Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay cnc

Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay cnc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO BÀN

MÁY PHAY CNC

TẠ MINH TIẾN

THÁI NGUYÊN 2008

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH: TỰ ĐỘNG HOÁ

NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT VÀ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG

CHO BÀN MÁY PHAY CNC

Học viên : Tạ Minh Tiến

Người hướng dẫn khoa học : PGS.TS Võ Quang Lạp

THÁI NGUYÊN 2008

TS Nguyễn Văn Hùng PGS.TS Võ Quang Lạp Tạ Minh Tiến

Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC 1 Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề

các

2

Hình 1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC 5 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý của 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z) 6 Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số 7

Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay 11

Hình 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm 17 Hình 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC 21 Hình 2.2 Các điểm Reference Marks trên Encoder 22 Hình 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối

giữa công tác trượt và một đầu của dây điện trở 23 Hình 2.4 Bộ đo góc, một loại cảm biến mà tín hiệu đầu ra của nó là

một hàm lượng giác của vị trí trục roto  Hai cuộn roto đặt cách nhau 900, hai cuộn Stator cũng đặt cách nhau 900

24

Hình 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn

Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian 26 Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số 26 Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital 26 Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu

Hình 2.14 Thành phần cơ bản của MCU 31 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý dây quấn của động cơ không đồng bộ 36 Hình 3.2 Hệ trục vector không gian(a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên

CD – khâu vi phân dòng điện

Hình 3.19 Bộ điều chỉnh sức biến đổi dòng điện 65 Hình 3.20 Sơ đồ cấu trúc trạng thái động của mạch vòng suất biến đổi

Hình 4.1 Hệ thống truyền động Thyristor - Động cơ 68 Hình 4.2 Mạch điện thay thế của động cơ một chiều 69

Hình 4.4 Tuyến tính hoá đoạn đặc tính từ hoá và đặc tính tải 71

Hình 4.6 Sơ đồ cấu trúc khi từ thông không đổi 72 Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc thu gọn:

a Theo tốc độ, b Theo dòng điện 73 Hình 4.8 Thời gian phát xung và thời gian mất điều khiển của bộ chỉnh

Hình 4.16 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID 87 Hình 4.17 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau

của vị trí đặt đầu vàođặt = 10(V), I = 0(A)

88

Hình 4.18 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác nhau của vị trí đặt đầu vàođặt = 10V, I = 8,7 A

89

Hình 5.2 Mô hình chuyển đổi hiểu biết của con người và hệ mờ 94

Hình 5.7 Hệ điều khiển mờ PID 103 Hình 5.8 Vị trí đặt bộ điều khiển mờ trong hệ điều khiển vị trí 105 Hình 5.9 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu vào: vị trí đặt 106 Hình 5.10 Sự phân bố các giá trị mờ của biến đầu ra: Hệ số khuếch đại 106

Hình 5.13 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển vị trí có bộ điều khiển mờ 108 Hình 5.14 Quan hệ vào – ra của bộ điều khiển mờ 108 Hình 5.15 Kết quả mô phỏng với đặt = 10V, I = 0A 109 Hình 5.16 Kết quả mô phỏng với đặt = 10V, I = 8,7A 110

thành tựu về kỹ thuật tự động hóa sản xuất Đa số các máy côn g cụ hiện đại được điều khiển theo chương trình số Đây là những điều kiện kỹ thuật cơ bản để thực hiện những điều kiện tự động hóa linh hoạt trên từng máy công cụ điều khiển số riêng lẻ, hay các trung tâm điều khiển số cũng như việc g hép nối chúng thành một hệ thống linh hoạt, điều khiển liên thông bằng máy tính ghép nối mạng Với tiến bộ mạnh mẽ của công nghệ vi xử lý đã tạo điều kiện nâng cao vượt bậc công năng của hệ điều khiển số, đồng thời với việc ngày càng giảm về giá thành của bộ điều khiển này Cụm vi xử lý với tư cách là bộ phận chính yếu của thiết bị và các bo mạch ghép nối ngoại vi là những phần cứng không thể thiếu được trong các máy công cụ CNC

Trong các nhà máy xí nghiệp côn g nghiệp ở nước ta hiện nay máy phay CNC nói riêng và máy công cụ điều khiển số CNC nói ch ung ngày càng được sử dụng rộng rãi Việc phát huy hiệu quả sử dụng , bảo dưỡng vận hành máy là vấn đề đặc biệt quan tâm của chúng ta Muốn phát huy được hiệu quả tối đa khả năng thiết bị cũng như việc cải tiến nó cho phù hợp với điều kiện môi trường và con người Việt Nam đòi hỏi phải có sự hiểu biết sâu sắc về máy công cụ CNC

Việc “Nghiên cứu khảo sát và nâng cao chất lượng hệ thống truyền động cho bàn máy phay CNC ” có một ý nghĩa rất lớn trong ng ành tự động hóa Đó

chính là nội dung đề tài luận văn tốt nghiệp cao học của tôi Luận văn này được chia thành 5 chương sau:

Chương I - Tổng quan về máy công cụ CNC

Chương II - Hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC

Chương III - Phân tích và chọn phương án truyền động cho bàn máy phay CNC Chương IV - Tổng hợp hệ thống truyền động bàn máy phay CNC

Chương V - Nâng cao chất lượng hệ truyền động bàn máy phay CNC bằng bộ điều khiển mờ lai

ĐHKT Công nghiệp Thái Nguyên

Thái nguyên Ngày 30 tháng 04 năm 2008 Tác giả luận văn

Tạ Minh Tiến

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ MÁY CÔNG CỤ CNC 1.1 Khái quát về các máy công cụ CNC

1.1.1 Cơ sở của máy CNC

Các trục của máy được trang bị dụng cụ đo vị trí để xác toạ độ của bàn máy và của dao cụ (ví dụ Encoder vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch

chuyển của bàn máy theo trục X trên hình 1.1) Khi trục máy di chuyển thì các dụng

cụ đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác định được toạ độ chính xác của các trục máy

Hình 1.1 Cơ sở của các máy CNC

Trong hệ toạ độ đề các được xây dựng trên ba trục toạ độ vuông góc (X,Y,Z) Một điểm trong mặt phẳng được xác định bởi hai trục toạ độ, một điểm

trong không gian được xác định bởi ba trục toạ độ (X,Y,Z) hình 1.2 cho biết các

trục của máy được miêu tả như thế nào thông qua hệ toạ độ đề các và kí hiệu các trục toạ độ theo quy tắc bàn tay phải Các máy công cụ CNC có thể điều khiển tới chín trục, đó là các trục (U,V,W) là các trục chuyển động thứ hai song song với các trục (X,Y,Z) còn các trục (A,B,C) là các trục quay quanh các trục (X,Y,Z)

Ngoài ra, trong lập trình gia công còn xử dụng hệ toạ độ cực Một điểm trong mặt phẳng được biểu diễn thông qua hai giá trị là bán kính và góc trong hệ toạ độ cực

Y

Z

X

1.1.2 Đặc điểm và phân loại

Một cách tổng quát các máy công cụ CNC có thể được phân loại theo đặc điểm sau:

- Truyền động: Thuỷ lực, khí và điện

- Phương pháp điều khiển máy: Toạ độ hay quỹ đạo

- Hệ thống định vị: Định vị kích thước nối tiếp và định vị tuyệt đối - Các vòng lặp điều khiển

- Nhóm may khoan, doa để khoan, doa các phôi

- Nhóm máy phay để phay những chi tiết có cấu tạo hình học đa dạng tạo ra các bề mặt và các góc đa dạng và cũng có thể khoan, phay và doa Thay đổi nguyên công bằng cách thay dao cụ, có nghĩa là chỉ cần một lần gá kẹp

- Nhóm máy mài để gia công tinh Nhóm này bao gồm các máy mài trục, mài lỗ, mài phẳng, mài răng, mài rãnh then, mài dụng cụ

- Nhóm trung tâm gia công: Khoan, phay, tiện, doa,

Hình 1.2 Miêu tả các trục của máy công cụ CNC trong hệ tọa độ Đề các

Các máy CNC có thể thay dao bằng tay hoặc tự động Có nhiều phương pháp thay dao tự động, nó phụ thuộc vào kết cấu cơ khí của máy, phụ thuộc vào chương trình điều khiển thay dao

Các máy CNC có thể cấp phôi bằng tay hoặc tự động Những máy được trang bị bộ phận cấp phôi tự động có thể làm các chi tiết mà không cần có sự phục vụ của người vận hành Kiểu máy này gọi là modul gia công linh hoạt (Flexibe Manufacturing Module)

Các thông số kỹ thuật của máy CNC là:

1 Đường kính lớn nhất của phôi tiện trên máy tiện 2 Đường kính khoan lớn nhất của máy khoan 3 Đường kính trục doa lớn nhát của máy doa 4 Chiều rộng lớn nhất của bàn máy phay 5 Kích thước khuôn và trọng lượng máy

6 Số trục phối hợp có thể điều khiển và số trục có thể điều khiển đồng thời

7 Ngăn chứa dụng cụ (dao)

8 Thiết bị cấp (tháo) phội tự động của máy 9 Băng tải phôi của máy

10 Hệ thống điều khiển của máy 11 Hệ thống truyền động của máy 12 Hệ thống đo lường

1.2 Nguyên lí vận hành của một máy công cụ điều khiển số 1.2.1 Chương trình gia công chi tiết

Chương trình gia công chi tiết gồm có các chương trình điều khiển và dữ liệu

Chương trình điều khiển được soạn thảo bằng ngôn ngữ lập trình và lưu giữ trong vật mang tin (băng từ, đĩa từ hoặc đĩa Compact CD) sau đó được nạp vào hệ điều khiển số qua cửa nạp tương thích

Dữ liệu gồm các giá trị hiệu chỉnh biên dạng, các dữ liệu chỉnh máy, các số liệu về dao cụ được nạp vào từ bảng điều khiển

Chương trình điều khiển và dữ liệu được chuyển trực tiếp từ máy tính chủ sang hệ điều khiển số của từng trạm gia công (hệ CNC)

1.2.2 Khối điều khiển

Thực hiện chương trình gia công chi tiết trên cơ sở dữ liệu sẵn có và tín hiệu từ bên ngoài

Nhận các giá trị vị trí của các trục từ sensor đo vị trí (encoder), và tốc độ của các trục

Thực hiện các chương trình điều khiển các cơ cấu chấp hành, động cơ của trục chính, động cơ của các trục truyền động riêng lẻ để phối hợp tạo nên biên dạng và tốc độ gia công đã xác định

1.2.3 Điều khiển logic

Điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ như sau:

Tốc độ chạy nhanh (Không cắt) tối đa, bố trí xếp đặt các trục máy, các trạng thái đóng ngắt mạch của hệ điều khiển và giới hạn vùng làm việc của hệ thống công nghệ (bàn máy, gá lắp, dao cụ), lệnh đóng/ngắt bơm dung dịch làm mát và bôi trơn, lệnh tạo số vòng quay cho trục chính, lệnh đổi dao cụ

Đầu ra khối điều khiển logic đi điều khiển các cơ cấu chấp hành như: Van thuỷ lực, van khí nén, các rơle

1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC

Màn hình dùng để hiển thị toạ độ hiện tại của các trục truyền động, trạng thái làm việc của toàn hệ thống

Bảng điều khiển để vào dữ liệu điều chỉnh máy, lập trình gia công, cài đặt hệ thống

Tay quay điện tử dùng để vận hành máy trong các trường hợp để hiệu chỉnh máy, đo chi tiết mà phải mở cửa làm việc

Các khối vào ra (I/O), các bộ điều khiển truyền động (BKĐ) liên lạc với CPU thông qua một BUS hệ thống Các khối Flash + RAM để lưu dữ các chương trình điều khiển, dữ liệu máy và liên lạc với CPU thông qua BUS trong của CPU

Các cơ cấu chấp hành là van thuỷ lực, van khí nén, công tắc tơ, rơle Các sensor thường là các sensor trạng thái (Proxymity sensor), sensor áp suất, sensor nhiệt độ Hệ thống đo lường là các cảm biến vị trí, cảm biến tốc độ để đưa các tín hiệu phản hồi về các bộ điều khiển (Controller) Trục chính dùng để quay dao, còn các trục toạ độ khác phục vụ cho việc di chuyển dao đến các vị trí được lập trình để tạo nên biên dạng mong muốn

1 Màn hình 2 Bảng điều khiển 3 Mạch ghép nối 4 Tay quay điện tử

Hình1.3 Cấu trúc các khối chức năng của hệ CNC

KWH

1

3 2

Chấp hành

Hình 1.4 sơ đồ nguyên lý của 1 máy phay đứng 3 trục (X,Y,Z)

1.4 Hệ thống truyền thông tin

Hình 1.5 Lưu thông tín hiệu trong điều khiển số

Bảng điều

Máy vi tính

Bảng điều

khiển Bảng điều khiển Dữ liệu dao Dữ liệu máy

Chuẩn bị thông tin

Xử lí thông tin

Điều chỉnh vị trí

Điều chỉnh thích ứng Điều chỉnh số

vòng quay trục chính

Rơle vòng quay hiệu chỉnh dòng Rơle vòng

quay hiệu chỉnh dòng

Tổng thể máy công cụ

Truyền động chạy dao Truyền động

trục chính

Lớp 2 Lớp 1

Lớp 5 Lớp 4 Lớp 3

Lớp 6

Quản lý

Điều khiển

Lớp 3: Lưu chuyển

Trong lớp này các dữ liệu chương trình bắt đầu được xử lý Đường dịch chuyển cần được thực hiện trong câu lệnh kế tiếp được tính toán, quỹ đạo tương quan với biên dạng lập trình được tìm ra có tính đến khoảng cáchbằng bán kính dao Các phương pháp kiểm tra, nghiệm lại các thông số chương trình quan trọng như trọng điểm kết một đường cong phi tuyến v.v

Lớp 4: Lưu xử lí

Lớp này bao gồm các bộ nội suy, tìm gia những giá trị cần về toạ độ cho mạch vòng điều chỉnh vị trí trên từng trục và đưa ra các số liệu điều khiển trục chính và điều khiển toàn máy

Lớp 5: Điều chỉnh

Gồm các bộ điều chỉnh dòng điện, bộ điều chỉnh tốc độ và bộ điều chỉnh vị trí để điều khiển các động cơ truyền động các trục phù hợp với tốc độ chạy dao và biên dạng đã lập trình

Lớp 6: Cơ cấu chấp hành, cơ cấu dịch chuyển và đo lường

1.5 Hệ thống tính toán và điều khiển 1.5.1 Khái niệm và phân loại

Hệ điều khiển CNC thực hiện như lưu đồ điều khiển hình 1.6 Giai đoạn đầu

tiên, những thông tin về kích thước công nghệ được đưa sang khâu chuẩn bị chương

trình, sau đó là công việc lập trình điều khiển

Chương trình điều khiển được đưa vào thiết bị tính toán điều khiển, tạo ra tín hiệu điều khiển các hệ tự động

Cấu trúc của thiết bị tính toán điều khiển có thể chia ra làm hai nhóm: NC (Numerical Control) và CNC (Computer Numerical Control)

Trong hệ CNC (hình 1.7) chương trình điều khiển được đưa vào khối sao

chương trình sau đó qua đầu vào đưa dến khối giải mã nhằm tạo ra các mã tương thích của máy Tín hiệu này hoặc đưa trực tiếp vào khối điều khiển hoặc đưa vào bộ nhớ đệm và cuối cùng đến khối nội suy (Interpolation) để tính toán phân ra các toạ độ truyền động Mặt khác thông tin điều khiển còn đưa ra các lệnh điều khiển công nghệ như tốc độ cắt, xoay chi tiết, thay dao.v.v

Hệ truyền động điện tự động

Thiết bị tính toán và điều

khiển Chuẩn bị số liệu

cho lập trình Chương trình điều khiển Chuẩn bị số liệu

Trong hệ CNC (hình 1.8) khối ALU (Arithmetic Logic Unit) thực hiên các

phép toán số học và logic Khối ALU nhận thông tin về công nghệ và thông tin điều khiển từ máy tính thông qua khối I/O Bên cạnh ALU là bộ nhớ để chương trình và dữ liệu cần thiết để thực hiện chương trình Hệ CNC bao gồm bộ vi điều khiển cấp dưới và máy vi tính cấp trên Nhờ vậy, có thể khếp nối với hệ điều khiển cấp trên để thực hiện thiết kế tự động CAD và hệ điều hành sản xuất tự động CAM hợp thành một hệ sản xuất linh hoạt FMS

1.5.2 Chuẩn bị chương trình điều khiển cho hệ CNC

a Chuẩn bị chương trình bằng tay

Những thông tin cần thiết để chuẩn bị chương trình là: Các bản vẽ chi tiết và các điều kiện công nghệ Người soạn thảo chương trình phải chuyển thông tin đó thành chương trình điều khiển số cho máy gia công

Nhớ cố định

Nhớ 3

+ Dựa vào các thông tin về công nghệ như chế độ căt, dụng cụ cắt, tốc độ cắt thành lập biểu đồ công nghệ

b Chuẩn bị chương trình từ máy vi tính

Chuẩn bị chương trình điều khiển thực hiện bằng tính toán trực tiếp với chi tiết gia công phức tạp mất nhiều thời gian và độ chính xác không đảm bảo Ngày

Bản vẽ chi tiết

Chương trình dạng Text Kế hoạch

dụng cụ cắt

Kế hoạch đồ gá Kế hoạch

gia công

Bảng các toạ độ

Mã hóa

Ghi băng Biểu đồ Công nghệ

Hình 1.9 Các bước của khâu chuẩn bị chương trình bằng tay

nay người ta thường thực hiện chuẩn bị chương trình nhờ máy tính Đặc trưng của lập trình bằng máy là việc ứng dụng một ngôn ngữ lập trình định hướng đối tượng

Với sự trợ giúp của ngôn ngữ lập trình như vậy ta có thể:

- Xác định những nhiệm vụ gia công tương đối đơn giản và không thực hiện các tính toán bằng tay

- Chỉ cần truy nhập một số ít dữ liệu có thể sản sinh một số khối lượng lớn các số liệu cho nhiệm vụ gia công

- Những tính toán cần thiết đều do máy tính thực hiện

- Dùng một ngôn ngữ biểu tượng tương đối dễ học mà các từ của nó hợp thành bởi những khái niệm phổ biến Trong ngôn ngữ chuyên môn của kỹ thuật gia công

Bản vẽ chi tiết thô & bản vẽ sản phẩm

trình các dữ liệu công nghệ

Hoạt động theo nguyên tắc trực tiếp với máy NC hay ghép nối DNC Chương trình xử lý

Băng đục lỗ vật mang tin, đĩa CD Bảng danh mục

Hình 1.10 Lưu đồ lập trình bằng máy

- Tiết kiệm phần lớn thời gian trong khi mô tả chi tiết cần gia công và các chu trình công tác cần thực hiện

- Hạn chế được các lỗi lập trình, vì so với lập trình bằng tay chỉ cần cấp ít dữ liệu vào máy tính và hầu như không cần phải tính toán

Nếu tất cả các giai đoạn chuẩn bị chương trình đều thực hiện nhờ máy tính gọi là tự động tự động hoá toàn bộ khâu chuẩn bị chương trình Tuy nhiên trong trường hợp chuyển từ giai đoạn này sang giai đoạn khác cần phải thực hiện bằng chương trình công nghệ theo mô hình toán học mô tả đối tượng Hiện nay tồn tại nhiều ngôn ngữ lập trình cho việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển

Trong việc thực hiện tự động hoá chuẩn bị chương trình điều khiển máy tính sẽ đảm nhận các bài toán về kích thước hình học và công nghệ tính toán các toạ độ điểm tựa, tiệm cận hoá các đường cong, tính toán các tham số khoảng cách đẳng trị Tính toán lượng ăn dao và tốc độ cắt, cụ thể gồm các bước sau:

1 Chọn ngôn ngữ để mô tả quỹ đạo chuyển động, ngôn ngữ này phải có đủ khả năng mô tả được các kích thước tham số của quỹ đạo chuyển động với lời diễn tả đơn giản dễ sử dụng

2 Gia công thuật biến đổi thông tin về kích thước hình học sao cho có thể phối hợp với ngôn ngữ của máy gia công

3 Tạo các thuật toán giải các bài toán mẫu theo các quỹ đạo gia công đặt ra 4 Gia công các thuật toán đẻ phục vụ cho các đối tượng cụ thể

1.5.3 Cấu trúc hệ điều khiển CNC

Hình 1.11 Cấu trúc đầy đủ của một hệ CNC

Máy tính có nhiệm vụ quản lý, quan sát, lập trình Ngoài ra nhờ có khối ghép nối (Interface Bus) để hệ có thể nối mạng với các máy tính bên ngoài với mục đích để truyền dữ liệu, quản lý, theo dõi hoặc điều khiển DCN Bảng điều khiển và tay quay điện tử dùng để vận hành máy, vào các dữ liệu, chọn các chế độ làm việc, lập trình gia công

Khối NC có nhiệm vụ thu thập và xử lý dữ liệu, nội suy, tính toán quỹ đạo, điều phối Chức năng của PLC là điều khiển quá trình công nghệ của toàn hệ.Trong một số trường hợp cả ba khối (NC, PLC, và khối vi điều khiển) được chế tạo thành

một khối (hình 1.11), nó đảm bảo toàn bộ chức năng điều khiển của hệ

Hình 1.11 Cấu trúc của hệ CNC

Máy tính lập trình, quản lý, theo dõi,

Khối Vi ĐK

Biến đổi 1

Biến đổi 2

Biến

Khối NC

…

…

Khối vi điều khiển gồm các Controller (bộ điều khiển vị trí, bộ điểu chỉnh tốc độ ) thực hiện tất cả các bước cho chuyển động tuyến tính, các chuyển động phi tuyến để đạt được biên dạng lập trình

Các bộ phận của cấu trúc này như truyền động điện, đo lường, hệ điều khiển sẽ được nghiên cứu chi tiết ở các chương sau

1.6 Hệ DNC

Máy công cụ CNC được điều khiển theo chương trình số viết bằng các mã ký tự số, các chữ cái và một số ký tự chuyên dụng khác Trong đó hệ thống điều khiển có cài đặt các bộ vi xử lí đảm nhiệm các chức năng cơ bản của chương trình số như: tính toán toạ độ trên các trục điều khiển theo thời gian thực, giám sát các trạng thái thực của máy, tính toán các giá trị chỉnh lý dao cắt, tính toán nội suy trong điều khiển quỹ đạo biên dạng (tuyến tính, phi tuyến), thực hiện so sánh các cặp giá trị mong muốn và giá trị thực

Điều khiển trực tuyến DNC (Direct Numerical Control) là một hệ thống điều khiển trong đó dùng máy tính điều hành trực tiếp nhiều máy công tác điều khiển theo chương trình số Đặc tính cơ bản của hệ DNC là sự ghép nối trực tuyến (online) nhiều máy CNC với một máy tính

Hệ DCN có thể trao đổi thông tin theo hai cách:

Cách 1: Vận hành BTR (Behind Tappe Reader) Thông tin điều khiển từ máy tính sau khi qua bộ phận đọc dữ liệu từ vật mang tin sẽ được chuyền vào hệ điều khiển CNC

Máy tính chủ

Máy CNC

Máy CNC

Dữ liệu từ vật mang tin

Hình 1.12 Hệ DNC

Bộ phận ghép nối

Cách 2: Vận hành trực tiếp Máy tính trung tâm gộp luôn các bộ nhớ thông tin và bộ nhớ nội suy cũng như các khả năng khác của CNC vào trong máy tính Các máy công tác chỉ còn có cụm điều khiển logic và các mạch vòng điều chỉnh, ngoài ra giữa chúng còn có một mạch nối ghép thích hợp

Cách 2 có ưu điểm là hệ điều khiển máy công tác rẻ hơn nhiều (do máy tính chủ đã phụ trách một số công việc) Nhưng do lệ thuộc hoàn toàn vào máy tính chủ nên ít dùng

Trong hệ DCN, nhiệm vụ cơ bản của máy tính trung tâm và quản lý tập trung các chương trình gia công CNC và phân phối đến các máy công tác

Quá trình lưu trữ và cập nhật dữ liệu điều khiển số cho từng máy CNC trong hệ thống có tính tiện lợi và kinh tế

Chức năng của một hệ DNC

Chức năng cơ bản Quản lý chương trình NC Phân phối dữ liệu NC Sửa chữa dữ liệu NC

Chức năng mở rộng Điều chỉnh chương trình NC

Thu thập và xử lý các dữ liệu hoạt động Chức năng điều khiển cho dòng vật chất

Các chức năng thành phần của quá trình gia công Tuỳ thuộc vào cấu hình của máy CNC riêng lẻ mà nó có thể ghép nối trực

tiếp với máy tính chủ bởi giao thức truyền TCP/IP hình 1.13, OSI hoặc giao thức

khác Người điều khiển có thể thông qua một Terminal mà liên hệ với máy tính trung tâm Theo nguyên tắc, người điều khiển máy chỉ cần thông báo cho máy tính trung tâm chương trình nào được khai thác tiếp theo Bộ xử lý trung tâm của máy tính chủ cho phép gọi ra chương trình CNC cần thiết từ bộ nhớ ngoại vi của nó Từ đó, các dữ liệu điều khiển máy CNC sẽ được thông báo, tuỳ thuộc hình thức tổ chức trong hệ điều khiển của máy công tác, theo từng câu lệnh riêng lẻ hoặc toàn bộ chương trình

Khả năng quản lý chương trình trong hệ CNC - Quản lý các danh mục các chương trình CNC - Tìm kiếm một chương trình CNC

- Truy cập và khai thác các chương trình CNC - Cất dữ các chương trình CNC

- Quản lý các dữ liệu về dao

- Quản lý các dữ liệu về vật liệu gia công - Quản lý các dữ liệu về đồ gá

1.7 Hệ thống gia công linh hoạt FMS (Flexible Manufacturing System)

Hệ thống gia công linh hoạt bao gồm các loại máy công tác, chủ yếu là các máy CNC, liên kết với nhau bởi các hệ thống điều khiển và hệ thống vận chuyển cho toàn bộ quá trình, sao cho phạm vi giới hạn của hệ thống, một trình tự gia công khác nhau, có thể được tiến hành theo thứ tự lựa chon tự do

Việc điều hành các quá trình tính toán cần thiết cho tất cả các hệ thống con trong hệ thống gia công linh hoạt, tất yếu phải dựa trên cơ sở các máy công cụ CNC vận hành theo nguyên tắc điều khiển DNC

Tính linh hoạt của hệ thống được thể hiện ở các mặt sau:

- Có khả năng sản xuất từ 20 đến 30 loại chi tiết có quy trình gia công khác nhau

Hình 1.13 Ghép nối các máy CNC với máy tính trung tâm

Station

CNC 1

CNC

n

- Có khả năng thay đổi số lượng sản phẩm - Phí tổn cho việc lập trình

Tùy thuộc vào quy mô cấu trúc, hệ thống sản xuất linh hoạt có thể phân thành các loại sau:

Đơn vị sản xuất linh hoạt (FMU: Flexible Manufacturing Unit)

Đơn vị sản xuất linh hoạt là hệ thống có máy NC, thông thường là các máy CNC với bàn gá dao và bàn thay dao tự động Có khả năng giảm bớt thao tác cho người sử dụng

Nhóm sản xuất linh hoạt ( FMC: Flexible Manufacturing Cell)

Nhóm sản xuất linh hoạt bao gồm hai hay nhiều máy NC, tối thiểu là một CNC với bàn gá dao và cơ cấu cấp phôi, cấp dao tự động ở từng máy Điều khiển toàn bộ hoạt động của FMC do máy tính trung tâm thực hiện phối hợp với mạng lưới vi tính độc lập Phôi được hoàn tất một phần hoặc toàn phần sau khi rời nhóm sản xuất linh hoạt Nhóm sản xuất linh hoạt thường dùng cho sản xuất hàng loạt, sản xuất nhỏ và trung bình

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

Hệ thống sản xuất linh hoạt bao gồm một hay nhiều nhóm sản xuất linh hoạt có hệ thống vận chuyển tự động được điều khiển bằng máy tính Điều khiển toàn bộ hệ thông là máy tính điện tử trung tâm Hệ thống sản xuất linh hoạt thường dùng cho sản xuất trung bình và lớn

Hệ thống sản xuất tổng hợp (CIM: Computer Integrated Manufacturing) Với sự phát triển của bộ máy NC như CNC, DNC, các hệ thống FMC, FMS, kỹ thuật người máy và hệ thống phần mềm điều khiển tự động của máy tính điện tử đã dẫn đến sự ra đời của hệ thống sản xuất tổng hợp (CIM) vào năm 1978 Hiện nay CIM chỉ phát triển ở các nước có nền công nghiệp phát triển

CIM là một hệ thống sản xuất sử dụng trí tuệ nhân tạo tổng hợp ở trình độ cao các thiết bị sản xuất, các hệ thống thông tin các phần mền điều khiển để thực hiện một quá trình công tác tự động

Phần mềm xử lý:

- Nó là một tổng hợp các hệ thống thiết kế và kiểm tra tất cả các tài nguyên của quá trình sản xuất

- Là một phương tiện phục vụ cho việc tự đông hoá thu thập thông tin giữa các hệ thống máy tính và sử dụng nó cho việc hình thành một hệ thống phản hồi kín để thiết kế và điều khiển

- Máy tính điện tử trung tâm

Sự khác biệt giữa một máy CIM và NC là trình độ tự động hoá tổng hợp các quá trình công tác Ở các máy NC tự động hoá thì thực hiện trên từng phần công việc, không có mối quan hệ trực tiếp giữa các khâu công tác của những máy độc lập Ở CIM các đơn vị gia công thực hiện từng phần công việc có liên quan chặt chẽ với nhau tạo thành một quá trình sản xuất tổng hợp Mối quan hệ giữa từng công đoạn không chỉ theo thứ tự công nghệ mà còn rất nghiêm ngặt về nhịp độ thời gian để chi tiết gia công từ máy này sang máy khác cùng một lúc nhiều loại chi tiết khác nhau

Nội dung hoạt động của CIM là tổng hợp của 5 lĩnh vực riêng:

- Hệ thống thiết kế bằng máy tính điện tử CAD (Computer Aided Design) - Hệ thống thiết kế quá trình sản xuất và điều khiển bằng máy tính CAPPC

(Computer Aided Production Engineering)

- Hệ thống thiết kế quá trình sản xuất và điều khiển bằng máy tính CAPE (Computer Aided Production Engineering)

- Hệ thống tồn trữ và vận chuyển điều khiển bằng máy tính CAST(Computer Aided Storage and Transportation)

- Hệ thống tổ chức và điều khiển sản xuất bằng CAM (Computer Aided Manufacturing)

Kết luận

Máy công cụ điều khiển số CNC là loại máy gia công cơ khí rất phổ biến hiện nay , sự ra đời và phát triển của nó đã thúc đẩy sự phát triển của ngà nh cơ khí chế tạo , đóng góp to lớn vào việc tạo ra của cải cho xã hội Sự ra đời của máy CNC làm cho các sản phẩm cơ khí chế tạo có chất lượng tốt hơn , độ chính xác cao hơn và đặc biệt có thể sản xuất hàng loạt Máy CNC có nhiều chủng loại khác nhau , mỗi công nghệ gia công lại có một kiểu máy Tuy nhiên xét tổng thể về nguyên lý thì các máy CNC đều có cấu trúc và hệ điều khiển tương tự nhau Cấu trúc của tất cả các loại máy CNC đều bao gồm : Phần xử lý tung tâm (Giao diện người máy và thực hiện nội suy), phần điều khiển servo , động cơ servo , phản hồi tốc độ , vị trí Hệ điều khiển vòng hở thường có độ chính xác không cao Hệ thống điều khiển vòng kín có độ chính xác vị trí rất cao , ngày nay hầu hết người ta sử dụng phổ biến hệ thống điều khiển là hệ thống vòng kín

Chương tiếp theo sẽ đề cập đến hệ thống đo lường và điều khiển trong máy CNC

2.1.1 Thiết bị đo tốc độ

Thiết bị đo tốc độ để đo tốc độ quay thực của động cơ và đưa tín hiệu phản hồi tốc độ của động cơ về bộ điều chỉnh tốc độ Tín hiệu phản hồi này được so sánh với tốc độ đặt của động cơ, kết quả được đưa vào đầu vào của bộ điều chỉnh tốc độ Để đo tốc độ quay của động cơ người ta dùng máy phát tốc hoặc Encoder gắn trực tiếp với trục động cơ

2.1.2 Thiết bị đo vị trí

Các trục của máy được trang bị các dụng cụ đo vị trí để xác định toạ độ của bàn và của dao cụ (Ví dụ: Encode vị trí gắn trên bàn máy để đo khoảng cách dịch

chuyển của bàn theo trục X trên hình 2.1) Khi trục máy di chuyển thì các dụng cụ

đo lường phát ra một tín hiệu điện, hệ điều khiển CNC xử lý tín hiệu này và xác định toạ độ chính xác của các trục máy

Các dụng cụ này đo khoảng cách dịch chuyển tức là xác định toạ độ thực tế tức thời của các trục toạ độ Các đại lượng để đo ở đây là những đoạn đường trong các chuyển động thẳng và các góc trong các chuyển động quay của các trục toạ độ

Encoder Y

Z

X

Hình 2.1 Dụng cụ đo lường vị trí trên hệ CNC

tín hiệu đầu ra của các thiết bị này được đưa về so sánh với các giá trị đặt của vị trí, kết quả được đưa vào các đầu vào của bộ điều chỉnh vị trí

Trên các dụng cụ đo lường vị tri còn được trang bị một vài điểm chuẩn

(Reference Mark) được chỉ ra trên hình 2.2 Mục đích để thiết lập lại toạ độ gốc của

các trục sau mỗi lần khởi động máy Khi khởi động thì các trục toạ độ phải di chuyển và khi qua các điểm chuẩn (Reference Mark) nó sẽ phát ra một tín hiệu Tín hiệu này dùng để xác định toạ độ gốc của trục và hiển thị giá trị toạ độ thực tế lên màn hình Vì vậy, chỉ sau khi chạy hết các trục về các điểm chuẩn (Reference Mark) thì mới thực hiện được gia công trên máy

2.2 Phương pháp đo vị trí

2.2.1 Các phương pháp đo vị trí

- Phương pháp đo vị trí có đầu ra là đại lượng tương tự: Đoạn đường hay góc cần đo được chuyển đổi liên tục thành đại lượng vật lý tương thích ( đại lượng tương tự), ví dụ chuyển đổi thành tín hiệu dòng điện hay điện áp

- Phương pháp đo vị trí có đầu ra là đại lượng số: Đoạn đường hay góc cần đo chia thành các yếu tố đơn vị có độ lớn như nhau Quá trình đo chính là việc đếm hay cộng các yếu tố đơn vị đã đi qua

Nếu theo cách đo thì ta có phương pháp đo trực tiếp hay gián tiếp, phương pháp đo vị trí tuyệt đối, tuyệt đối theo chu kỳ và phương pháp đo vị trí theo kiểu gia số

2.2.2 Các loại cảm biến có đầu ra tương tự

Trong xử lý tín hiệu cả liên tục và rời rạc, cảm biến vị trí được sử dụng để xác định vị trí, đo lường bề dầy, đường kính của một vật, vị trí hiện tại của vật đang

Reference Mark

X(Y,Z)

Hình 2.2 Các điểm Reference Marks trên Encoder

dịch chuyển, xác định sự tồn tại của một vật

Cảm biến vị trí thường có một trục quan hệ cơ khí với đối tượng cần đo Để đo lường cảm biến dựa vào vị trí của trục cảm biến, chức năng của cảm biến là chuyển đổi vị trí của trục cảm biến thành một phẩm chất đo lường Ví dụ vị trí hiện tại của trục cảm biến có thể gây lên sự thay đổi điện dung của một tụ điện, tự cảm của cuộn dây, hỗ cảm của hai cuộn dây, điện trở, … từ đó xác định được vị trí đối tượng Ngoài ra trục của cảm biến có thể ghép với Encorder, một thiết bị chuyển đổi vị trí hiện tại thành tín hiệu số

Ngoài ra, một số cảm biến không cần tiếp xúc đối với đối tượng đo lường Cảm biến này sử dụng sự thay đổi của hệ số hỗ cảm, điện dung, điện trở … để xác định sự hiện diện và đo lường vị trí của đối tượng

a Cảm biến vị trí dùng triết áp

Cảm biến chứa đựng một biến trở và một công tác trượt có thể chuyển đổi từ đầu này đến đầu kia của biến trở Cảm biến chiết áp đo lường dịch chuyển thẳng và dịch chuyển góc

Cảm biến vị trí dùng phương pháp chiết áp có thể gây ra sai số bởi dòng điện đi qua dây nối với công tắc trượt, do điện trở tải nối giữa công tắc trượt và điểm chuẩn

b Cảm biến vị trí sử dụng selsyn (Synchro Systems)

Selsyn là bộ phận chuyển đổi chuyển động quay (dịch chuyển góc) thành một điện áp AC, hay ngược lại chuyển đổi điện áp AC thành chuyển động quay Có ba loại selsyn khác nhau được sử dụng trong chuyển đổi dịch chuyển góc là: Bộ điều khiển phát, bộ điều khiển biến áp và bộ điều khiển vi sai

c Bộ đo góc (Resolvers)

Hình 2.3 Sai số tải được tạo ra ở chiết áp khi một điện trở tải được nối giữa công tác trượt và một đầu của dây điện

+

- aRp

IL

RL +1

-2 Es

Bộ đo góc là một thiết bị chuyển đổi chuyển động quay thành một tín hiệu ở

đầu ra là một hàm của vị trí roto Hình 2.4 thể hiện vị trí của các cuộn dây trong bộ

đo góc Hai cuộn dây roto đặt cách nhau 900, Hai cuộn dây stato đặt cách nhau 900 Mỗi cuộn dây có thể xem như là cuộn sơ cấp và cuộn còn lại là cuộn thứ cấp Công thức sau định nghĩa điện áp thứ cấp quan hệ với điện áp sơ cấp khi cuộn roto dược sử dụng như là cuộn sơ cấp:

)sin3cos( 4

Khi bộ đo góc được sử dụng như là cảm biến vị trí, thì một cuộn dây roto

được nối tắt hình 2.5 Nếu E4 được nối tắt thì công thức (2.1) và (2.2) được đơn giản

Công thức (2.3) và (2.4) định nghĩa đầu ra của bộ đo góc hình 2.5

Điện áp đầu vào : E3 = Asin(t), điện áp đầu ra E1 là điện áp dạng sin có biên độ đổi theo sin của góc dịch chuyển vị trí roto, tương tự đầu ra E2 cũng là dạng sin

 E2

Hình 2.5 Bộ đo góc sử dụng như cảm biến, có môt cuộn dây roto ngắn mạch

có biên độ thay đổi theo hàm sin góc dịch chuyển vị trí roto

Cảm biến vị trí sử dụng bộ đo góc, yêu cầu một mạch xử lý tín hiệu để chuyển đổi hai điện áp E1, E2 thành tín hiệu điện thế có liên hệ với góc dịch chuyển roto  Nếu yêu cầu tín hiệu đầu ra của cảm biến là tín hiệu số, thì mạch sử lý tín hiệu cũng phải chuyển đổi tín hiệu từ dạng analog sang dạng số, vậy cảm biến thực hiện hai chức năng là bộ đo góc và chuyển đổi tín hiệu sang dạng số

2.2.3 Các loại cảm biến có đầu ra là số

a Bộ chuyển đổi số

* Bộ mã hóa số trực tiếp

Theo lý tưởng, bộ biến đổi có thể đo một đại lượng vật lý tự nhiên chuyển thành số Binary hay số BCD Bộ biến đổi loại này rất ít, thực tế thì bộ mã hóa số hầu như chỉ là phần căn bản của bộ biến đổi số Về căn bản bộ biến đổi số đo sự thay đổi của đại lượng Tuy nhiên, nó có thể dùng để xác định lực, áp suất, mực chất lỏng bằng cách dùng thiết bị đo chuyển động cơ học (analog mechanical motion translators) Xung nhịp thời gian cũng thuộc loại này, nó trực tiếp tạo tín hiệu số ở đầu ra

* Bộ mã hóa xung, tần số và thời gian

Bộ mã hóa loại này tạo ra một chuỗi xung số ứng với một hiện tượng vật lý Ở đây, giá trị của đại lượng cần đo được mã hóa thành độ rộng xung hoặc tần số của xung Một vài bộ gia công số yêu cầu phải có một thời gian hoặc tần số mẫu chính xác để so sánh với xung của đại lượng vật lý được đo Tần số và chu kỳ được liên hệ bởi công thức: Tần số =1/(chu kỳ)

Thông tin từ bộ biến đổi số loại này tương thích với máy tính, máy tính phải đếm được độ rộng xung hoặc xung clock để lấy được thông tin của đại lượng bên ngoài

Bộ chuyển đổi

Hình 2.6 Sơ đồ khối bộ mã hóa số trực tiếp

Nhiệt độ, dòng chảy,

áp suât, dòng điện ,

điện áp…

Biến đổi trực tiếp

Đầu ra số Đầu vào số Máy tính

* Bộ mã hóa tương tự sang số

Ở đây tín hiệu tương tự (thay đổi điện trở, ứng suất) được ghép với một mạch điện để tạo ra tần số hoặc một chuỗi xung

* Bộ chuyển đổi A/D

Tín hiệu tương tự từ bộ biến đổi có thể được đưa vào trong máy tính thông qua bộ chuyển đổi A/D

b Encoder số

Mỗi bộ encoder số bao gồm một đĩa tròn với một vạch kẻ mẫu ở trên đó Các vạch mẫu này được đọc bởi đầu cảm biến Đĩa này thường đi kèm với trục của nó và trục này làm quay những mẫu khác phát ra tín hiệu cho mỗi vị trí nhận được Cách ghi các mã trên đĩa phụ thuộc vào các vạch mẫu trên nó

Có ba loại encoder chính:

* Encoder tiếp xúc: Điểm tiếp xúc thực tế của loại encoder này là giữa đĩa và đầu đọc thông qua chổi than Loại này có nhược điểm là tạo ra ma sát, hao mòn, bụi bẩn, điện trở tiếp xúc và rung động… làm giảm độ chính xác và tuổi thọ

Bộ chuyển đổi

Hình 2.7 Sơ đồ khối bộ mã hóa xung, tần số, thời gian

Tốc độ, dòng chảy, áp suât, dòng điện ,

điện áp…

Xung

Đầu ra số

Máy tính Đầu vào số Bộ đếm

Xử lý số

Nhiệt độ, áp suât, khối lượng…

Điện trở ứng suất

Hình 2.8 Sơ đồ khối bộ mã hóa tương tự sang số

Đầu ra số khuếch đại

Xử lý số

Bộ đếm

Xử lý sốXử lý tương tự

Khuếch đại

Hình 2.9 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi Analog to Digital

Nhiệt độ, Dòng chảy,

…

Đầu ra số Chuyển đổi

A/D hay V/F

Độ phân giải của encoder phụ thuộc vào đường rãnh và độ chính xác nhỏ nhất của một rãnh có thể có được trên đĩa Độ phân giải có thể tăng lên bằng các nhiều tầng đĩa hoặc dùng bộ đếm lên/xuống có dung lượng bộ đếm cao

* Encoder từ trường: Encoder từ trường yêu cầu đĩa phải được tráng một lớp vật liệu từ, trong đó những vạch mẫu không được phủ Các vết từ có thể đọc bằng một đầu đọc làm bằng nam châm Encoder từ trường có tuổi thọ cao hơn Encoder tiếp xúc

* Encoder quang: Encoder quang là loại thông dụng nhất nhờ vào độ chính xác cao và dùng ánh sáng của bán dẫn (Leds) Một encoder quang có bốn phần chính: nguồn quang, đĩa mã, cảm biến quang và mạch xử lý tín hiệu Encoder quang có thể được phân thành hai loại: Encoder tương đối (Incremental Encoder) và encoder tuyệt đối (Absolute Encoder)

Chức năng cơ bản của mạch xử lý tín hiệu số của encoder tăng dần là xác định hướng quay và số xung phát ra để xác định góc dịch chuyển của đĩa mã Số xung phát ra là tín hiệu số, do đó bộ chuyển đổi ADC là không cần thiết cho encoder loại này

2.2.4 Nguyên lý của các encoder dùng nguyên tắc quang điện

Nguồn sáng

Thấu kính hội tụ

Tế bào quang điện

Mã chuẩn

Thước đo Lưới kính

Hình 2.10 Thước đo số theo nguyên tắc quang-điện-soi thấu (Heidenhain)

Đầu phát gồm một thiết bị chiếu sáng, một thấu hính hội tụ, một lưới chia quang và các tế bào quang điện

Nguyên lý của nó là khi đầu phát có sự dịch chuyển tương đối so với thước

đo chạy giữa thấu kính hội tụ và lưới chia, sẽ xuất hiện một tín hiệu dạng hình sin

Nhờ các tế bào quang điện bố trí thành hai hàng trên nhau, đặt lệch nhau một phần tư độ chia, ta nhận được hai tín hiệu I1 và I2 lệch pha nhau 900 Hai tín hiệu hình sin này được đưa đến bộ nội suy và bộ số hóa tín hiệu điện bên ngoài để xử lý Có nhiều phương pháp nội suy Ở đây ta đưa ra hai phương pháp nội suy:

1 Phương pháp nội suy với bảng nội suy và khối tính toán hiệu chỉnh

Ở phương pháp này, hai tín hiệu dòng điện được phát ra từ hai cấu tử quang điện được khuyếch đại và biến đổi thành hai tín hiệu điện áp tương tự Hai tín hiệu điện áp này được đưa đến khối lấy mẫu và lưu giư sau đó đưa đến bộ biến đổi ADC Hai tín hiệu điện áp số đó được sử dụng để địa chỉ hàng và cột của bảng nội suy để xác định giá trị vị trí tức thời trong một chu kỳ tín hiệu Còn bộ tính toán hiệu chỉnh so sánh giá trị tức thời với giá trị đạt được ở chu kỳ trước đó và tạo ra hai sóng hình vuông ua1 và ua2 lệch nhau 900

2 Một phương pháp nội suy số khác dùng vi xử lý được chỉ ra ở hình 2.12

Phương pháp này sử dụng bộ tính toán arctang Ở đây hai giá trị điện áp số được đưa vào bộ Vi xử lý để tính thương S1/S2 và xác định được góc tương ứng từ bảng trong EPROM Bảng này chỉ ra giá trị vị trí trong một chu kỳ tín hiệu Tại cùng một thời điểm hai giá trị dòng điện tương tự I1 và I2 được biến đổi thành sóng hình vuông và chu kỳ tín hiệu được đếm Giá trị vị trí thực được xác định bởi giá trị

Nội suy Tính toán & hiệu chỉnh

Ua1

Ua2 Lấy mẫu

và lưu giữ

A D

đếm được và góc tính được Ngoài ra, giá trị chính xác có thể được đọc từ bảng trong RAM và tính toán thàng giá trị vị trí Kết quả của quá trình xử lý này là dữ liệu dạng mã mà được truyền đến bộ điều khiển, máy tính hoặc bộ hiển thị theo cổng nối tiếp hoặc song song

2.3 Thành phần cơ bản của hệ điều khiển trong máy CNC

Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC bao gồm các cụm điều khiển máy (Macchine Control Unit - MCU), cụm điều khiển động cơ servo (Servo driver), cụm động cơ servo, cụm phản hồi tốc độ (Velocity feedback), cụm phản hồi vị trí (Position feedback)

Cụm điều khiển máy đóng vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống, nó làm nhiệm vụ giao tiếp giữa người vận hành và hệ thống , nhận lệnh điều khiển

MCU Servo driver Servo motor Bàn máy

Velocity feedback (Encoder, resolver)

Position feedback (Encoder,inductosyn)

Hình 2.13 Thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển CNC Hình 2.12 Phương pháp nội suy dùng bộ tính toán arctang

Lấy mẫu và lưu giữ

A D I1

Transmitter Driver

tính toán nội suy để đưa ra các thuật toán số học , logic theo trì nh tự xác định Từ công nghệ gia công do người lập trì nh nạp vào MCU, nhờ hệ thống phần mền MCU sẽ đưa ra tín hiệu từ cụm phản hồi vị trí để liên tục điều chỉnh các sai lệ ch vị trí trong quá tŕnh làm việc Sai lệch tốc độ của động cơ servo sẽ được cụm phản hồi tốc độ phát hiện và đưa tới cụm điều khiển servo để hiệu chỉnh

2.4 Chức năng của cụm điều khiển

Cụm điều khiển máy được coi là trái tim của máy công cụ điều khiển số Nó có nhiệm vụ liên kết tất cả các chức năng để điều khiển máy Các chức năng bao gồm: Vào, ra số liệu xử lý các số liệu và ghép nối máy với các thiết bị ngoại vi

2.4.1 Số liệu vào (data input)

Chức năng này bao gồm: Chức năng vào và lưu trữ số liệu Đó là số liệu mô tả đường chuyển động của dụng cụ và điều kiện gia công sản phẩm

2.4.2 Xử lý số liệu (data processing)

Cấu trúc chương trình điều khiển được đưa vào cụm MCU và được nó mã hóa thành số nhị phân sau só lưu trữ vào cụm nhớ đệm Các số liệu này được bộ xử lý trung tâm (central processing unit - CPU) tính toán xác định vị trí, lượng chạy dao, hiệu chỉnh chiều dài (Tool length ofset) và đường kính dụng cụ (Tool diameter offset) Cũng như các số liệu rời rạc như yêu cầu điều khiển đóng ngắt hệ thống bôi trơn, làm mát chi tiết và các thiết bị điều khiển cổng (I/0) đảm bảo trì nh tự truyền tín hiệu giữa máy công cụ, PLC và hệ điều khiển CNC

2.4.3 Số liệu ra (data output)

Số liệu đưa ra của MCU là tín hiệu vị trí và lượng chạy dao Các tín hiệu này được đưa tới mạch điều khiển servo để sinh ra tín hiệu điều khiển động cơ Trong cụm dẫn động, động cơ luôn có mạch khuyếch đại bởi vì tín hiệu trước khi đưa vào cụm dẫn động rất nhỏ không đủ công suất để động động cơ làm việc

2.4.4 Ghép nối vào/ra (machine I/0 interface)

Các tín hiệu rời rạc yêu cầu từ số liệu vào như chiều quay trục chính, đóng mở động cơ làm mát, bôi trơn, dừng khẩn cấp , dừng chu trì nh và các tín hiệu khác từ máy công cụ gửi tới hệ điều khiển CNC

2.5 Phần cứng cụm điều khiển

Phần cứng của cụm MCU gồm 6 thành phần cơ bản : vi xử lý trung tâm, bộ nhớ, điều khiển servo, thiết bị lôgic điều khiển trình tự và mạch ghép nối Các thành

phần liên hệ với CPU thông qua BUS Thành phần trong MCU chỉ ra trên hình 2.14

2.5.1 Bộ xử lý trung tâm (CPU)

Bộ xử lý trung tâm (Central Processing Unit- CPU) là một máy tính nhỏ hoặc thành phần chính của một máy tính nào đó Số lượng cấu trúc cơ bản của máy tính có thể thực hiện được là nhờ mối liên hệ trực tiếp rất tinh vi của các mạch logic trong CPU Nhờ chương trình nguồn ghi trong bộ nhớ để hình thành thuật to án trên cơ sở dữ liệu đưa vào cho phù hợp với chương trình điều khiển và điều khiển các thiết bị trong và ngoài CPU thông qua BUS Cấu trúc CPU gồm 3 phần tử cơ bản: Phần tử điều khiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy nhập nhanh

a Phần tử điều khiển

Phần tử điều khiển (Control section) làm nhiệm vụ điều khiển tất cả các phần tử của nó và các phần tử khác của CPU Xung nhịp từ đồng hồ đưa vào điều khiển đồng bộ hoạt động của các phần tử.Phần tử điều khiển chuyển đổi thông tin giữa nó với các phần tử khác thông qua BUS Đồng thời nó cũng có nhiệm vụ sinh ra tín hiệu yêu cầu thông tin từ các phần tử khác

Tổ chức cấu trúc được lưu trữ trong bộ nhớ của máy tính được xem như một chương trình và chương trì nh có thể thay đổi được bằng thay đổi thứ tự các thông tin số đã lưu trữ trong bộ nhớ Chính nhờ khả năng quan trọng này của CPU đã làm cho MCU trở nên linh hoạt hơn

Hệ thống BUS

Điều khiển servo

Điều khiển lập trìnhPLC CPU

Hình 2.14 Thành phần cơ bản của MCU