Bài giảng Truyền động và điều khiển máy CNC: Chương 5 không đi sâu về cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển máy công cụ CNC mà chỉ tập trung vào các nguyên lý và các khái niệm cơ bản nhất về cấu thành và sự hoạt động của hệ thống điều khiển máy công cụ CNC
3/21/2021 Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM TRUYỀN ĐỘNG VÀ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC Đường Công Truyền Chương ĐIỀU KHIỂN MÁY CƠNG CỤ CNC 3/21/2021 Chương khơng sâu cấu trúc nguyên lý hoạt động điều khiển máy công cụ CNC mà tập trung vào nguyên lý khái niệm cấu thành hoạt động hệ thống điều khiển máy công cụ CNC Thành phần hệ điều khiển CNC 3/21/2021 Hệ điều khiển CNC • Hệ thống CNC gồm phận: – Hệ điều khiển số (NC-Numerical control): điều khiển vị trí tương tác người-máy – Hệ điều khiển động – Hệ drivers • Chỉ có hệ NC gọi hệ điều khiển CNC Thành phần 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) 3/21/2021 Thành phần hệ điều khiển CNC • Theo cấu trúc máy công cụ CNC: Ứng xử bên hệ thống CNC 3/21/2021 Chức MMI (giao tiếp người-máy) • MMI thực chức tương tác với người vận hành máy Vì có nhiều loại giao diện người dùng khác tùy vào nhà sản xuất máy công cụ khác Các chức MMI chia nhóm sau: Chức MMI (giao tiếp người-máy) • Chức hoạt động máy (operation): – Hiển thị trạng thái máy: khoảng cách cịn lại, tốc độ trục chính, tốc độ chạy dao, dòng lệnh hành – Hỗ trợ hoạt động máy: di chuyển bàn máy tay, nhập liệu tay, tìm/soạn thảo chương trình, quản lý dụng cụ 3/21/2021 Chức MMI (giao tiếp người-máy) • 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 độ máy chi tiết, vùng an tồn – Tham số chương trình: để thiết lập q trình soạn thảo chương trình – Tham số người dùng: để thích nghi với yêu cầu người sử dụng máy Chức MMI (giao tiếp người-máy) Thiết lập tham số thông qua MMI (trên hệ điều khiển FANUC), đưa trỏ đến tham số cần sửa nhập giá trị 3/21/2021 Chức MMI (giao tiếp người-máy) • 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 Association/International organization for standardization) – Lập trình theo ngôn 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 số vị trí, chiều sâu gia cơng; chương trình hỗ trợ lập trình máy tự động sinh mã G/M-code % O0002 G91 G28 Z0.; G91 G28 X0 Y-0.; T02 M06; G40 G49 G80 G17 G21; G90 G54 G00 X0 Y0; G43 H02 Z50.; S400 M03; G98 G83 X10 Y20 Z-15 R1 Q3 F25 M08 ; Y-20.; X-10 Y20.; Y-29.; G00 Z50 M09; G91 G28 Z0; M05; M30; Lập trình khoan CNC sử dụng mã G/M codes 3/21/2021 Lập trình chu trình khoan/taro theo ngơn ngữ hội thoại Chức MMI (giao tiếp người-máy) • Chức giám sát cảnh báo (monitoring and alarm): Hệ thống điều khiển CNC thông báo cho người sử dụng trạng thái tình trạng 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 3/21/2021 Chức MMI (giao tiếp người-máy) • 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 để lưu trữ – Chức giao tiếp trao đổi liệu máy tính hệ điều khiển CNC Chức NCK (lõi điều khiển số) • Hệ CNC thơng dịch liệu nhập, lưu giữ nhớ, gửi lệnh đến hệ thống truyền động, kiểm tra tín hiệu phản hồi vị trí tốc độ từ hệ thống truyền động • Các khối chức NCK dịng thơng tin NCK xem phận thiết yếu hệ CNC • Các chức NCK: thơng dịch, nội suy, điều khiển gia tốc/giảm tốc điều khiển vị trí 3/21/2021 Các khối chức NCK Chức NCK (lõi điều khiển số) • Chức thơng dịch (interpreter): – Đọc chương trình gia cơng (part program) – Thơng dịch block lệnh dạng mã ASCII (American Standard Code for Information Interchange) lưu giữ nhớ trong, sau chuyển sang nội suy (interpolator) – Các khối lệnh (blocks) thực tuần tự, trình thơng dịch đọc dịch block lệnh khối lệnh phía trước thi hành 10 3/21/2021 Ngun lý điều chỉnh vị trí kiểu chu trình kín máy CNC • Từ nội suy, giá trị vị trí cần đạt đến điều khiển MCU đưa vào mạch điều chỉnh vị trí • Trong điều chỉnh vị trí giá trị vị trí thực nhận biết qua hệ thống đo vị trí • Lấy giá trị vị trí thực trừ giá trị vị trí cần sai lệch điều chỉnh • Sai lệch điều chỉnh đại lượng điều chỉnh đối tượng điều chỉnh động servo Ngun lý điều chỉnh vị trí kiểu chu trình kín máy CNC Sơ đồ khối điều chỉnh chu trình kín động servo • Bộ điều chỉnh vị trí ln phải lệnh dẫn cho động servo dịch chuyển hai tín hiệu từ điều khiển tín hiệu hồi tiếp vị trí xem “bằng nhau”, tức sai số điều chỉnh “bằng không” 27 3/21/2021 Nguyên lý điều chỉnh vị trí kiểu máy CNC • Để đạt độ xác điều chỉnh cao, khắc phục đại lượng nhiễu, điều chỉnh cần phải thoả mãn yêu cầu sau: • Có khuyếch đại tốc độ cao để giữ cho sai lệch điều chỉnh thấp (tốt khơng) • Có độ giảm chấn tần số dao động riêng cao để khắc phục tượng dao động vị trí đích • Mơmen qn tính phận chuyển động có giá trị nhỏ • Bộ truyền động có số thời gian trễ nhỏ • Các chi tiết truyền động khí có độ bền cao, khe hở lắp ghép nhỏ Các mức phát triển hệ điều khiển CNC 28 3/21/2021 Các mức phát triển hệ điều khiển CNC • OAC: open architecture controller • H/W: hardware ; S/W: software • • • • 1950s: hệ điều khiển sở phần cứng 1980s: hệ điều khiển kín sở phần mềm 1990s: hệ điều khiển mở sở máy tính 2000s: hệ điều khiển mở tồn phần sở mạng máy tính Cấu trúc hệ điều khiển CNC tương lai module hóa, tiêu chuẩn hóa, xử lý liệu phân bố sử dụng chương trình CNC tương thích với định dạng STEP 29 3/21/2021 Nội suy điều khiển số CNC Nội suy điều khiển số CNC • Nội suy đóng vai trị tạo liệu dịch chuyển trục từ block liệu tạo thông dịch Nội suy phận quan trọng phản ánh độ xác hệ điều khiển • Trong mục này, loại nội suy khác giới thiệu cách 30 3/21/2021 Tổng quan • Mỗi máy CNC ln có trục điều khiển để gia công chi tiết có hình dáng phức tạp • Hai dạng điều khiển số: • Điểm-đến-điểm (point-to-point) • Theo biên dạng (contouring) • Để thực dạng điều khiển này, chuyển động dụng cụ cắt phải chia thành thành phần trục Tổng quan • Ví dụ để dụng cụ cắt di chuyển từ P1 đến P2 với vận tốc Vf mặt phẳng XY, nội suy chia toàn quãng đường thành thành phần dịch chuyển theo trục X Y theo vận tốc xác định trước Cuối khối lệnh vận tốc cho hai trục X Y tạo V2 > V1 (y2-y1) >(x2-x1) Ý tưởng nội suy 31 3/21/2021 Tổng quan • Các đặc điểm cần có nội suy: • Dữ liệu từ nội suy phải gần/trùng với hình dáng chi tiết thật • Bộ nội suy phải xem xét giới hạn tốc độ tùy theo cấu trúc máy đặc tính động servo q trình tính tốn vận tốc • Cần phải tránh sai số tích lũy q trình nội suy để vị trí cuối nội suy gần /trùng với lệnh vị trí chương trình gia cơng Các dạng nội suy • Theo loại đường cần nội suy: • Nội suy thẳng (tuyến tính) • Nội suy trịn • Nội suy xoắn ốc • Nội suy bậc 3, paraplol, hypepol, spline NURBS 32 3/21/2021 Các dạng nội suy • Theo thiết bị phương pháp thực hiện: • Nội suy phần cứng (hardware interpolator) • Nội suy phần mềm (software interpolator) • Bộ nội suy phần cứng bao gồm loại thiết bị điện dùng hệ CNC phát triển • Ngày nay, nội suy phần mềm sử dụng phổ biến hệ CNC Nội suy phần cứng (hardware interpolator) 33 3/21/2021 Nội suy phần cứng • Bộ nội suy phần cứng thực việc nội suy tạo xung mạch điện • Bộ nội suy phần cứng cho phép nội suy với tốc độ cao khó thích nghi việc sửa đổi thay thuật tốn nội suy • Phương pháp nội suy phần cứng điển hình sử dụng phân tích vi phân số (DDADigital Differential Analyzer) Bộ phân tích vi phân số (DDA) • Nội suy phần cứng sử dụng phân tích vi phân số (DDA) dựa nguyên lý tích phân số Velocity curve and approximating rectangles Khoảng cách thời điểm t = kt Sk hay 34 3/21/2021 Quy trình tích phân qua bước • Bước 1: tính vận tốc khoảng thời gian • Bước 2: tính lượng tăng thêm khoảng cách khoảng thời gian • Bước 3: tính tổng khoảng cách khoảng thời gian Quy trình lặp lại ứng với gia số t với tần số tương tác Cấu trúc phần cứng DDA • Gồm ghi n-bit Q V có giá trị lớn (2n – 1) • Thanh ghi Q cộng nhị phân V đếm 35 3/21/2021 Cấu trúc phần cứng DDA Ký hiệu nội suy • Tín hiệu nhị phân V thêm vào bit thấp ghi V • Giá trị Q tổng nhị phân giá trị ghi V Q • Nếu giá trị Q lớn (2n – 1) giá trị tràn S – đầu tích phân Cấu trúc phần cứng DDA • Biểu diễn dạng toán học • Hay • Với • Do đó, tần số trung bình để tạo S 36 3/21/2021 Nội suy tuyến tính DDA • Ngun lý tính tốn điểm trung gian • Giả sử dao cần di chuyển từ điểm bắt đầu PA đến điểm kết thúc PE theo đường thẳng với tốc độ chạy dao u = constant Toàn đoạn L phân chia thành đoạn ∆S Khoảng thời gian toàn để dao di chuyển từ hai điểm lập trình A E T =L/u Nội suy tuyến tính DDA • Các giá trị trung gian vị trí mà dao cần phải qua tính theo hàm số theo thời gian 37 3/21/2021 Nội suy tuyến tính DDA • Nếu chia thời gian T thành khoảng ∆t =T/N đủ nhỏ, phép tích phân thay thành phép cộng số thực cộng tích phân phần cứng n = 1, 2, … N Nội suy tuyến tính DDA • Với bước cộng, giá trị vị trí lại tăng thêm bước số • Để đảm bảo độ xác biên dạng nội suy so với biên dạng yêu cầu, bước cộng phải nhỏ 0.001 mm • Mỗi bước cộng gọi basic length unit (BLU) Thông thường BLU = 0.001 mm 0.0001 mm 38 3/21/2021 Nội suy cung tròn DDA (Điểm cuối) T, t: thời gian (Điểm đầu) Chiều dài cung AB: Nội suy cung trịn DDA • Tốc độ tiến dao kiểm sốt • Góc xoay • Vị trí thời điểm t 39 3/21/2021 Nội suy cung trịn DDA • Đạo hàm hai vế theo thời gian t ta tốc độ thành phần trục Nội suy cung tròn DDA • Với độ xác đủ dùng chia nhỏ thời gian ∆t = T/N, toạ độ điểm P xác định qua phép cộng gia số dịch chuyển thay cho phép lấy tích phân 40 3/21/2021 Nội suy phần mềm (software interpolator) 41 ...3/21/2021 Chương không sâu cấu trúc nguyên lý hoạt động điều khiển máy công cụ CNC mà tập trung vào nguyên lý khái niệm cấu thành hoạt động hệ thống điều khiển máy công cụ CNC Thành phần hệ điều khiển. .. 3/21/2021 Hệ điều khiển CNC • Hệ thống CNC gồm phận: – Hệ điều khiển số (NC-Numerical control): điều khiển vị trí tương tác người -máy – Hệ điều khiển động – Hệ drivers • Chỉ có hệ NC gọi hệ điều khiển. .. thống điều khiển máy CNC 16 3/21/2021 Vòng lặp điều khiển máy CNC • Vấn đề quan trọng hệ thống điều khiển máy công cụ CNC từ liệu chương trình, điều khiển tiến hành xử lý, tính tốn phát lệnh đến động