4.1 Cỏc thiết bịđo và giỏm sỏt vị trớ (encoders)
Trong mục 2 cú đề cập vai trũ của cỏc thiết bị giỏm sỏt và đo đạc vị trớ hay tốc độ trong cỏc vũng lặp điều khiển từ chu trỡnh nửa kớn cho đến chu trỡnh kớn và chu trỡnh hỗn hợp. Mục này sẽ giới thiệu cụ thể hơn nguyờn lý làm việc, đặc điểm và cấu tạo của cỏc thiết bị này.
Thiết bị dựng để kiểm tra vị trớ nhằm mục đớch giỏm sỏt và điều khiển vị trớ cú tờn gọi là encoder. Thụng thường nú được lắp vào đầu cuối của hệ thống trục truyền động hoặc lắp vào trục của động cơ servo. Để điều khiển tốc độ, tốc độ được kiểm tra bằng một sensor gọi là tachometer hoặc được tớnh thụng qua dữ liệu vị trớ do encoder cung cấp. Phương phỏp kiểm tra vận tốc bằng encoder là cỏch đếm số xung tạo ra trờn một thời gian, tức là đồng nghĩa với chuyển vị trờn một đơn vị thời gian, hay núi cỏch khỏc chớnh là đo vận tốc.
(Trong hệ thống trục chớnh của mỏy cộng cụ, hồi tiếp vận tốc thường được ỏp dụng để duy trỡ tốc độ quay của trục chớnh. Thụng tin phản hồi thường được thực hiện bằng một trong hai cỏch sau: dựng tachometer, là một thiết bị tạo ra hiệu điện thế cảm ứng (tớn hiệu tương tự chứ khụng phải tớn hiệu số). Gần đõy người ta thường dựng encoder dựa trờn nguyờn tắc quang học, sinh ra tớn hiệu hồi tiếp dạng xung số, để thay cho tachometer.)
Caực leọnh dũch chuyeồn hay vũ trớ Boọ phaựt leọnh:
PLC, computer…
Boọ ủiều khieồn Khueỏch ủái cõng suaỏt
Doứng ủieọn/ủieọn theỏ ủaừ khueỏch ủái
Servo motor
Hồi tieỏp
Caỷm bieỏn vũ trớ/toỏc ủoọ
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 41
Hiện nay người ta sử dụng cỏc loại encoder sau (hỡnh 3.11):
Hỡnh 3.11: Phõn loại cỏc thiết bị giỏm sỏt vị trớ (encoder) trong mỏy CNC Thiết bịđo vị trớ sử dụng một trong cỏc nguyờn lý cơ bản sau:
- Nguyờn lý cảm ứng điện từ - Nguyờn lý quang điện - Nguyờn lý biến trở (ớt dựng).
a) Theo nguyờn lý cảm ứng điện từ, người ta sử dụng một thước đo (thực tế là một cuộn dõy cú dũng điện xoay chiều chạy qua, do đú hỡnh thành một trường điện từ biến thiờn. Từ trường biến thiờn này làm xuất hiện trờn một thước dẫn điện khỏc (đặt trong phạm vi của nú) một điện ỏp. Điện ỏp cảm ứng phụ thuộc vào cường độ từ trường tức là phụ thuộc vào khoảng cỏch giữa hai vật dẫn. Như vậy thụng qua đo điện ỏp cú thể xỏc định được khoảng cỏch (vị trớ).
b) Thiết bị đo vị trớ kiểu quang điện
Gồm cú hai loại:
- Hệ thống đo vị trớ (đo hành trỡnh) quang điện chuyển động quay - Hệ thống đo vị trớ (đo hành trỡnh ) quang điện chuyển động thẳng Chu kỳ chia Tớn hiệu ra Độ lệch pha Tớn hiệu chuẩn
Encoder chuyển động quay
(lắp trờn trục vitme, trong động cơ) Rotary encoder Encoder chuyển động thẳng (Phần cốđịnh lắp trờn thõn mỏy, phần động lắp trờn bàn mỏy) Linear encoder Nguyờn tắc cảm ứng điện từ Nguyờn tắc quang điện Nguyờn tắc cảm ứng điện từ Nguyờn tắc quang điện
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 42
Hỡnh 3.13 Hỡnh dỏng thật của thước quang điện chuyển động thẳng (optical scale) Nguyờn lý đo kiểu quang điện như sau:
Xột hệ thống đo quang điện chuyển động thẳng (hỡnh 3.12).
Thiết bị gồm cú một nguồn sỏng 1, một thấu kớnh hội tụ 2, thước đo cú khắc vạch thành cỏc khe hẹp để ỏnh sỏng cú thể lọt qua lưới kớch quang 4 và cỏc tế bào quang điện 5. Khi lưới kớch quang cú chuyển động tương đối với thước đo, nguồn sỏng xuyờn qua cỏc khe hở của thước đo và lưới kớch tỏc động lờn cỏc tế bào quang điện tạo ra cỏc xung điện hỡnh sin. Người ta bố trớ cỏc tế bào quang điện cỏch đều nhau và cú tới hai lớp xếp bố trớ lệch nhau ẳ khoảng cỏch chia nờn sẽ nhận được hai tớn hiệu hỡnh sin lệch pha nhau 90°với mục đớch giỳp cho hệđiều khiển nhận biết được chiều chuyển động. Cỏc tớn hiệu hỡnh sin này được chuyển thành cỏc xung hỡnh chữ nhật thụng qua một mạch điện tử khỏc để từ đú đưa vào cỏc cơ cấu đếm để xỏc định vị trớ của bàn mỏy.
Để tăng độ phõn giải của phộp đo (tăng độ chớnh xỏc điều khiển) người ta cú thể dựng hai cỏch :
- Tăng số vạch chia trờn thước (lỳc đú việc chế tạo thước khú hơn)
- Biến đổi cỏc xung chữ nhật thành cỏc xung cú chu kỳ nhỏ hơn (5 lần hoặc 25 lần) (xem hỡnh 3.12)
Hỡnh 3.14 Nguyờn lý hoạt động và nguyờn lý cấu tạo của encoder quang chuyển động quay
Đối với thiết bị đo vị trớ quang điện chuyển động quay, thay vỡ dựng thước khắc vạch, người ta sử dụng đĩa khắc vạch cú cỏc vũng lỗ gọi là track, nguyờn tắc đo cũng tương tự thước chuyển động thẳng (nguyờn lý xỏc định vị trớ con trỏ trờn màn hỡnh mỏy tớnh khi sử dụng con chuột). Track bờn ngồi dựng để xỏc định vị trớ. Track giữa dựng để xỏc định hướng chuyển
Tham chiếu Đĩa cú khắc vạch 3 nguồn sỏng 3 chựm tia sỏng 3 tế bào quang điện Track ngồi Track giữa Track trong Thời gian
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 43
động. Track trong cựng dựng để xỏc định kết thỳc một vũng quay. Mạch tớch phõn dựng đểđếm số cỏc cạnh tăng và giảm của cỏc xung.
Đĩa được khắc rất nhiều vạch từ 200-18000 vạch nhờ kỹ thuật khắc hoỏ. Số vạch càng nhiều thỡ độ phõn giải đo càng cao. Độ chớnh xỏc của thước quang rất cao với sai số± 5àm/m. Cấu trỳc thật của encoder quang học chuyển động quay như trờn hỡnh 3.15.
Hỡnh 3.15: Thước quang chuyển động quay (optical rotary encoder): cấu trỳc thật bờn ngồi
c) Nguyờn lý biến trở: Sử dụng Potentiometers, Là loại vật liệu cú điện trở tỷ lệ thuận với chiều dài. Vị trớ cần xỏc định cũng chớnh là vị trớ của con chạy, được tớnh toỏn dựa vào tỉ sốđiện ỏp (ởđõy điện ỏp bằng cường độ dũng điện khụng đổi nhõn với điện trở tỷ lệ thuận với chiều dài của vật liệu làm potentiometers), hỡnh 3.16.
Hỡnh 3.16. Potentiometers chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến
4.2 Cỏc thệ thống đo hành trỡnh và giỏm sỏt vị trớ
Tất cả cỏc mỏy cụng cụ điều khiển theo chu trỡnh kớn đều phải cỏ cú hệ thống đo hành trỡnh để giỏm sỏt chuyển động thật của bàn mỏy, xe dao, trục chớnh tại vị trớ hiện tại so với vị trớ yờu cầu.
a) Phõn loại
Hỡnh 3.17 Phõn loại cỏc phương phỏp đo vị trớ
Soỏ (Digital) Tửụng tửù (Analog)
Tửụng ủoỏi (gia soỏ) Tuyeọt ủoỏi (absolute)
Trửùc tieỏp Giaựn tieỏp Trửùc tieỏp Giaựn tieỏp
Tửụng ủoỏi (gia soỏ) Tuyeọt ủoỏi (absolute)
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 44
Hệ thống phõn loại hệ thống đo hành trỡnh được trỡnh bày trờn hỡnh 3.17
- Phõn loại theo phương phỏp đo: tuyệt đối (absolute) và tương đối (hay gia số – incremental ) - Phõn loại theo vị trớ đo: trực tiếp và giỏn tiếp
- Phõn loại theo chuyển động của thiết bịđo: thiết bị chuyển động thẳng và chuyển động quay - Phõn loại theo tớn hiệu đo: tương tự (analog) và số (digital )
Đo vị trớ trực tiếp:
Là phương phỏp giỏm sỏt vị trớ cần đo, khụng cần qua cỏc dẫn động cơ khớ trung gian. Hệ thống đo được ghộp trực tiếp với chuyển động cần đo, cụ thể là thước đo gắn trực tiếp lờn bàn mỏy, hệ thống đọc gắn lờn thõn mỏy cốđịnh (vớ dụ hỡnh 3.18). Phương phỏp đo trực tiếp cú độ chớnh xỏc vị trớ cao vỡ nú loại trừ được sai số do khe hở và biến dạng của bộ truyền động cơ khớ.
Đo giỏn tiếp:
Thay vỡ đo trực tiếp chuyển động tịnh tiến của bàn mỏy ta giỏn tiếp đo chuyển động quay của vớt me để từ đú thụng qua bước vớt của vớt me để biết vị trớ hay độ dịch chuyển của bàn mỏy (xem hỡnh 3.19).
Cỏc sai số mắc phải do sai lệch bước vớt me cũng như khe hở của bộ truyền sẽ đưa vào trong sai số của phộp đo. Sai số này phải nằm trong phạm vi cho phộp thụng qua việc chế tạo bộ truyền
cú độ chớnh xỏc đủ lớn hoặc được bự lại thụng qua cỏc yếu tố hiệu chỉnh được cài đặt trong chương trỡnh điều khiển. Thiết bịđo giỏn tiếp được sử dụng rộng rĩi hiện nay vỡ cỏc bộ truyền được chế tạo khỏ chớnh xỏc và bộ điều khiển cũng cú khả năng hiệu chỉnh khe hở bước vớt me. Việc bảo vệ thiết bị đo giỏn tiếp khỏi bụi, phoi và nước làm mỏt dễ hơn so với thiết bịđo trực tiếp.
Trong thực tế thiết bị hồi
tiếp vị trớ kiểu giỏn tiếp được lắp đặt vào đầu cuối của trục động cơ servo (xem hỡnh 2.17)nhằm đồng bộ với động cơ và thuận tiện trong việc che kớn, bảo vệ và gọn nhẹ về kết cấu.
Phương phỏp đo vị trớ tuyệt đối
Trong phương phỏp đo này, mỗi giỏ trịđo đều được so sỏnh với điểm O của thước đo. - Đối với phương phỏp đo vị trớ theo kiểu tương tự / tuyệt đối, ứng với mỗi vị trớ trong phạm
vi đường dịch chuyển là một mức điện ỏp đặt biệt.
- Đối với phương phỏp đo vị trớ số hoỏ / tuyệt đối, mỗi một gia số vị trớ được đỏnh dấu riờng bằng cỏc mĩ nhị phõn cho trước.
- Ưu điểm của phương phỏp đo tuyệt đối là tại mỗi thời điểm đo hay cả khi mất điện, vị trớ tuyệt đối so với điểm O đều nhận biết ngay.
- Nhược điểm của hệ thống đo tuyệt đối là phức tạp về cấu trỳc nờn giỏ thành đắt, vỡ vậy cỏc mỏy mới hiện nay ớt dựng vỡ lý do cạnh tranh về giỏ cả.
Phương phỏp đo vị trớ kiểu gia số (tương đối)
Tồn bộ phạm vi dịch chuyển được chia thành cỏc bước tăng (increments) cú độ lớn như nhau. Vị trớ hiện tại được tớnh bằng tổng cỏc bước tăng đĩ đi qua. Cỏc gia số vượt qua đều cộng
Hỡnh 3.18 Heọ thoỏng ủo trửùc tieỏp
Khụựp noỏi
Vớt me
Thieỏt bũ ủo vũ trớ giaựn tieỏp
ẹoọng cụ
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 45
lại với nhau hoặc trừ đi cho nhau để xỏc định vị trớ thật tuỳ theo chiều chuyển động. Giỏ thành của hệ thống đo gia số khụng đắt lắm nờn được dựng nhiều.
Nhược điểm của nú là khi khởi động mỏy, vị trớ thật của bàn mỏy lỳc đú khụng nhận biết được, do vậy sau khi mở mỏy, bộđiều khiển bắt người vận hành phải đưa cỏc trục của mỏy về home (điểm 0) của nú (referrent zero point)để lấyđiểm gốc ban đầu nếu như khụng cú nguồn nuụi dự phũng.