, nội suy parabol giảm khoảng 50 lần số các

điểm cần lưu trữ Hình 2.37

Hình 2.37 Nội suy Parabol

Ta có: x = xv+ Au2 ; y = yv + 2Au

=> Xn+1= xn + (yn – yv)Au + (AΔu)

Yn+1 = yn+ 2AΔu

e Nội suy bậc 3 (Cubic)

Là phương pháp xấp xỉ biên dạng bằng đường cong bậc 3 phương pháp này thường được dùng

tạo các bề mặt rất phức tạp như khuôn võ xe hơi, máy bay…

Chương 3: CƠ SỞ LẬP TRÌNH NC

3.1.3/ Định dạng của một chương trình NC:

Định dạng phổ biến nhất là định dạng địa chỉ lệnh (word address format) Định dạng này bao gồm các mã lệnh (commands) được truyền đến hệ thống servo, rơle, công tắc để thực hiện các tác vụ gia công Các mã lệnh liên kết nhau tạo thành khối lệnh (Block) Bộ điều khiển máy sẽ thực hiện các thao tác điều khiển theo từng khối lệnh một Kết thúc một khối lệnh sẽ có dấu kết thúc khối (EOB) Cấu trúc của một chương trình CNC được minh họa như hình 3.1

Hình 3.1 Cấu trúc chương trình NC

a Địa chỉ lệnh:

Là chữ cái alphabet đầu lệnh, chỉ thị vị trí lưu trữ dữ liệu số theo sau Các chử cái được dùng trong mã lệnh được thể hiện trên bảng3.1

Bảng 3.1 Các mã lệnh NC

Số hiệu chương trình O Số hiệu chương trình

Số thứ tự khối lệnh N Số thứ tự khối lệnh

Lệnh G G Phương thức nội suy chuyển động

X,Y,Z Trục chuyển động tịnh tiến chính U,V,W Trục chuyển động tịnh tiến phụ A,B,C Trục quay chính I,J,K Tọa độ tâm cung tròn

Kích thước

R Bán kính cung tròn Tốc độ chạy dao F Tốc độ chạy dao

Tốc độ trục chính S Tốc độ quay trục chính

M Lệnh đóng/ ngắt (ON/OFF)

Lệnh phụ

B Điều khiển bàn xoay Số hiệu thanh ghi dịch

chỉnh

D,H Số hiệu thanh ghi dịch chỉnh

Dừng tạm thời P,X Thời gian dừng tạm thời

Lệnh gọi chương trình P Số hiệu chương trình con;

Số lần lặp lại chương trình con

b Câu Lệnh ( Word):

Là chuỗi kí tự, số, chỉ thị một đại lượng điều khiển nhất định

Ví dụ: N10 : số thứ tự khối lệnh; G01 : nội suy đường thẳng; X2.0: tọa độ phương X; F300 tốc độ chạy dao; T07 : số hiệu dao; M09 : ngắt thiết bị chất làm nguội…

c Khối lệnh (Block) :

Là chuỗi các lệnh đầy đủ để thực hiện một thủ tục di chuyển hoặc một tác vụ hoạt động của máy Khối lệnh được coi là đơn vị cơ bản của chương trình CNC Cấu trúc điển hình của khối lệnh như sau:

N G X Y M S T EOB(;)

Thí dụ:

N05 G21; :hệ mét

N10 G90 G00 X0 Y0; : tọa độ tuyệt đối, chạy dao nhanh đến (0,0)

3.1.4/ Cấu trúc chương trình CNC: