Hệ thống CNC bao gồm 3 bộ phận:
- Hệ NC (numerical control) làm nhiệm vụ tương tỏc với người vận hành và tiến hành việc điều khiển vị trớ.
- Hệđiều khiển cỏc động cơ - Hệ cỏc driver.
Theo nghĩa hẹp, chỉ cú hệ NC được gọi là hệđiều khiển CNC. Chương này chỉ tập trung vào cấu thành thứ nhất, tức là tập trung vào kiến trỳc và chức năng của hệ NC.
Hỡnh 3.1 Cấu thành của hệđiều khiển CNC
Xột về mặt chức năng, hệđiều khiển CNC bao gồm bộ phận giao tiếp giữa người và mỏy (MMI-Man-Machine-Interface), phần lừi điều khiển số (NCK - Numerical Control Kernel) và bộ điều khiển logic khả lập trỡnh PLC (Programmable Logic Control) (xem hỡnh 3.1).
MMI chịu trỏch nhiệm giao tiếp giữa NC và người vận hành mỏy, thi hành cỏc lệnh của mỏy, hiển thị thụng tin trạng thỏi của mỏy và thực hiện cỏc chức năng soạn thảo chương trỡnh gia cụng.
NCK là lừi của hệ thống CNC, nú thụng dịch chương trỡnh gia cụng và tiến hành nội suy, điều khiển vị trớ và bự trừ sai số dựa trờn chương trỡnh đĩ được thụng dịch. Cuối cựng NCK điều khiển cỏc động cơ servo chuyển động để gia cụng chi tiết.
PLC NKC
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 32
Bộ điều khiển PLC điều khiển việc thay dao, tốc độ trục chớnh, thay chi tiết gia cụng và nhập hoặc xuất cỏc tớn hiệu xử lý. Nú đúng vai trũ điều khiển cỏc hoạt động của mỏy (ngoại trừ điều khiển cộng cơ servo)
Hỡnh 3.2 thể hiện kiến trỳc của một hệ mỏy cụng cụ CNC dưới gúc độ cả phần cứng lẫn phần mềm. Dưới gúc độ phần cứng, mỏy CNC bao gồm hệđiều khiển CNC, hệ thống cỏc động cơ dẫn động, và bản thõn mỏy cụng cụ. Tớn hiệu điều khiển vị trớ, là đầu ra cuối cựng của hệ CNC, được truyền đến bộđiều khiển động cơ (motor drive system), bộđiều khiển động cơđiều khiển cỏc động cơ servo bằng điều khiển vận tốc hoặc momen. Cuối cựng, động cơ bắt bàn mỏy mang chi tiết chuyển động thụng qua hệ thống truyền động.
Trong hệ thống CNC, mụ-đun xử lý cỏc chức năng của MMI, NCK và PLC bao gồm bộ xử lý trung tõm, hệ thống RAM và ROM để lưu cỏc ứng dụng của người dựng (cho MMI), chương trỡnh gia cụng (cho NCK) và cỏc chương trỡnh PLC (cho PLC). Mụ-đun xử lý kết nối với hệ giao diện cú trang bị cỏc phớm nhập dữ liệu, màn hỡnh hiển thị và hệ thống bus. Cú thể núi, kiến trỳc của một hệ CNC tương tự như một mỏy tớnh đa nhiệm. Hệ CNC cũng cú cỏc thiết bị nhập/xuất cỏc tớn hiệu tương tự và tớn hiệu số nhằm giao tiếp trực tiếp với cỏc thiết bị ngoại vi khỏc và tạo mối liờn kết truyền thụng giữa cỏc động cơ và mụ-đun nhập/xuất.
Theo cỏch nhỡn về mặt phần mềm, hệ thống CNC được thể hiện trờn hỡnh 3.2. Theo đú, hệ CNC bao gồm cỏc chức năng MMI hỗ trợ chức năng soạn thảo chương trỡnh, giao diện người dựng và hiển thị cỏc thụng tin trạng thỏi của mỏy; cỏc chức năng NCK thi hành cụng việc thụng dịch chương trỡnh, nội suy và điều khiển; cỏc chức năng PLC thực hiện cỏc chương trỡnh logic theo cỏch tuần tự.
Hỡnh 3.2 Cấu thành của hệ thống CNC chuẩn
1.1 Chức năng của MMI (giao tiếp giữa người và mỏy)
MMI thực hiện chức năng tương tỏc với người võn hành mỏy. Vỡ thế cú rất nhiều loại giao diện người dựng khỏc nhau tựy vào cỏc nhà sản xuất mỏy cụng cụ khỏc nhau. Cỏc chức năng của MMI được chia ra 5 nhúm sau:
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 33
1. Cỏc chức năng liờn quan đến hoạt động của mỏy: bao gồm hiển thị trạn thỏi của mỏy khi mỏy hoạt động vớ dụ như khoảng cỏch đĩ đi được, tốc độ dịch chuyển dao, tốc độ quay của trục chớnh, dũng lệnh nào đang được thi hành... Ngồi ra nú cũn hỗ trợ cỏc chức năng như dịch chuyển bàn mỏy bằng tay, nhập dữ liệu bằng tay, tỡm chương trỡnh, soạn thảo chương trỡnh, quản lý dụng cụ cắt (xem hỡnh 3.3).
Hỡnh 3.3 Vớ dụ về màn hỡnh hiển thị MMI và bộ bàn phớm nhập dữ liệu của hệđiều khiển FANUC ỏp dụng cho mỏy phay
2. Chức năng thiết lập (set) cỏc tham số: Trong hệ thống CNC, cú rất nhiều cỏc tham số (parameters) và chỳng được phõn thành 3 loại sau:
- Tham số của mỏy dựng để thiết lập cỏc chếđộ thụng thường của mỏy, hệđẫn động cỏc động cơ servo và trục chớnh, hiệu chỉnh dao, hệ tọa độ mỏy, cỏc điều kiện biờn an tồn.
- Tham số chương trỡnh: thiết lập trong quỏ trỡnh soạn thảo chương trỡnh - Tham số người dựng: để thớch nghi với yờu cầu của người sử dụng mỏy.
Vớ dụ về màn hỡnh hiển thị cỏc tham số và phương phỏp thay đổi cỏc tham số bằng hệ thống bàn phớm nhập liệu được minh họa trờn hỡnh 3.4 (hệđiều khiển FANUC).
Hỡnh 3.4. Vớ dụ về thiết lập tham số (parameters) cho mỏy thụng qua MMI (hệđiều khiển FANUC), đưa con trỏđến tham số cần sửa, nhập giỏ trị mới và nhấn phớm Input
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 34
3. Chức năng soạn thảo chương trỡnh gia cụng: Chức năng này cho phộp nhập và chỉnh sửa chương trỡnh gia cụng (gọi là G-code, dựa trờn tiờu chuẩn EIA/ISO Electronics Industry Association/International Organization for Standardization). Về mặt thực tế, người sử dụng mỏy phải biết G/M code (sẽđược làm rừ ở chương 4). Ở một số hệđiều khiển CNC, chức năng lập trỡnh gia cụng sử dụng chếđộ hội thoại giữa người và mỏy để giỳp cho việc soạn thảo chương trỡnh được dễ dàng hơn. Vớ dụ để soạn thảo chương trỡnh gia cụng khoan lỗ, người lập trỡnh khụng cần nhớ chi tiết cỳ phỏp của từng cõu lệnh trong chu trỡnh khoan. Chương trỡnh hỗ trợ lập trỡnh trong mỏy sẽ tựđộng sinh chương trỡnh G-code, người dựng chỉ nhập cỏc thụng số cơ bản như vị trớ lỗ cần khoan, chiều sõu lỗ v.v…
4. Chức năng giỏm sỏt và cảnh bỏo (Monitoring and alarm functions): Hệ thống CNC luụn luụn thụng bỏo cho người dựng trạng thỏi và tỡnh trạng của mỏy. Chức năng này là rất cần thiết khi mỏy hoạt động ở tốc độ cao. Trờn mỏy cụng cụ CNC thường cú cỏc đốn bỏo về mức độ tải của mỏy, cỏc chuụng hoặc đốn bỏo lỗi về sự cố, bỏo cỏo trạng thỏi của PLC v.v…
5. Cỏc dịch vụ và tiện ớch khỏc: Ngồi 4 chức năng thiết yếu bờn trờn, nhiều chức năng tiện ớch khỏc rất hữu dụng đối với người vận hành mỏy. Vớ dụ chức năng DNC (Direct Numerical Control) cú nhiệm vụ truyền chương trỡnh gia cụng soạn thảo bờn ngồi mỏy CNC xuống mỏy CNC để tiến hành gia cụng (sẽđược làm rừ thờm ở cuối chương), hoặc chức năng copy cỏc tham số trong mỏy ra bờn ngồi và lưu thành file để lưu trữ khi người dựng cần phục hồi cỏc tham số như ban đầu, hoặc chức năng giao tiếp trao đổi dữ liệu giữa mỏy tớnh PC và hệđiều khiển CNC.
1.2. Chức năng NCK (Numerical Control Kernel)
Nhỡn chung, hệ NC thụng dịch dữ liệu nhập, lưu giữ nú trong bộ nhớ, gửi lệnh đến hệ thống dẫn động, và kiểm tra cỏc tớn hiệu phản hồi về vị trớ hoặc tốc độ của hệ thống dẫn động. Cỏc khối chức năng của NCK và dũng thụng tin trong NCK, được xem là bộ phận thiết yếu của hệ CNC, được thể hiện trờn hỡnh 3.5. Chức năng thụng dịch, nội suy, điều khiển gia tốc/giảm tốc và điều khiển vị trớ l cc chức năng chớnh của bộ phận NCK.
a) Chức năng thụng dịch (interpreter): đúng vai trũ đọc chương trỡnh gia cụng (part program), thụng dịch cỏc block lệnh dưới dạng mĩ ASCII (American Standard Code for Information Interchange) trong chương trỡnh gia cụng và lưu giữ chương trỡnh đĩ được thụng dịch đú vào bộ nhớ trong để rồi chuyển sang bộ nội suy (interpolator). Cỏc khối lệnh (blocks) được thực hiện tuần tự, trỡnh thụng dịch sẽ đọc và dịch block lệnh kế tiếp khi khối lệnh phớa trước đang được thi hành. Vỡ thế, nếu thời gian thụng dịch khối lệnh phớa sau dài hơn thời gian thực hiện lệnh thỡ mỏy phải chờ cho đến khi khối lệnh được thụng dịch xong. Do vậy việc mỏy phải tạm dừng là khụng trỏnh khỏi. Để trỏnh trường hợp này, người ta dựng bộđệm (buffer) để lưu trữ tạm thời dữ liệu thụng dịch. Bộđệm luụn giữ một lượng số cỏc dữ liệu đĩ được thụng dịch đủ để trỏnh việc mỏy phải dừng tạm thời khi cú trường hợp thời gian thụng dịch lệnh lớn hơn thời gian thi hành lệnh.
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 35
b) Nội suy (interpolator): đúng vai trũ đọc cỏc thụng tin đĩ được thụng dịch và lưu trữ trong bộ nhớđệm bờn trong, tớnh toỏn vị trớ, tốc độ trờn mỗi đơn vị thời gian của cỏc trục của mỏy, và lưu trữ kết quả này vào một bộ nhớ đệm khỏc cú tờn là FIFO (first in, first out) để điều khiển việc gia tốc và giảm tốc. Nội suy đường thẳng và nội suy đường trũn là hai kiểu nội suy điển hỡnh trong hệ thống NC. Nội suy parapol, nội suy spline và một số nội suy khỏc chỉ dựng trong một số mỏy CNC. Cỏc phương phỏp nội suy sẽđược làm rừ ở mục 6.
Bộ nội suy phỏt một xung (pulse) ứng với dữ liệu đường tựy vào loại đường được nội suy (thẳng, trũn, prarapol hay spline) và gửi xung đú đến bộ đệm FIFO. Số lượng của xung được quyết định dựa vào vận tốc. Trong một hệ NC, chuyển vị trờn mỗi xung quyết định độ chớnh xỏc dịch chuyển (khụng xột sai số cơ khớ). Vớ dụ nếu một trục nào đú cú thể chuyển động 0.002mm/xung thỡ độ chớnh xỏc của hệ thống NC là 0.002. Thờm vào đú, hệ thống NC phải tạo ra 25000 xung để dịch chuyển chi tiết một đoạn 50 mm và 8333 xung/giõy để dịch chuyển với tốc độ 1 một/phỳt.
c) Nếu điều khiển vị trớ thi hành bằng cỏch sử dụng dữ liệu tạo ra từ bộ nội suy, mỏy sẽ bị rung về mặt cơ khớ do quỏn tớnh khi chi tiết bắt đầu chuyển động hoặc dừng. Để khắc phục hiện tượng đú, việc điều khiển gia tốc và giảm tốc phải được thực hiện trước khi dữ liệu nội suy được gửi đến bộđiều khiển vị trớ. Phương phỏp này gọi là gia tốc/giảm tốc sau nội suy. Ngược lại cũng tồn tại phương phỏp gia tốc/giảm tốc trước nội suy khi việc điều khiển tốc/giảm tốc được thực hiện trước khi nội suy.
1.3 Khối chức năng PLC
Bộđiều khiển logic được dựng để thi hành cỏc điều khiển mang tớnh tuần tự trong cỏc mỏy múc và trong cụng nghiệp. Trong quỏ khứ, điều khiển logic được thực hiện chủ yếu bằng phần cứng bao gồm rơle, bộđếm, timer và mạch điện. Chỳng được gọi là bộđiều khiển dựa vào phần cứng. Gần đõy, hệ thống PLC gồm ớt thiết bịđiện hơn, chỳng bao gồm bộ vi xử lý và bộ nhớ. Chỳng cú khả năng thực hiện cỏc phộp logic, đếm, chức năng timer và cả bộ tớnh toỏn số học. Vỡ vậy, PLC được gọi là bộđiều khiển logic dựa vào phần mềm (software-based logic controller). Ưu điểm của PCL bao gồm:
- Linh hoạt: điều khiển logic được thay đổi chỉ cần thụng qua thay đổi chương trỡnh (phần mềm)
- Khả năng mở rộng: thực hiện dễ dàng bằng cỏch thờm cỏc module và sửa lại chương trỡnh
- Hiệu quả kinh tế: giảm được giỏ thành vỡ giảm được thời gian thiết kế, độ tin cậy cao, dễ bảo trỡ.
- Tiết kiệm khụng gian: cú kớch thước nhỏ gọn so với điều khiển bằng hộp rơle
- Tin cậy: xỏc xuất hỏng do tiếp điểm kộm rất thấp thỡ PLC sử dụng cụng nghệ bỏn dẫn - Tớnh năng hoạt động tốt: thực hiện đươc cỏc phộp toỏn học và soạn thảo chương trỡnh
Kiến trỳc về phần cứng của bộ phận PLC của hệ NC bao gồm bộ vi xử lý, hệ thống bộ nhớ, bộ nhớ chươg trỡnh và cỏc module input/output như trờn hỡnh 3.5. Ngay khi nguồn được bật lờn, hệ thống bộ nhớ set mụi trường phần cứng cho PLC và bộ nhớ chương trỡnh, quản lý input/output, rơ le, timer, lưu giữ cỏc chương trỡnh của người dựng, và cỏc dữ liệu được thụng dịch bởi bộ vi xử lý. Module input/output giao tiếp với cỏc cụng tắc hành trỡnh, rơle…
Cỏc module chức năng của được thực hiện trong PLC thể hiện trờn hỡnh 3.6 và cú thể túm tắt như sau: Ban đầu, người dựng tạo cỏc chương trỡnh ứng dụng bằng cỏch dựng một chương trỡnh soạn thảo PLC bờn ngồi sau đú nạp vào PLC. Ở giai đoạn này, một thiết bị chuyờn dụng được dựng để giỳp người dựng soạn thảo chương trỡnh gọi là programer hay loader. Programer bao gồm trỡnh soạn thảo để soạn chương trỡnh và bộ biờn dịch (compiler, lưu ý biờn dịch khỏc với thụng dịch) chuyển chương trỡnh PLC thành ngụn ngữ PLC cú thể hiểu và thi hành được. Lý do tại sao phải dựng trỡnh biờn dịch là vỡ chương trỡnh được biờn dịch thực hiện nhanh và hiệu quả rất nhiều so với chưa biờn dịch. Chương trỡnh PLC đĩ được biờn dịch được truyền qua CPU module. Trạng thỏi của PLC đang được thi hành trong CPU module được gửi đến chương trỡnh PLC để người dựng giỏm sỏt trạng thỏi hoạt động.
2011, ĐXPhương-BM CTM, Khoa CK, ĐHNT 36
Hỡnh 3.6. Kiến trỳc và chức năng của hệ thống PLC
Module đọc chương trỡnh soạn thảo bằng Loader và thi hành tuần tự cỏc lệnh lệnh logic được gọi là Executer. Đõy là bộ phận cốt lừi của PLC. Executer lặp một cỏch tuần tự cỏc bước: đọc input, thực hiện cỏc phộp logic của chương trỡnh, gửi kết quả đến output thụng qua output module.
PLC trong mỏy CNC cũng tương tự như cỏc PLC thụng dụng nhưng chỳng cú thờm bộ điều khiển bổ trợ dựng để hỗ trợ chức năng của khối NCK. Cỏc chức năng cần thiết đú là:
- Mạch giao tiếp với NCK
- Dual-port RAM để hỗ trợđường truyền tốc độ cao
- Bộ nhớđể trao đổi dữ liệu trong quỏ trỡnh giao tiếp tốc độ cao với NCK - Module input tốc độ cao
Trong thực tế, tựy vào quyết định cỏ nhõn của từng nhà sản xuất mỏy CNC và cỏc nhà sản xuất PLC, nhiều ngụn ngữ PLC được sử dụng. Cũng chớnh vỡ thế đĩ xảy ra một số khú khăn trong quỏ trỡnh bảo trỡ và hướng dẫn sử dụng. Để giải quyết vấn đề này, ngụn ngữ PLC (IEC1131-3) chuẩn được xõy dựng và được sử dụng rộng rĩi. Tiờu chuẩn IEC1131-3 định nghĩa năm loại ngụn ngữ PLC: 1) Structured Text (ST), 2) Function Block Diagram (FBD), 3) Sequential Function Charts (SFC), 4) Ladder Diagram (LD), và 5) Instruction List (IL 1).