Các hệ thống chuyển đổi các lệnh từ máy tính tới sự di chuyển của máy đƣợc chỉ ra trên hình sau . Hình mô tả cơ cấu dẫn động servo bao gồm động cơ servo và thiết bị truyền công suất. Các lệnh từ máy tính làm cho động cơ dẫn động quay, động cơ quay làm cho trục vít quay thông qua nối trục, trục vít quay làm cho đai ốc di chuyển tuyến tính và cuối cùng làm cho bàn máy di chuyển tuyến tính. Chung quy lại, cơ cấu dẫn động servo điều khiển vận tốc và mô men của bàn thông qua thiết bị dẫn động ở mỗi trục dựa trên các lệnh điều khiển vận tốc từ máy tính. Hình mô tả cơ cấu dẫn động trục chính, bao gồm động cơ trục chính và thiết bị truyền công suất. Động cơ trục chính quay đƣợc truyền tới phần thân trục chính . Gần đây, động cơ không đồng bộ thƣờng xuyên đƣợc dùng làm động cơ trục chính của máy công cụ do động cơ không đồng bộ, không chổi than, tốt hơn hẳn so với động cơ DC ở các thông số nhƣ kích cỡ, khối lƣợng, quán tính, hiệu suất, tốc độ lớn nhất và khả năng bảo trì.
19
Một vài máy công cụ dùng bánh răng để truyền công suất thay vì đai. Tuy nhiên, công suất truyền bởi bánh răng không phù hợp cho máy tốc độ cao. Gần đây,truyền động trực tiếp, tức là nối trực tiếp động cơ và thân trục chính không qua thiết bị truyền công suất đang đƣợc dùng cho tốc độ quay 10000 vg/ph.
Từ những phân tích trên, chọn truyền động trực tiếp là kiểu truyền động chung cho cả ba động cơ di chuyển và động cơ trục chính.
Motor Tải Encoder Ổ lăn Nối trục Vít me bi Motor Encoder Bộ truyền đai Trục chính a) Dẫn động các trục di chuyển b) Dẫn động trục chính Hình 2.8 Sơ đồ động các trục động cơ và trục chính thƣờng dùng. 2.2.5. Chọn loại động cơ
Động cơ trong máy bao gồm cả động cơ di chuyển bàn máy và động cơ quay trục chính. Động cơ quay trục chính là thiết bị tạo tốc độ cắt và mô men bằng cách quay dao và phôi. Do đó, mô men lớn và tốc độ cao rất quan trọng khi chọn động cơ trục chính và động cơ không đồng bộ thƣờng đƣợc dùng do đặc tính của nó. Động cơ dẫn động cần các đặc tính nhƣ mô men lớn,gia tốc lớn, và đáp ứng nhanh tại tốc độ thấp và có thể điều khiển đồng thời vận tốc và vị trí . Máy công cụ, nhƣ máy tiện và cụm đầu máy, cần mô men lớn cho việc cắt các phôi dày ở dãy tốc độ thấp và cho việc di chuyển nhanh trong dãy tốc độ cao. Còn các động cơ với quán tính nhỏ và đáp ứng cao cần cho máy với nhiệm vụ lặp đi lặp lại với thời gian gia công rất ngắn.Ví dụ, máy dập và máy ta rô đai ốc tốc độ cao.
Các đặc tính cơ bản đƣợc yêu cầu cho động cơ dẫn động của máy gia công Cam nhƣ sau :
20
Có thể đáp ứng nhanh với một hƣớng dẫn.
Có đặc tính tăng và giảm tốc tốt
Có dãy vận tốc rộng.
Có thể điều khiển vận tốc dễ dàng ở mọi giá trị trong dãy vận tốc.
Có thể hoạt động liên tục trong thời gian dài.
Có thể đáp ứng việc tăng giảm tốc liên tục.
Có độ phân giải cao nhằm tạo đủ mô men trong trƣờng hợp các khối nhỏ.
Đơn giản để quay và có độ chính xác cao.
Tạo đủ mô men để dừng.
Có độ tin cậy cao và thời gian hoạt động dài.
Đơn giản để bảo trì.
Khả năng điều khiển vị trí và không bị trƣợt.
Sau khi giới hạn lại,các loại động cơ thỏa mãn các đặc tính nêu trên bao gồm : động cơ DC servo, động cơ đồng bộ C servo và động cơ không đồng bộ AC servo. Ƣu điểm, nhƣợc điểm và các thông số của các loại động cơ servo ở trên đƣợc tổng kết lại trong bảng sau :
Bảng 2.1 So sánh các động cơ Servo.
Động cơ DC servo Động cơ C servo đồng bộ Động cơ C servo không đồng bộ Ƣu điểm Giá rẻ, dãy vận tốc rộng, dễ dàng điều khiển
Không chổi than, đơn giản để dừng động cơ
Cấu tạo đơn giản. Không cần detector
Nhƣợc điểm
Nhiệt , có trang bị chổi than, ồn ào, cần xác định vị trí Cấu tạo phức tạp, mô men bị gợn sóng, rung động, cần xác định vị trí Không thể hãm động học, tổn thất nhiệt
21 Tuổi thọ Phụ thuộc vào tuổi
thọ chổi than
Phụ thuộc vào tuổi thọ ổ lăn
Phụ thuộc vào tuổi thọ ổ lăn
Từ đó ta chọn loại động cơ DC servo để dẫn động các trục XYZ do một số ƣu điểm nhƣ phổ biến, giá rẻ, dễ dàng điều khiển và chế tạo mạch driver. Và chọn động cơ đồng bộ AC cho trục chính do những ƣu điểm về tốc độ và công suất đạt đƣợc.
22
Chương trình điều khiển. Chương 3.
Cấu tạo của một máy điều khiển số luôn bao gồm hai phần chính là phần mềm và phần cứng. Nếu coi cả cái máy nhƣ một con ngƣời, thì phần cứng chính là tay, chân, ngón tay, ngón chân,... Còn phần mềm lại nhƣ là não bộ, là các nơ tron điều khiển các cử động, hoạt động của tay chân và các ngón tay, ngón chân đó. Rõ ràng, phần mềm chính là trung tâm của máy điều khiển số, và là yếu tố đóng một vai trò quyết định đến sự đáp ứng, cũng nhƣ kết quả của cả cái máy.
Soạn chƣơng trình cho một máy điều khiển số có nghĩa là đƣa toàn bộ các thông tin cần thiết để chế tạo một chi tiết xác định trên máy công cụ trở thành dạng có thể hiểu đƣợc cho hệ điều khiển số và thông báo cho nó theo một hình thức thích hợp.
Thực chất thì công việc lập trình là thu thập, xử lý và soạn thảo những dữ liệu thông tin yêu cầu. Các dữ liệu đó có thể bao gồm:
Các thông tin hình học : dữ liệu tạo hình hay các số liệu về đƣờng dịch chuyển.
Các thông tin công nghệ : số vòng quay trục chính, chiều quay, lƣợng chạy dao, chiều sâu cắt,..
Từ đó chƣơng này ra đời, đƣa ra các phân tích và lí thuyết cho hệ điều khiển về xác định tâm cam, các dạng biên dạng cam, thiết lập biên dạng cam, chƣơng trình biên dịch và nội suy , qua đó cho phép lập trình một giao diện điều khiển và một mạch giao tiếp giữa máy tính và máy gia công hoàn chỉnh.
23 3.1. Lý thuyết chƣơng trình tạo biên dạng cam. 3.1.1. Phân loại cam.
Cơ cấu cam có thể chia làm hai loại lớn: cơ cấu cam phẳng và cơ cấu cam không gian. Cam phẳng có thể chia làm ba loại:
Theo chuyển động của khâu dẫn ta có cam quay hoặc cam tịnh tiến.
Theo chuyển động của cần ta có các dạng : dừng-lên-dừng (DRD) , dừng-lên- về-dừng (DRRD) hoặc lên-dừng-lên (RRR)...
Dwell – Rise – Dwell (DRD)
Dwell – Rise – Dwell – Return - Dwell
(DRDRD)
Dwell – Rise – Return- Dwell (DRRD)
Rise – Return - Rise (DRD) D is p la y m en t Hình 3.1 Các dạng chuyển động của cần.
Theo đặc tính của cần : đáy nhọn, đáy con lăn, đáy bằng hoặc đáy lồi.
Đáy nhọn Đáy con lăn Đáy bằng Đáy hình cầu
Hình 3.2 Các loại cần. 3.1.2. Đặc tính của cần.
Để đơn giản, ta có thể coi Cam giống nhƣ một cái nêm có một chu kì tăng và giảm để xác lập sự di chuyển của cần. Trong tất cả các loại Cam, khoảng dịch chuyển của cần đƣợc thể hiện qua biểu thức toán học:
24
( ) ( ) Công thức (3.1)
Ở đây là góc quay của cam ở radian. Tuy nhiên, do Cam quay ở vận tốc góc cố định, nên ta có thể coi ( ) ( ) và với t là thời gian để Cam quay đƣợc góc (s) và là vận tốc góc của Cam (rad/s). Từ đó ta có thể chuẩn hóa đặc tính của cần nhƣ sau.
Biên dạng cam thƣờng thƣờng đƣợc cho dƣới dạng hàm của góc . Do đó
Công thức (3.2)
Tốc độ góc tức thời của cần :
Công thức (3.3)
Gia tốc tức thời của cần:
Công thức (3.4)
Tốc độ biến đổi gia tốc của cần :
Công thức (3.5)
Đặc tính của cần có thể đƣợc thể hiên qua hàm theo thời gian nhƣ sau: Vận tốc cần : ̇ ( ) ( ) ( ) ( ) Công thức (3.6) Gia tốc của cần :
25 ̈ ( ) ( ) ( ) ( ) Công thức (3.7)
Và biến đổi gia tốc của cần :
⃛ (
) Công thức (3.8)
Từ các phƣơng trình trên, ta có thể thấy rằng mỗi đạo hàm liên tiếp có thể xác định từ bất kì điểm nào trên đƣờng cong cho trƣớc. Do đó, tại bất kì điểm nào thì hệ số góc của đƣờng dịch chuyển là vận tốc của cần, tƣơng tự, hệ số góc của đƣờng vận tốc là gia tốc của cần, hệ số góc của đƣờng gia tốc là biến đổi gia tốc của cần. Từ đây, ta có thể nhanh chóng đánh giá đƣợc các giá trị khoảng dịch chuyển, vận tốc, gia tốc và biến đổi gia tốc của cần.
Với phƣơng pháp này, việc xác định dấu là cần thiết để hiểu các đặc tính di chuyển và động lực học của cần. Chúng ta giả sử chiều dƣơng của trục di chuyển của cần phía trên điểm thấp nhất của đồ thị dịch chuyển ( hình 2.1a). Do đó, vận tốc là dƣơng nếu cần đi theo hƣớng dƣơng trục di chuyển và âm nếu nó đi ngƣợc lại. Có nghĩa là, vận tốc là dƣơng khi cần đi lên và âm khi cần đi xuống. Dấu của gia tốc cũng tƣơng tự.
26
Hình 3.3 Ví dụ về một đặc tính của cần. 3.1.3. Xác định biên dạng cam.
Sau khi xác định tâm cam theo tài liệu [3], ta có kích thƣớc xác định vị trí tƣơng đối giữa cam và cần. Kích thƣớc này cùng với qui luật chuyển động của cần theo yêu cầu (Phụ lục B) cho phép ta xây dựng giải thuật xác định biên dạng cam. Các giải thuật xây dựng biên dạng cam bằng máy tính đƣợc trình bày ở phụ lục A.
27 3.2. Lý thuyết chƣơng trình điều khiển số.
Hệ thống điều khiển số có ba phần chính : phần giao tiếp với ngƣời dùng, phần driver và phần động cơ. Từ các chức năng chính , ta có thể chia hệ thống điều khiển số của chúng ta thành các thành phần chính :
MMI (Man Machine Interface – Giao tiếp ngƣời và máy ) : cung cấp một giạo diện giúp giao tiếp với ngƣời dùng, thực hiện các lệnh thực thi xuất nhập dữ liệu ,hiển thị trạng thái và cung cấp các chức năng để sửa chữa chƣơng trình và phƣơng thức giao tiếp.
NCK ( Numerical Control Kernel - Điều khiển số Kernel ) : lõi của hệ thống số, thực hiện v biên dạng Cam, biên dịch biên dạng cam thành G-code, bù trừ bán kính dao dựa trên việc biên dịch chƣơng trình.
MMC( Microcontroller – Vi điều khiển) : liên tục nhận G-code , điều khiển thay đổi dao và tốc độ, vị trí các trục, bật tắt nƣớc tƣới nguội, đọc dữ liệu các công tắc hành trình,..
Driver : Nhận xung step/dir từ MMC, dùng giải thuật PID điều khiển chính xác vị trí.
28 LAPTOP Giao diện B re ak B o ar d Hệ thống DRIVER Step/Dir Encoder Nguồn Motor 5V 5V 5V Data X Y Z 3 MOTOR DC SERVO Công tắc: hành
trình, stop. Đèn, Loa báo hiệu
PHẦN CỨNG Nguồn C MOTOR Trục chính Driver trục chính Encoder Step/Dir Nhập thông số Xuất biên dạng cam Biên dịch G-code, bù trừ dao, ...
Nội suy Xuất t/hiệu Driver
Xử lí tín hiệu vào
Giải thuật điều khiển PID Điều khiển động cơ
Tăng, giảm tốc
PHẦN MỀM
Hình 3.4 Cấu trúc bộ điều khiển bằng phần cứng và phần mềm.
Về phần cứng, máy cắt biên dạng cam bao gồm máy tính, hệ thống dẫn động động cơ và máy công cụ. Đầu ra của điều khiển vị trí, chức năng cuối của hệ thống điều khiển, đƣợc gửi đến hệ thống dẫn động động cơ, hệ thống dẫn động động cơ quay động cơ thông qua điều khiển vận tốc và mô men, cuối cùng bàn máy đƣợc điều khiển. Hệ thống điều khiển có thiết bị xuất nhập tín hiệu analog hoặc digital cho việc giao tiếp với động cơ. Trƣớc đây tín hiệu analog thƣờng đƣợc lựa chọn khi truyền tín hiệu từ hệ thống điều khiển đến động cơ, nhƣng do nhiễu trong khi truyền bằng analog nên ngƣời ta đã dần chuyển sang dùng tín hiệu digital. Với digital, ta có thể trao đổi nhiều dữ liệu hơn, loại trừ nhiễu khi truyền. Qua đó dễ dàng cài đặt thông số cho hệ thống dẫn động, hiển thị trạng thái của hệ dẫn động và tăng độ chính xác .
29 Biên dạng cam Nội suy Gia tốc Điều khiển vị trí Điều khiển vận tốc Lấy thông số từ các cổng nhập liệu, phân tích và xuất biên dạng cam Biên dịch g-code Tạo dữ liệu di chuyển cho bàn máy
Điều khiển gia tốc
Điều khiển PID
Điều khiển động cơ.Tốc độ động cơ phụ thuộc vào tốc độ bắn xung MMI NCK DRIVER Biên dịch G-code G01X..Y.. G02….
Hình 3.5 Đặc tính bên trong của hệ thống điều khiển máy. Các chức năng chính của chƣơng trình điều khiển :
Xuất biên dạng Cam : Từ những dữ liệu và thông số từ giao diện nhƣ loại cam, thông số góc đi,về,..tiến hành v biên dạng cam. Lí thuyết v biên dạng cam đã đƣợc trình bày ở phía trên.
Biên dịch : đọc dữ liệu biên dạng cam, tiến hành phân tích các đƣờng cong, tách điểm và xuất các lệnh G-code.
Nội suy : liên tục đọc dữ liệu từ bộ đệm dữ liệu, tính toán vị trí và vận tốc cho mỗi trục và lƣu kết quả trong bộ đệm cho bộ điều khiển tăng/giảm tốc. Có thể chia làm bốn loại nội suy : đƣờng thẳng, đƣờng tròn, đƣờng parabol và đƣờng cong bất kì. Bộ nội suy tạo ra các xung tƣơng ứng với loại nội suy ( thẳng,tròn,parabol hay đƣờng cong bất kì) và gửi chúng tới bộ đệm. Số xung quyết định vị trí và tần số xung quyết định vận tốc của bàn máy. Độ dịch chuyển mỗi xung quyết định độ chính xác, ví dụ, nếu một trục di chuyển 0.002 mm mỗi xung, độ chính xác của máy là 0.002 mm . Ngoài ra,ta có thể tạo
30
25000 xung để di chuyển một đoạn 50mm và 8333 xung/s để di chuyển với tốc độ xấp xỉ 1 m/ph.
Nếu điều khiển vị trí đƣợc thực thi bằng các dữ liệu tạo ra từ bộ nội suy thì khi các động cơ bắt đầu hoặc dừng lại s gây ra rung động và va đập mạnh. Để tránh việc này, ta phải dùng một bộ lọc để điều khiển tăng/giảm tốc trƣớc khi dữ liệu nội suy đƣợc gửi đến bộ điều khiển.
Dữ liệu từ bộ tăng/giảm tốc đƣợc gửi tới bộ điều khiển vị trí và việc điều khiển vị trí s xảy ra theo dữ liệu chuyển đến trong một thời gian xác định. Thƣờng dùng bộ điều khiển PID để điều khiển vị trí và vận tốc để hạn chế tối đa sai số giữa vị trí mong muốn và vị trí thực tế.
3.2.1. Biên dịch
Biên dịch code là một module phần mềm có vai trò chuyển đổi biên dạng thành các lệnh cho các trục dẫn động di chuyển và thực thi các chức năng phụ trợ. Hình 3.17 mô tả các đặc tính bên trong của hệ thống điều khiển số và chỉ ra các chức năng của điều khiển MMI , NCK và MMC . Chƣơng trình đƣợc ngƣời lập trình viết ra trên cơ sở hình dạng của cam, điều kiện cắt gọt, dao đƣợc dùng thông qua MMI và NCK liên tục tạo ra các lệnh điều khiển gửi đến MMC,sau đó đƣợc nội suy và gửi đến các driver thông qua các quá trình: tính toán khoảng cách dịch chuyển , vận tốc cho các trục thông qua nội suy,làm mềm quá trình di chuyển bằng cách điều khiển tăng/giảm tốc và tạo ra các lệnh điều khiển vị trí.
Chƣơng trình sau biên dịch
Một chƣơng trình bao gồm các lệnh và các block lệnh. Các block lệnh về cơ bản giống với máy CNC và có thể đƣợc xác định bằng các lệnh sau :
NC lệnh nhƣ : cấu trúc G,M,S,T,H,D,F và một số thông số liên quan