TIỂU LUẬN môn TRUYỀN ĐỘNG CNC

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ - - BÀI TẬP TIỂU LUẬN MÔN TRUYỀN ĐỘNG CNC GV HƯỚNG DẪN: Phạm Hữu Lộc Thứ tiết 10-12 B207 TP.HỒ CHÍ MINH – 2018 DANH SÁCH NHĨM 2 Lê Trọng Tiến Phan Văn Thắng Nguyễn Trọng Nam Nguyễn Văn Hoàng Lê Hữu Phúc 1.4 Hệ thống điều khiển CNC • Khi vận tốc thực vị trí thực sensor nhận biết hồi tiếp ngược mạch điều khiển, động servo dung máy CNC liên t ục điều khiển cho sai số vận tốc sai số vị trí gi ữa v ị trí c ần vị trí thật nhỏ Hệ thống hồi tiếp đầy đủ bao gồm vòng lặp điều khiển độc l ập điều khiển trục máy • Vòng hồi tiếp vị trí (position loop) • Vòng hồi tiếp vận tốc (velocity loop) • Vòng lặp dòng điện (current loop) Phân loại hệ thống điều khiển CNC Dựa theo phương pháp mà hệ điều khiển xác định kiểm tra vị trí, người ta chia hệ thống điều khiển thành loại sau: • Điều khiển chu trình kín (semi-closed loop) • Điều khiển chu trình hở (open loop) • Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop) • Điều khiển chu trình kín (closed loop) 1.4.1 Điều khiển chu trình kín (semi-closed loop) • Là loại hệ thống điều khiển phổ biến • Thiết bị kiểm tra vị trí lắp vào trục động servo chúng kiểm tra góc quay • Độ xác cuối (chuy ển động bàn máy) ph ụ thu ộc l ớn vào độ xác trục vitme • Một số máy hệ CNC cho phép bù trừ sai số b ước vít me khe h trục vitme để tăng độ xác • Bù trừ sai số bước vít me cách hiệu ch ỉnh th ị đến h ệ d ẫn đ ộng servo nhằm loại bỏ sai số tích lũy Bù trừ sai số khe h chi ều chuy ển động đổi dấu, lượng xung tương ứng với khe h đ ược g ửi đ ến h ệ điều khiển động servo để hiệu chỉnh • Nhược điểm: • Mặc dù điều khiển thể bù trừ sai số bước khe hở vitme khó đạt độ xác cao ảnh h ưởng khe h thay đổi theo khối lượng chi tiết gia cơng • Độ mòn trục vít me khác vị trí khác • Khe hở vitme thay đổi theo nhiệt độ • Do vậy, điều khiển chu trình kín khắc phục sai số c vitme 1.4.2 Điều khiển chu trình kín (closed loop) Thiết bị giám sát vị trí (linear scale) xác cao đ ược l ắp bàn máy vị trí thực bàn máy hồi tiếp hệ điều khiển Thiết bị giám sát vị trí (linear scale) xác cao đ ược l ắp bàn máy vị trí thực bàn máy hồi tiếp hệ điều khiển • Hiện tượng cộng hưởng dao động khung máy, t ượng dính trượt bàn máy làm ảnh hưởng đến đặc tính hệ servo • Nếu tần số cộng hưởng máy thấp tần số đáp ứng hệ ều hệ điều khiển vị trí trở nên ổn định • Vì người ta cố gắng tăng độ cứng vững khung máy nh ằm tăng tần số dao động cộng hưởng máy; đồng thời giảm hệ số ma sát lo ại bỏ nguyên nhân gây thiếu hụt chuyển động • Trong trường hợp khó tăng độ cứng vững c máy kh ối l ượng chi tiết gia cơng lớn khó loại bỏ t ượng thi ếu hụt chuy ển động tượng dính/trượt chuyển động máy CNC h ạng nặng, người ta sử dụng điều khiển chu trình hỗn hợp nhằm bảo đảm độ xác vị trí mà khơng làm tính ổn định điều khiển 1.4.3 Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop) • Có hai vòng lặp điều khiển: vòng nửa kín giám sát chuy ển đ ộng c đ ộng cơ, vòng kín sử dụng thước quang để giám sát vị trí bàn máy • Trong vòng lặp nửa kín, dùng thuật tốn điều ển có đ ộ nh ạy cao vòng lặp khơng bị ảnh hưởng tồn khung máy • Trong vòng lặp kín, độ xác điều khiển đ ược tăng lên nh ph ương pháp bù trừ sai số mà vòng lặp nửa kín khơng thực đ ược Vì vòng l ặp kín bù trừ sai số vị trí nên hoạt động tốt chế độ nh ạy th ấp h ơn • Sự kết hợp vòng lặp kín nửa kín cho phép đ ảm b ảo đ ộ xác điều khiển trường hợp 1.4.4 Điều khiển chu trình hở (open loop) • Dữ liệu chương trình gia cơng nhập đưa vào ều ển máy MCU Nó giải mã lưu trữ nhớ người vận hành bấm nút bắt đầu chạy chương trình • Từng lệnh chương trình chuyển đổi sang xung điện cách tự động để gửi tới điều khiển, kích hoạt điều ển động servo • Lượng dịch chuyển động (hay bàn máy) ph ụ thu ộc vào s ố xung điện (electric pulses) mà động nhận • Khơng thể áp dụng cho máy CNC có độ xác ≥ 0,02 mm ho ặc có lực cắt gia cơng lớn • Điều khiển chu trình hở thường sử dụng động bước (stepper motor) chiều Độ xác gia cơng chủ yếu phụ thuộc vào độ xác chuyển động động bước, vítme hệ thống truyền động • Khi mơmen quay nhỏ thay đổi độ xác dịch chuy ển cao, máy gia công tia lửa điện (cắt dây, EDM) s d ụng điều khiển theo chu trình hở 1.5 Các thành phần hệ thống CNC Hệ thống CNC gồm phận: –Hệ điều khiển số (NC-Numerical control): điều khiển vị trí t ương tác người-máy –Hệ điều khiển động –Hệ drivers • Chỉ có hệ NC gọi hệ điều khiển CNC Theo chức năng, hệ điều khiển CNC gồm: – Bộ phận giao tiếp người-máy (MMI-Man machine interface) – Phần lõi điều khiển số (NCK-Numerical Control kernel) – Điều khiển logic khả lập trình (PLC-Programmable logic control) 1.5.1 Chức MMI • MMI thực chức tương tác với người vận hành máy Vì th ế có nhiều loại giao diện người dùng khác tùy vào nhà s ản xu ất máy công cụ khác Các chức MMI chia nhóm sau: • Chức hoạt động máy (operation): – Hiển thị trạng thái máy: khoảng cách lại, tốc độ tr ục chính, t ốc độ chạy dao, dòng lệnh hành – Hỗ trợ hoạt động máy: di chuy ển bàn máy tay, nh ập d ữ li ệu tay, tìm/soạn thảo chương trình, quản lý dụng cụ • Chức thiết lập tham số (parameter-setting): chia thành loại: – Tham số máy: để thiết lập chế độ thông thường máy, hệ truyền động động servo trục chính, offset dao, hệ tọa đ ộ máy chi tiết, vùng an toàn • Chức soạn thảo chương trình (programediting): Cho phép nhập chỉnh sửa chương trình gia cơng – Lập trình dùng mã G/M-code (chuẩn EIA/ISO programming – Electronic industry standardization) Association/International organization for – Lập trình theo ngơn ngữ hội thoại người máy (conversational programming system) phát triển gần đây: người lập trình khơng cần nhớ chi tiết cú pháp chương trình mà nhập thơng s ố nh v ị trí, chiều sâu gia cơng; chương trình hỗ trợ lập trình máy t ự động sinh mã G/M-code • Chức giám sát cảnh báo (monitoring and alarm): H ệ th ống ều khiển CNC thông báo cho người sử dụng trạng thái tình tr ạng c máy Chức cần thiết máy hoạt động tốc độ cao – Đèn báo mức độ tải máy – Chuông/đèn báo lỗi cố – Báo cáo trạng thái PLC • Các tiện ích khác: – Chức điều khiển số trực tiếp (DNC-Direct numerical control) có nhiệm vụ truyền chương trình gia cơng soạn thảo bên ngồi máy CNC xuống máy CNC để tiến hành gia công – Chức copy tham số máy bên lưu thành file đ ể lưu trữ – Chức giao tiếp trao đổi liệu máy tính hệ điều ển CNC 1.5.2 Chức NCK (lõi điều khiển số) • Hệ CNC thơng dịch liệu nhập, lưu giữ nh ớ, g ửi l ệnh đ ến hệ thống truyền động, kiểm tra tín hiệu phản hồi vị trí tốc độ từ hệ thống truyền động • Các khối chức NCK dòng thông tin NCK đ ược xem b ộ phận thiết yếu hệ CNC • Các chức NCK: thơng dịch, n ội suy, ều ển gia tốc/giảm tốc điều khiển vị trí Các khối chức NCK • Chức thơng dịch (interpreter): – Đọc chương trình gia cơng (part program) – Thông dịch block lệnh dạng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) lưu giữ nhớ trong, sau chuy ển sang nội suy (interpolator) – Các khối lệnh (blocks) thực tuần tự, trình thơng dịch đọc dịch block lệnh khối lệnh phía trước thi hành – Vì thế, thời gian thơng dịch khối lệnh phía sau dài h ơn th ời gian th ực lệnh máy phải chờ khối lệnh thông d ịch xong – Để tránh việc máy phải dừng tạm thời thời gian thông dịch l ệnh l ớn thời gian thi hành lệnh, người ta dùng đệm (buffer) đ ể l ưu tr ữ t ạm thời liệu thông dịch • Chức nội suy (interpolator): – Đọc thông tin thông dịch lưu trữ nh đệm – Tính tốn vị trí, tốc độ đơn vị thời gian tr ục máy – Lưu trữ kết vào nhớ đệm khác (FIFO-first in first out) đ ể ều khiển việc tăng tốc/giảm tốc – Nội suy đường thẳng nội suy đường tròn hai kiểu nội suy ển hình hệ thống NC Nội suy parapol, nội suy spline m ột số n ội suy khác dùng số máy CNC – Bộ nội suy phát xung (pulse) ứng với liệu đường tùy vào lo ại đường nội suy (thẳng, tròn, prarapol hay spline) g ửi xung đ ến đệm FIFO Số lượng xung định dựa vào vận tốc Trong hệ NC, chuyển vị xung định độ xác d ịch chuy ển (khơng xét sai số khí) – Ví dụ trục chuyển động 0.002mm/xung đ ộ xác hệ thống NC 0.002 Thêm vào đó, h ệ th ống NC ph ải t ạo 25000 xung để dịch chuyển chi tiết đoạn 50 mm 8333 xung/giây để dịch chuyển với tốc độ mét/phút • Chức điều khiển vị trí: – Nếu điều khiển vị trí thi hành cách sử dụng d ữ liệu t ạo t b ộ nội suy, máy bị rung mặt khí quán tính chi tiết bắt đầu chuyển động dừng – Để khắc phục tượng đó, việc điều khiển gia tốc gi ảm t ốc ph ải thực trước liệu nội suy gửi đến điều khiển v ị trí 1.5.3 Khối chức PLC Bộ điều khiển logic dùng để thi hành điều khiển mang tính máy móc cơng nghiệp Trong q khứ, điều khiển logic thực chủ yếu phần cứng bao gồm rơle, đếm, timer mạch điện Chúng gọi điều khiển dựa vào phần cứng Gần đây, hệ thống PLC gồm thiết bị điện hơn, chúng bao gồm vi xử lý nhớ Chúng có khả thực phép logic, đếm, chức timer tính tốn số học Vì vậy, PLC gọi điều khiển logic dựa vào phần mềm (software-based logic controller) Ưu điểm PCL bao gồm: - Linh hoạt: điều khiển logic thay đổi cần thơng qua thay đổi chương trình (phần mềm) - Khả mở rộng: thực dễ dàng cách thêm module sửa lại chương trình - Hiệu kinh tế: giảm giá thành giảm thời gian thiết kế, độ tin cậy cao, dễ bảo trì - Tiết kiệm khơng gian: có kích thước nhỏ gọn so với điều khiển hộp rơle Tin cậy: xác xuất hỏng tiếp điểm thấp PLC sử dụng cơng nghệ bán dẫn - Tính hoạt động tốt: thực đươc phép tốn học soạn thảo chương trình Kiến trúc phần cứng phận PLC hệ NC bao gồm vi xử lý, hệ thống nhớ, nhớ chươg trình module input/output hình 3.5 Ngay nguồn bật lên, hệ thống nhớ set môi trường phần cứng cho PLC nhớ chương trình, quản lý input/output, rơ le, timer, lưu giữ chương trình người dùng, liệu thông dịch vi xử lý Module input/output giao tiếp với cơng tắc hành trình, rơle… Các module chức thực PLC thể hình 3.6 tóm tắt sau: Ban đầu, người dùng tạo chương trình ứng dụng cách dùng chương trình soạn thảo PLC bên ngồi sau nạp vào PLC Ở giai đoạn này, thiết bị chuyên dụng dùng để giúp người dùng soạn thảo chương trình gọi programer hay loader Programer bao gồm trình soạn thảo để soạn chương trình biên dịch (compiler, lưu ý biên dịch khác với thơng dịch) chuyển chương trình PLC thành ngơn ngữ PLC hiểu thi hành Lý phải dùng trình biên dịch chương trình biên dịch thực nhanh hiệu nhiều so với chưa biên dịch Chương trình PLC biên dịch truyền qua CPU module Trạng thái PLC thi hành CPU module gửi đến chương trình PLC để người dùng giám sát trạng thái hoạt động 1.5.4 Hệ thống kiểm soát thời gian Trong hệ thống NC, đơn vị NCK, đơn vị PLC, đ ơn v ị MMI nên thực khoảng thời gian khơng đổi Do tính ch ất này, h ệ thống NC hệ thống thời gian thực phức tạp Ví dụ, giả sử có hệ thống có chức NCK nh diễn d ịch, n ội suy , điều khiển vị trí chức MMI Trong hệ th ống này, c ần ph ải quản lý tốt lịch biểu thực mô-đun chiếm dụng tài nguyên c máy xử lý, hình 1.17 Nghĩa là, chức lập kế hoạch nhiệm v ụ quản lý việc thực mô-đun dựa khoảng th ời gian m ức độ ưu tiên xác định trước cần thiết Trong ví dụ trên, ý định thiết kế điều khiển vị trí, khả liên l ạcr, trình thơng dịch, MMI có, tương ứng, cao nhất, th ứ hai, th ứ ba, mức ưu tiên thấp Ngồi thiết kế tính mà vị trí ki ểm sốt với ưu tiên cao kích hoạt msec thông dịch viên với thứ tự ưu tiên thứ hai msec thông dịch viên đ ược th ực lần msec Ba nhiệm vụ nêu thiết kế để có th ời gian chu kỳ liên tục (thời gian lấy mẫu) MMI với mức ưu tiên thấp thiết kế đ ể sử dụng tài nguyên xử lý dư thừa sau kết thúc nhiệm vụ tuần hồn Đó là, thiết kế nhiệm vụ không cyclic 1.6 Tiến độ tiến hệ thống CNC : Trong 50 năm qua, tiến NC CNC tóm tắt thể hình 1.18 Các hệ thống NC phát triển vào năm 1950 thực dựa phần cứng nghiên cứu để thay thành phần phần cứng thành phần phần mềm tiến hành Sự tiến công nghệ điện năm 1970 - 1980, đặc biệt, có nghĩa hệ thống NC trở thành hệ thống CNC có chức thực vi xử lý Tuy nhiên, hệ thống CNC hệ thống khép kín mà người sử dụng khơng thể thêm chức tùy chỉnh vào hệ thống CNC Do đó, năm 1990, nỗ lực thực để thay đổi hệ thống CNC khép kín thành điều khiển kiến trúc mở (OAC), hệ thống CNC theo người sử dụng PC mở dựa máy tính bao gồm máy tính VME giới thiệu điều khiển Kiến trúc Mở Tuy nhiên, CNC mở dựa PC khơng đạt hồn hảo hồn hảo để đáp ứng đầy đủ yêu cầu khác người dùng từ quan điểm phần cứng phần mềm Do đó, để khắc phục nhược điểm này, người ta hy vọng hệ thống CNC tương lai trở thành soft-NC, mở CNC với kiến trúc đạt cởi mở phần mềm phần cứng chức modul hóa tích hợp cách có hệ thống thông qua công nghệ mạng Soft-NC thiết kế để sử dụng PC phần cứng kiến trúc thiết kế dựa công nghệ hướng đối tượng để hoàn thành cởi mở từ quan điểm phần mềm Công nghệ thành phần áp dụng cho việc thực mô-đun chức bus mềm chung hỗ trợ chế biến phân tán thời gian thực áp dụng cho việc tích hợp thành phần Các soft-NC có kiến trúc áp dụng cho robot cơng cụ máy Các đặc tính CNC Mở tóm tắt Hỗ trợ STEP định dạng liệu tiêu chuẩn để gia cơng liệu cho dòng chảy liên tục trình sản xuất (từ CAD sang gia cơng) Sử dụng bus mềm (ví dụ CORBA) để hỗ trợ môi trường xử lý phân tán theo thời gian thực,ment tự để thêm mô-đun chức cho CNC Hỗ trợ API dựa thành phần để kết nối môđun phần mềm ứng dụng với tảng hệ thống Hỗ trợ giao diện tiêu chuẩn để giao tiếp với hệ thống bên Hỗ trợ nhiều loại bus trường để kết nối cảm biến với I / O trợ giao diện số hệ thống servo hệ thống CNC Hình 1.19 cho thấy ví dụ CNC mà khái niệm Soft-NC áp dụng CNC thể hình 1.19 thiết kế dựa khái niệm mơ đun hố, tiêu chuẩn hố phân phối sử dụng chương trình phần tương thích STEP làm đầu vào CNC tạo đường dẫn cơng cụ cách sử dụng trình thơng dịch mã trình tạo cơng cụ toolpath liên kết qua bus mềm API Sau đó, đường dẫn chuyển tới NCK thông qua môi trường truyền thơng chuẩn Trong q trình giải thích thủ tục nêu trên, mô đun giám sát hoạt động mô đun điều khiển thích ứng, mà người dùng phát triển bổ sung vào CNC, thực đồng thời Tóm lại, hệ thống NC tương lai nên thơng minh thực nhiệm vụ phức tạp môi trường phân tán với tiến vi xử lý hệ thống truyền thông Tức là, hệ thống NC tương lai trở thành hệ thống phân phối thực bồi thường thời gian thực dựa tình trạng gia công từ cảm biến, truyền thông chia sẻ liệu gia công với CNC khác, điều khiển Cell MES, tự thực nhiệm vụ Tài liệu tham khảo Theogy and design of CNC systems https://docs.google.com ... điều ển CNC 1.5.2 Chức NCK (lõi điều khiển số) • Hệ CNC thơng dịch liệu nhập, lưu giữ nh ớ, g ửi l ệnh đ ến hệ thống truyền động, kiểm tra tín hiệu phản hồi vị trí tốc độ từ hệ thống truyền động. .. khiển chu trình hở thường sử dụng động bước (stepper motor) chiều Độ xác gia cơng chủ yếu phụ thuộc vào độ xác chuyển động động bước, vítme hệ thống truyền động • Khi mơmen quay nhỏ thay đổi... tự động để gửi tới điều khiển, kích hoạt điều ển động servo • Lượng dịch chuyển động (hay bàn máy) ph ụ thu ộc vào s ố xung điện (electric pulses) mà động nhận • Khơng thể áp dụng cho máy CNC