Đối với hệ thống điều khiển mỏy cụng cụ CNC vấn đề cơ bản quan trọng là làm sao từ cỏc dữ liệu của chương trỡnh đĩ lập của người dựng, bộđiều khiển tiến hành xử lý, tớnh toỏn và phỏt lệnh đến cỏc đụng cơ dẫn động bàn mỏy và trục chớnh thực hiện cỏc dịch chuyển cần thiết để tạo ra hỡnh dỏng hỡnh học của chi tiết cần gia cụng với độ chớnh xỏc nhất định một cỏch tự động hồn tồn.
Khi vận tốc thực và vị trớ thực được cỏc sensor nhận biết và hồi tiếp ngược về mạch điều khiển, động cơ servo dựng trong cỏc mỏy CNC liờn tục được điều khiển sao cho sai số vận tốc hoặc sai số vị trớ giữa vị trớ cần và vị trớ thật là nhỏ nhất. Hệ thống hồi tiếp đầy đủ nhất sẽ bao gồm 3 vũng lặp điều khiển độc lập điều khiển cỏc trục của mỏy (hỡnh 3.7). Vũng ngồi cựng nhất là vũng hồi tiếp vị trớ, vũng giữa là vũng hồi tiếp vận tốc, và vũng trong cựng là vũng lặp về dũng điện. Núi chung, vũng lặp điều khiển vị trớ được bố trớ trong hệ NC, do hệ NC đảm nhận, cỏc vũng lặp khỏc đặt ngay trong thiết bị dẫn động servo. Tuy nhiờn cũng khụng cú quy định thống nhất nào về vị trớ của cỏc vũng lặp điều khiển. Chỳng phụ thuộc vào nhà thiết kế mỏy cụng cụ CNC.
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 37
Hỡnh 3.7. Ba loại vũng lặp điều khiển trong mỏy CNC
Nếu phõn loại dựa theo phương phỏp mà hệđiều khiển xỏc định và kiểm tra vị trớ, người ta chia hệ thống điều khiển thành 4 loại sau:
- Điều khiển chu trỡnh hở (open loop)
- Điều khiển theo chu trỡnh nửa kớn (semi-closed loop) - Điều khiển chu trỡnh kớn (closed loop)
- Điều khiển hỗn hợp (hybrid loop)
Phần lớn cỏc mỏy cụng cụ CNC cú độ chớnh xỏc cao được trang bị bộđiều khiển chu trỡnh đúng và nú kiểm soỏt vị trớ dịch chuyển dụng cụ cắt chớnh xỏc hơn, do đú chất lượng gia cụng chi tiết tốt hơn. Tuy nhiờn điều khiển theo chu trỡnh hở vẫn cũn sử dụng ở cỏc mỏy CNC cú độ chớnh xỏc vị trớ thấp hoặc cỏc mỏy cú mụmen cản sinh ra trờn động cơđẫn động bàn mỏy là nhỏ và giỏ trịổn định (vớ dụ mỏy gia cụng tia lửa điện điện cực dõy hoặc điện cực định hỡnh) để giảm giỏ thành chế tạo.
a) Hệ thống điều khiển chu trỡnh hở
Ở hệ thống điều khiển chu trỡnh hở, dữ liệu chương trỡnh gia cụng nhập được đưa vào bộ điều khiển MCU (machine control unit) (xem hỡnh 3.8). Nú giải mĩ thụng tin và lưu trữ trong bộ nhớ cho đến khi người vận hành bấm nỳt bắt đầu chạy chương trỡnh. Từng lệnh của chương trỡnh được chuyển đổi sang cỏc xung điện một cỏch tuần tự và tự động để gửi tới bộđiều khiển, kớch hoạt và điều khiển cỏc động cơ servo. Lượng dịch chuyển của động cơ hay núi cỏch khỏc là bàn mỏy phụ thuộc vào số xung điện (electric pulses) mà động cơ nhận được.
Hỡnh 3.8 Hệ thống điều khiển theo chu trỡnh hở ẹiều khieồn toỏc ủoọ
trúc chớnh Chương trỡnh gia cụng ẹiều khieồn ủ/cụ Servo Y Đ/cơ trục chớnh Boọ ẹK maựy Machine cotrol unit (MCU) ẹiều khieồn ủ/cụ Servo X Trục X Đ/c Servo Đai truyền Vớt me Đ/cơ Servo Trục Y
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 38
Hệ thống này khỏ đơn giản vỡ khụng cú mạch hồi tiếp (feedback), tuy nhiờn khụng cú cỏch nào để kiểm tra xem động cơ servo cú dịch chuyển (quay) đỳng theo lệnh đĩ được yờu cầu hay khụng, tức là chỳng khụng cú mối liờn hệ ngược. Do vậy hệ thống điều khiển chu trỡnh hở khụng thể ỏp dụng cho cỏc mỏy CNC gia cụng cơ cú độ chớnh xỏc lớn hơn 0,02 mm hoặc cú lực cắt trong quỏ trỡnh gia cụng lớn. Đối với loại điều khiển này động cơ servo là cỏc động cơ một chiều kiểu động cơ bước (stepper motor). Độ chớnh xỏc gia cụng chủ yếu phụ thuộc vào độ chớnh xỏc chuyển động của động cơ bước, vớtme và hệ thống truyền động. Khi mụmen quay nhỏ và ớt thay đổi thỡ độ chớnh xỏc dịch chuyển khỏ cao, do vậy cỏc mỏy gia cụng tia lửa điện hiện nay vẫn sử dụng điều khiển theo chu trỡnh hở.
b) Bộđiều khiển chu trỡnh nửa kớn
Điều khiển chu trỡnh nửa kớn là loại hệ thống điều khiển phổ biến cú cấu trỳc như hỡnh 3.9. Với loại này, thiết bị kiểm tra vị trớ được lắp vào trục của động cơ servo và chỳng kiểm tra gúc quay. Độ chớnh xỏc cuối cựng (chuyển động của bàn mỏy) phụ thuộc khỏ lớn và độ chớnh xỏc của trục vitme. Vỡ thế, trục vớt me bi cú độ chớnh xỏc cao được dựng trong hệ truyền động cho bàn mỏy. Khi cần thiết, một số mỏy hệ NC cũn cho phộp bự trừ sai số của bước vớt me và khe hở của trục vitme để tăng độ chớnh xỏc. Bự trừ sai số bước vớt me bằng cỏch hiệu chỉnh chỉ thịđến hệ dẫn động servo nhằm loại bỏ sai số tớch lũy. Bự trừ sai số khe hở khi chiều chuyển động đổi dấu, một lượng xung tương ứng với khe hở được gửi đến hệđiều khiển động cơ servo để hiệu chỉnh.
Hỡnh 3.9 Điều khiển chu trỡnh nửa kớn
c) Điều khiển chu trỡnh kớn (closed loop system)
Mặc dự bộđiều khiển chu trỡnh nửa kớn cú thể thể bự trừ sai số bước vitme và he hở vitme nhưng núi chung khú đạt được độ chớnh xỏc cao khi ảnh hưởng của khe hở sẽ thay đổi theo khối lượng của chi tiết gia cụng. Độ mũn của trục vớt me cũng khỏc nhau tại cỏc vị trớ khỏc nhau. Khe hở của vitme cũng thay đổi theo nhiệt độ. Thờm vào đú, chiều dài của trục vitme cũng bị giới hạn so với cỏc mỏy cú yờu cầu hành trỡnh lớn. Khi đú cơ cấu bỏnh răng thanh răng được sử dụng đối với cỏc mỏy cú kớch thước lớn. Tuy nhiờn, độ chớnh xỏc của cơ cấu bỏnh răng thanh răng thường kộm. Do vậy, điều khiển chu trỡnh kớn sử dụng trong trường hợp này sẽ khắc phục được sai số của vitme hoặc bỏnh răng thanh răng (hỡnh 3.10)
Hỡnh 3.8. Hệ thống điều khiển theo chu trỡnh kớn (cú hồi tiếp vị trớ và tốc độ) Chỉ thị vị trớ Baứn maựy ẹoọng cụ servo daĩn ủoọng
Maựy ủo toỏc ủoọ (tachometer)
Vớt me- ủai oỏc
Điều khiển vị trớ Điều khiển vận tốc Thước quang học
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 39
Trong hệ thống điều khiển chu trỡnh kớn, thiết bị giỏm sỏt vị trớ được lắp trờn bàn mỏy và vị trớ thực của bàn mỏy được hồi tiếp về hệđiều khiển. Chu trỡnh kớn và chu trỡnh nửa kớn khỏ giống nhau ngoại trừ vị trớ của thiết bị giỏm sỏt vị trớ (gọi là linear scale) được lắp ở bàn mỏy hay ở trục của động cơ và độ chớnh xỏc của thiết vị nhận biết vị trớ của hệđiều khiển chu trỡnh kớn rất cao.
Tuy vậy, hiện tượng cộng hưởng trong dao động của khung mỏy, hiện tượng dớnh trượt v.v.. gõy nờn thiết hụt chuyển động bởi vỡ bản thõn cả thõn mỏy cũng dớnh liền với đối tượng giỏm sỏt (bàn mỏy) cú ảnh hưởng đến đặc tớnh của hệ servo. Hệđiều khiển chu trỡnh kớn luụn cố làm giảm sai số giữa vị trớ cần đến trong lệch dịch chuyển và vị trớ thật. Để giảm cỏc sai số do cỏc hiện tượng núi trờn gõy ra, bộđiều khiển phải nhạy (dập được ảnh hưởng của dao động rung của khung mỏy) và đụi khi dẫn đến mất ổn định trong điều khiển. Vỡ vậy, nếu tần số cộng hưởng của mỏy thấp hơn tần sốđỏp ứng của hệđiều khiển chu trỡnh kớn thỡ hệđiều khiển vị trớ trở nờn mất ổn định. Vỡ thế người ta cố gắng tăng độ cứng vững của khung mỏy nhằm tăng tần số dao động cộng hưởng của mỏy. Đồng thời cố gắng giảm hệ số ma sỏt và loại bỏ cỏc nguyờn nhõn gõy ra thiếu hụt chuyển động.
d) Hệđiều khiển chu trỡnh hỗn hợp
Trong trường hợp khú tăng được độ cứng vững của mỏy khi khối lượng chi tiết gia cụng lớn hoặc khú loại bỏ được hiện tượng thiếu hụt chuyển động do hiện tượng dớnh hoặc trượt chuyển động trong cỏc mỏy CNC hạng nặng, người ta sử dụng bộđiều khiển chu trỡnh hỗn hợp nhằm bảo đảm độ chớnh xỏc vị trớ mà khụng làm mất tớnh ổn định điều khiển (hỡnh 3.9).
Trong chu trỡnh hỗn hợp, cú hai vũng lặp điều khiển: vũng nửa kớn giỏm chuyển động của động cơ, vũng kớn sử dụng thước quang để giỏm sỏt vị trớ của bàn mỏy. Trong vũng lặp nửa kớn, cú thể dựng thuật toỏn điều khiển cú độ nhạy cao bởi vỡ vũng lặp này khụng bị ảnh hưởng của tồn bộ khung mỏy. Cũn trong vũng lặp kớn, độ chớnh xỏc điều khiển được tăng lờn nhờ phương phỏp bự trừ sai số mà vũng lặp nửa kớn khụng thực hiện được. Vỡ vũng lặp kớn chỉ bự trừ sai số thuộc về vị trớ nờn hoạt động tốt ở chếđộ nhạy thấp hơn. Sự kết hợp giữa vũng lặp kớn và nửa kớn cho phộp đảm bảo độ chớnh xỏc điều khiển trong mọi trường hợp.
Hỡnh 3.9 Bộđiều khiển chu trỡnh hỗn hợp